Multisim Teil1 Datei

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GRUNDLAGENLABOR
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Fachbereich Systems Engineering
Grundlagen-Labor
Praktikumsübung
GL-MultiSim: Einführung in das Programm „Multisim“
1.Teil1
Versuchsziele:
• Erste Schritte im Umgang mit dem Softwarepaket „Multisim (V 10.0) “;
• Schaltplanerstellung mit dem Schaltplaneditor „Capture“;
• Gleichspannungsanalyse: Berechnung der Gleichstrom- / Gleichspannungsverteilung
innerhalb eines Netzwerkes mit „Multisim“;
• Grafische Auswertung von Simulationsergebnissen;
• Übungen mit nichtlinearen Bauelementen.
Version 1.2, Dezember 2007 / Egger Fritz
1
Der 2.Teil behandelt die Wechselspannungsanalyse.
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GRUNDLAGENLABOR
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Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
……………………………………………………….
1.1
Die Programmstruktur von Multisim
…………………...
1.1.1
Schematic Capture
…………………………….……….
1.1.2
Spice Simulation
…………………….………….
1.1.3
Analyse und graphische Auswertung
………..…..
1.1.4
Virtuelles Experimentierboard „NI-ELVIS“
………….
1.1.5
Layoutprogramm „Ultiboard“
….……
1.2
Bauteil-Bibliotheken
…………………………………………
1.3
Programmstart und Bauteileingabe
………………………..
1.3.1
Anlegen eines Multisim Projektes
……………………
1.4
Die Multisim Oberfläche
………………………….………..
1.4.1
Das Capture Fenster (Workspace)
…………………...
1.4.2
Das Projektmanager Fenster (Design Tool Box)
………
1.4.3
Das Tabellen-Fenster (Spreadsheet View)
…………
1.4.4
Werkzeugleisten (Toolbars)
………………………..
1.4.5
Generelle Multisim Einstellungen
……………………
1-3
1-3
1-3
1-3
1-4
1-4
1-4
1-4
1-5
1-5
1-5
1-6
1-6
1-6
1-7
1-7
2.
Erzeugen eines Multisim – Projektes …………………………………
2.1
Die wichtigsten Bauteilbibliotheken
………………………..
2.2
Virtuelle, reale und 3D-Bauelemente
………………………
2.3
Schaltplaneingabe
………………………………
2.3.1
Auswahl der Bauelemente ……………………………..…..
2.3.2
Platzieren der Bauelemente
…………………………....
1-10
2.3.3
Ändern von Bauteilattributen
…………………………..
2.3.4
Zeichnen von Verbindungsleitungen
……………………
2.3.5
Benennung von Netzen
……………………………….
2.4
Electrical Rules Check (ERC) ………………………………….
2.5
Bauteillisten und Reports
…………………………………….
1-8
1-8
1-9
1-10
1-10
3.
Simulation und Virtuelle Instrumente
……………………….
3.1
Virtuelle Instrumente
……………………………………..
3.2
Measurement Probes (Mess-Tastköpfe)
………………
1-16
1-16
1-16
4.
Analysen
………………………………………………………...
4.1
DC-Operating Point Analyse ………………………………………
4.1.1
Wahl der Ausgabevariablen (Grapher View)
…………….
4.2
Transienten Analyse
…………………………….……….
4.2.1
Setup der Transientenanalyse
…………………………
4.3
Parameter Sweep Analyse
……………………………………
4.4
DC-Sweep Analyse
……………………………………
4.5
Temperatur Analyse
……………………………………
1-19
1-19
1-19
1-21
1-21
1-23
1-24
1-25
5.
Literatur-Hinweise
………………………………………………
1-11
1-12
1-13
1-14
1-15
1-27
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GRUNDLAGENLABOR
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1 Einleitung
Das Programm „Multisim“ (vormals „Electronics Workbench“) wurde von der Fa. National
Instruments zur Simulation und Berechnung elektronischer Schaltungen auf den Markt gebracht.
Es ermöglicht eine Analyse komplexer, auch nichtlinearer Schaltungen im Zeit- und
Frequenzbereich, parametrische Untersuchungen, Optimierungen, Bestimmen des
Rauschverhaltens und vieles mehr. Dazu stehen laufend ergänzte Bibliotheken mit den
charakteristischen Daten der gängigen Elektronikbausteine zu Verfügung.
Die Windows-Version dieses Programms mit dem Namen Multisim 10.0 gibt zusätzlich die
Möglichkeit, Schaltkreise interaktiv durch graphische Eingabe zu definieren und eignet sich
damit auch gut dafür, im Fach "Grundlagen der Elektrotechnik" erste Erfahrungen in der
Berechnung von Gleich- und Wechselstromschaltkreisen zu sammeln. Das Programm ist auf den
Fachhochschul-PCs installiert.
In den Labors und EDV-Räumen ist dabei die Dongle-gebundene Vollversion Multisim Release
10.0.1 eingerichtet. Eine Multisim - Student Edition (=freie Demoversion) für den
Privatgebrauch ist bei den Laborbetreuern zu erhalten.
Diese Laborübung soll nur eine erste Einführung sein, die es gestattet, einfache Schaltungen zu
definieren und zu simulieren. Die hier verwendeten Übungsbeispiele können alle mit der
Multisim – Student -Version gelöst werden.
1.1
Die Programmstruktur von Multisim
1.1.1 Schematic Capture
Das Programmteil Capture von Multisim dient der Eingabe von Schaltplänen und der
Verwaltung bzw. Archivierung von kompletten Projekten.
In Capture ist ein Bauteil-Editor namens Component Wizard enthalten, welcher der Erstellung
von neuen Symbolen bzw. der Verwaltung von existierenden Symbolen dient. Ebenso findet
man in Capture einen Circuit Wizard mit welchem sehr einfach gängige Schaltungen (OPV –,
Filter- und Timerschaltungen) entwickelt werden können.
Neben der Spice-Simulation selbst, lassen sich auch andere Programmteile aus Capture heraus
starten, so dass Capture die Schaltzentrale für die Arbeit mit Multisim darstellt.
1.1.2 Spice - Simulation
Multisim – Spice/Xspice ist ein Simulator, der das Verhalten von Schaltungen (bestehend aus
analogen und digitalen Bauelementen) simuliert.
Dies ist eigentlich der wichtigste Programmteil der Arbeitsumgebung, auch wenn er seine Arbeit
weitgehend im Hintergrund verrichtet.
Mit Spice können folgende Eigenschaften einer Schaltung simuliert bzw. analysiert werden:
„ Arbeitspunkteinstellung (DC-Operating point-Analysis)
Seminar Teil 1
„ Gleichspannungsverhalten (DC-Sweep-Analysis)
„ Zeitverhalten (Transient - Analysis)
„ Wechselspannungs- bzw. Frequenzverhalten (AC-Analyse)
Seminar Teil 2
„ Rauschverhalten (Noise – Analysis)
Zu den drei Grundanalysen lassen sich noch weitere Untersuchungen wie
„Parametrische Simulation“, „Temperaturanalyse“, „Monte-Carlo-Analyse“ oder auch „WorstCase-Analyse“ konfigurieren.
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1.1.3 Analyse und Graphische Auswertung
Die graphische Auswertung bzw. die Anzeige der Simulationsergebnisse kann in MultiSim in
drei unterschiedlichen Varianten durchgeführt werden:
„ Virtuelle Messgeräte (Digitalmultimeter, Oszilloskop, etc.)
„ Strom- und Spannungsmarker, Stromzange (Measurement Probes)
„ Über die unterschiedlichen Analysearten in eigenständigen Graphikfenstern (Grapher View)
Die Möglichkeiten reichen von der einfachen Anzeige von Strömen und Spannungen, bis hin zu
komplexen mathematischen Verknüpfungen der Simulations-Ergebnisse mit Hilfe des PostProcessors in eigenen Graphikfenstern.
1.1.4 Virtuelles Experimentierboard „NI-ELVIS“
Multisim beinhaltet auch ein virtuelles drei-dimensionales Steckbrett, auf welchem „live“ eine
Schaltung mit virtuellen 3D-Bauelementen zusammengebaut und getestet werden kann.
1.1.5 Layoutprogramm „Ultiboard“
Dieser Programmteil dient der Entwicklung von Leiterplatten, angefangen von der optimalen
Platzierung der Komponenten bis hin zum fertig gerouteten Design (incl. Auto-Router) und 3DVisualisierung des Boards (wird an unserer Fachhochschule zur Zeit nicht verwendet).
1.2
Bauteil-Bibliotheken:
Multisim besitzt drei Bauteil-Bibliotheken. Über ToolsÆDatabaseÆDatabase Manager findet
man die einzelnen Bauelemente welche in der
„ Master Database (= die Hauptdatenbank, beinhaltet bis zu 16.000 Bauteile und kann nicht
editiert werden )
„ Corporate Database ( = beispielsweise eine Firmendatenbank mit firmenspezifischen
Bauteilen, die auch editiert werden können)
„ User Database ( = Datenbank für die eigenen Bauteile)
gespeichert sind.
Jedes Bauelement verfügt über Symbol-, Modell-, Pinbelegung-, und Layout –Informationen
welche von den verschiedenen Programmblöcken benötigt werden:
Symbol
( für Schaltplaneingabe)
Spice-Modell
(für die Simulation)
Footprint
(für das Layout)
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Achtung: Wird ein Bauelement aus der Masterdatenbank modifiziert so kann es nur in der
Corporate- oder User-Datenbank gespeichert werden. Die Hauptdatenbank findet man unter
C:\Program Files\National Instruments\Circuit Design Suite 10.0\database\MSComp_S.prd
1.3
Programmstart, Anlegen eines Projektes, Bauteileingabe:
Zur Schaltplaneingabe kann das Programm „Multisim“ über die Programmgruppe
StartÆProgrammeÆNational InstrumentsÆCircuit Design Suite durch Klicken auf Multisim
gestartet werden.
1.3.1 Anlegen eines Multisim - Projektes:
Bestimmen Sie unter File Æ Save As ….. den Pfad, in welchem das Projekt gespeichert werden
soll ( z. B.: persönliches M:\-Laufwerk, keine Umlaute verwenden! )
Geben Sie im Feld „Dateiname“ den Namen des Projektes (z. B.: Uebung1.ms10)
Achtung: Im Dateinamen keine Umlaute oder Sonderzeichen verwenden!
1.4
Die Multisim Oberfläche
Werkzeugleisten
(Toolbars)
Menüleisten
Projekt
Manager
(Design
Toolbox)
Capture-Bereich / Workspace
(Schaltplaneingabe)
Tabellen-Bereich (Spreadsheet View)
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1.4.1 Das Capture Fenster (Workspace):
Im Capture Fenster werden die Schaltpläne des Designs erstellt.
Unter Options Æ Sheet Properties .. können Einstellungen betreffend Arbeitsblatt und
Schaltplandarstellung vorgenommen werden wie beispielsweise:
„
„
„
„
„
„
Arbeitsblattgröße, Hintergrundfarbe, etc. …
Bauteilattribute anzeigen (ja/nein)
Strichbreiten bzw. -Farben
Rasterung (ein / aus)
Schriftart und Schriftgröße
Metrische- oder Zollmasse, etc….
1.4.2
Das Project Manager – Fenster (Design Toolbox):
Der Project Manager zeigt die Informationen zum Projekt und der damit verbundenen Dateien.
Dies schließt Informationen über eingebundene Modellbibliotheken, Simulationsprofile und die
komplette Projektstruktur mit ein.
Projekt-Hierarchie,
geöffnete Projekte
etc.
1.4.3
Dem
Projekt
zugehörigen
Schaltpläne,
Layouts,
Simulationen,
Dokumente, etc.
Das Tabellen –Fenster (Spreadsheet View):
In diesem Fenster werden in tabellarischer Form Informationen zu den Simulationsergebnissen,
Netzlisten, Bauelementen und Leiterplattenlagen dargestellt:
Beispiel: Informationen über die im Schaltplan verwendeten Bauelemente
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Beispiel: Warnungen bzw. Errormeldungen beim einem „Electrical Rules Check“:
1.4.4
Werkzeugleisten (Toolbars):
Die „Toolbars“ beinhalten Schaltflächen für häufig benötigte Befehle. In einem Multisim-Projekt
gibt es mehrere solcher Toolbars. Sie können über View Æ Toolbars …. ein- oder ausgeschaltet
werden und an beliebigen Positionen im Fenster positioniert werden. Die gebräuchlichsten
Toolbars sind für die
• Auswahl der Bauelemente:
•
Auswahl der Virtuellen Messgeräte
•
Auswahl der Analysearten und des Postprozessor
•
Bedienung des Simulators
1.4.5
Generelle Multisim Einstellungen:
Unter Options Æ Global Preferences .. gibt es einige nützliche Einstellungen wie beispielsweise
„ die Auswahl der Sprache (englisch oder deutsch)
„ die Auswahl ob ANSI- oder DIN – Symbole verwendet werden sollen
„ ob Bauelemente nach Ihrer Auswahl nur einmal oder kontinuierlich platziert werden sollen
„ wie die Verdrahtung der Bauelemente erfolgen soll
„ unter welchen Pfaden die Bibliotheken und Konfigurationen abgespeichert werden
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2 Erzeugen eines Multisim – Projektes
2.1 Die wichtigsten Bauteilbibliotheken:
Über PlaceÆ Component oder mit der Tastenkombination Strg+w wird die Master-Datenbank
geöffnet und es erscheint im „Select a Component –Fenster“ eine Vielzahl von Bauteilgruppen
(z.B.: Operationsverstärker, Dioden, Connectors, Relais, Transistoren, etc…). Jede
Bauteilgruppe enthält wiederum einige Bauteilfamilien (Opamps, Comperatoren, etc) welche
nun die entsprechenden Bauelemente (z.B.: LM741CN) enthält.
Verschiedene
Simulationsmodelle
Die gebräuchlichsten Bauteilgruppen wie Stromversorgung, Passive Bauelemente, Dioden,
Transistoren, etc. sind auch in der Bauteile-Toolbar zu finden.
Simulationsmodelle:
Bitte beachten Sie, dass zu einem Bauelement verschiedene Simulationsmodelle gehören
können. Für Standardsimulationen genügt in der Regel das erste Modell in dieser Liste.
Suchfunktion:
Mit der Funktion „Search Component“ kann
in allen Multisim Bibliotheken nach einem
bestimmten Bauelement gesucht werden.
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2.2 Virtuelle-, reale- und dreidimensionale Bauelemente
Multisim unterscheidet zwischen vier Bauelement-Typen:
1. Virtuelle Bauelemente
Æ werden verwendet, wenn die Schaltung ausschließlich nur der Simulation dient
Das Bauelement beinhaltet Symbol - und
Modellparameter jedoch keine Layoutinformationen
(Footprint) und wird in der Farbe Schwarz dargestellt
2. Reale Bauelemente
Æ werden verwendet, wenn die Schaltung simuliert und auch ein Layout daraus gemacht
werden soll
Das Bauelement beinhaltet Symbol -, Modell - und
Layoutinformationen (Footprint) und wird in der
Farbe Blau dargestellt
3. Layout only – Bauelemente
Æ werden verwendet, wenn aus der Schaltung ausschließlich ein Layout gemacht werden soll
Das Bauelement beinhaltet Symbol - und
Layoutinformationen (Footprint) jedoch keine
Modellparameter und wird in der Farbe Grün
dargestellt
4. 3D- Bauelemente
Æ werden verwendet, wenn man nach der Simulation die Schaltung am virtuellen
Experimentierboard aufgebaut werden soll
Bibliothek mit
3D- Bauelementen
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2.3 Schaltplaneingabe
Als erstes Beispiel soll der Schaltplan nachfolgender Schaltung aus der Laborübung GL-18
gezeichnet werden. (zwei Spannungsquellen und eine Stromquelle mit zugehörigen
Innenwiderständen speisen an den Klemmen A / B ein Widerstandsnetzwerk)
2.3.1 Auswahl der Bauelemente (1. Übung)
Wählen Sie aus den Bibliothekgruppen „Sources“ bzw. aus den Bauteilfamilien
„Power_Sources“ und „Signal_Current_Sources“ die benötigten Spannungs- und Stromquellen
„DC_Power“, „DC_Current“ sowie das „Ground“- Symbol, welches das „Null Volt“ –
Bezugspotential darstellt, aus.
In der Bibliotheksgruppe „Basic“ finden Sie unter „Resistor“ die benötigten Widerstände R1 ..R9
(als DIN-Symbol dargestellt).
2.3.2 Platzieren der Bauelemente
Multisim bietet die so genannte „Click and Place“ – Funktion. Wird in der Bauteilbibliothek ein
Bauteil mit OK ausgewählt, erscheint eine Kopie des Bauteils am Mauszeiger und kann nun an
die gewünschte Position des Schaltplanes bewegt werden. Ein Klick mit der linken Maustaste
platziert das Bauteil an der gewünschten Stelle. Der Platzierungsmodus kann über einen Klick
mit der rechten Maustaste oder über <Esc> beendet werden.
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Fehler bei der Platzierung können dadurch behoben werden, dass man das betreffende Symbol
mit links anklickt (es erscheint dann blau umrahmt) und mit gehaltener Maustaste verschiebt.
Mehrere Teile können markiert werden, indem man einen freien Punkt links unterhalb der
gewünschten Bauteilgruppe mit links anklickt und mit gedrückter Taste den Cursor zum rechten
oberen Eckpunkt eines Rechtecks zieht, welches dann alle Teile enthält.
Der Rand dieses Rechtecks erscheint dabei auf dem Bildschirm und nach dem Loslassen der
Maustaste sind alle erfassten Bauteile blau umrahmt markiert.
Geht man mit dem Cursor in die so markierte Fläche, drückt die linke Maustaste und bewegt die
Maus mit gedrückter Taste, so verschieben sich alle Teile. Die Markierung wird durch anklicken
eines Punktes außerhalb der markierten Fläche beendet.
Markierte Bauelemente können auch durch Betätigen der Entf - Taste entfernt werden.
„ Rotieren und Spiegeln von Bauteilen:
Ein selektiertes Bauteil kann mit dem Befehl EditÆOrientationÆ90° Clockweise um
90° gedreht bzw. mit Flip gespiegelt werden. Alternativ dazu können die Tasten
<Strg-R> zum Rotieren bzw. <Alt-X> und <Alt-Y> zum horizontalen und vertikalen
Spiegeln verwendet werden.
2.3.3 Ändern von Bauteilattributen:
Um die Attribute eines Bauteiles (z.B. den Gleichspannungswert einer Quelle oder der
Wert eines Widerstandes) zu ändern kann der Property-Editor aufgerufen werden, indem
man das Bauteil selektiert und den Befehl EditÆProperties oder die Tastenkombination
<Strg-M> ausführt bzw. das Bauteil doppelklickt.
Manche Attribute (wie z.B. Widerstandswerte und Bauteilbezeichnungen) können auch
direkt durch Doppelklick auf das Attribut des Bauteils im Schaltplan geändert werden. In
diesen Fällen kann man die Größe des Zahlenwertes im Eingabefenster Value /Resistance
bzw. Label / RefDes ändern. Alle anderen Attribute können über die Attributs-Ordner
wie Label, Display, Value, Pins etc. editiert werden.
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ACHTUNG: Dezimalzahlen müssen mit einem
Punkt getrennt werden (z.B.: 2.7k ) !!
Statt der jeweiligen Standardeinheit kann man auch kleinere oder größere Einheiten durch
Angabe der Zehnerpotenzen verwenden. Den Zahlenwerten sind dann jeweils die Abkürzungen
gemäß nachfolgender Tabelle anzustellen.
Abkürzung in PSpice
G
M
k
m
u
n
p
f
Bedeutung
Giga
Mega
Kilo
Milli
Mikro
Nano
Piko
Femto
Zehnerpotenz
109
106
103
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
„ Platzieren von Masse-Symbolen:
Masse-Symbole sind spezielle Bauteile in Multisim. Bei Spice-Simulationen ist es
zwingend erforderlich, dass jeder analoge Knoten einen Gleichspannungspfad zur Masse
verfügt. Masse ist in Spice als Knoten 0 (Null) definiert.
Æ Selektieren Sie das Massesymbol „Ground“
aus der Bibliothek „Sources“ Æ
„Power_sources“ Æ „Ground“ und binden dieses im Schaltplan ein.
2.3.4 Zeichnen von Verbindungsleitungen:
Um Bauteile auf dem Schaltplan elektrisch miteinander zu verbinden, müssen die Pin´s
mit Verbindungsleitungen verbunden werden. Bei Multisim gibt es dazu mehrere
Methoden:
1. Ein Mauszeiger-Klick auf den Anschlusspin eines
Bauelements startet die Verdrahtung (schwarzer Punkt)
und ein weiterer Klick auf einem anderen Bauteil-Pin
beendet die Verdrahtung weder.
2. Das Berühren zweier Bauteil-Pins erzeugt
eine Verbindung (roter Punkt). Danach kann
das Bauteil an beliebiger Stelle wieder positioniert
werden.
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3. Der Befehl Place Æ Wire, oder das Tastenkürzel
<Strg-Q> aktiviert den Modus zum Zeichnen.
Æ Mit der linken Maustaste zeichnen Sie den Startpunkt
der Verbindung. Ein weiterer linker Mausklick auf einen
Bauteil-Pin beendet die aktuelle Verbindung.
4. Das Einfügen von Bauteilen in eine bestehende Verbindung
erfolgt durch einfaches platzieren des einzufügenden Bauteils
auf der bestehenden Verdrahtung
Das Programm erkennt Verzweigungspunkte und markiert diese mit einem Punkt
(Junction). Zusätzliche Verzweigungspunkte können mit PlaceÆJunction oder dem
Tastenkürzel <Strg-J> in den Schaltplan eingefügt werden.
„ Ändern von Verbindungsleitungen:
Wird der Mauszeiger in die Nähe eines Verbindungspunktes
(Junction) gebracht wechselt er zu folgender Form:
Mit einem linken Mausklick kann nun die bestehende
Verbindung gelöst werden und eine neue Verbindung
hergestellt werden.
2.3.5 Benennung von Netzen:
Verbindungsleitungen werden in der Simulation als so genannte „Netze“ bezeichnet.
Multisim nummeriert automatisch alle Netze von 0 (= Ground) beginnend.
Oftmals ist es jedoch sinnvoll, bestimmten Netzen einen Namen zu geben. Dies hilft z.B.
bestimmte Netze schneller im Spreadsheet-Fenster oder bei der Simulationsauswertung zu
finden.
Zum Benennen eines Netzes führen Sie einen Doppelklick auf die entsprechende
Verbindungsleitung aus. Dies öffnet ein Attributfenster, in welchem der Netzname dann
definiert werden kann. Netznamen sollen lediglich Buchstaben oder Zahlen enthalten
(keine Sonderzeichen!)
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Zuweisen der Bauteilattribute in unserer Beispielschaltung (2. Übung)
•
Die Innenwiderstände der Strom- und Spannungsquellen sollen auf Ri1, Ri2 und Ri3
umbenannt werden
• Ordnen Sie den Bauteilen folgende Zahlenwerte zu:
Ri1 = 2.2 kΩ, Ri2 = 2.7 kΩ, Ri3 = 840 Ω, R1 = 470 Ω, R2 = 1.5 kΩ, R3 = 2.2 kΩ
R4 = 1 kΩ, R5 = 4.7 kΩ, R6 = 1 kΩ V1 = 12V, V2 = 9V, I1 = 10mA
• Benennen Sie im Übungsbeispiel den Knoten am Eingang des Widerstandsnetzwerks
(Punkt A) mit EIN.
2.4 Electrical Rules Check (ERC)
Nach dem Fertigstellen eines Designs empfiehlt es sich einen so genannten „Electrical Rules
Check“ zu machen. Dieser Test untersucht die Schaltung auf elektrische Fehler wie
„ offene Schaltungszweige und Verbindungsleitungen
„ auf einen fehlenden Gleichspannungspfad zur Masse
„ ob Ground-Pins auf Power-Pins verdrahtet wurden
„ etc………..
und wird über ToolsÆ Electrical Rules Check oder mit der Schaltfläche
in der ToolbarLeiste gestartet.
In den ERC-Optionen ist es sinnvoll
die Positionen „Unconnected Pins“
und „Excluded Pins“ auszuwählen.
Wird bei dieser Überprüfung im Schaltplan ein Fehler gefunden, erhält man im SpreadsheetFenster eine entsprechende Fehlermeldung und im Schaltplan wird die Position des Fehlers mit
zwei roten Kreisen angezeigt. Eingeblendete Fehlermeldungen lassen sich wieder mit Tools Æ
Clear ERC Markers entfernen.
Ist die Schaltung fehlerfrei findet man folgende Meldung:
3. Übung : Führen Sie bei Ihrer Schaltung einen „Electrical Rules Check“ durch!
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2.5 Bauteillisten und Reports
Eine detaillierte Bauteilliste des erstellten Schaltplanes findet man im Ordner „Components“ des
„Spreadsheet-Fensters“. Ein Doppelklick auf ein Bauteil dieser Liste ergibt einen Querverweis
zum Bauteil im Schaltplan (das ausgewählte Bauteil erscheint dann im Schaltplan blau
umrandet)
Wenn von der erstellten Schaltung Bauteillisten
oder Netzlisten in andere Programme exportiert
werden müssen gibt es bei Multisim die Möglichkeit
unter Reports Æ Netlist Report bzw.Cross Reference
Report Listen beispielsweise im Excelformat zu erstellen.
Netzliste
Bauteilliste
Statistik
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3 Simulation und Virtuelle Messinstrumente
Am soeben erstellten Übungsbeispiel sollen nun die elektrischen Eigenschaften wie Strom- und
Spannungsverteilung untersucht werden. Eine Simulations-Berechnung mit Spice liefert
beispielsweise den Gleichspannungsarbeitspunkt einer Schaltung. Beachten Sie bitte, dass alle
Bauelemente die im Schaltplan verwendet wurden auch „Spice-Modelle“ besitzen (siehe Punkt
2.1 – Bauteil-Eigenschaftsfenster Æ „Model manuf. / ID“ )
Eine Simulation wird über die Schaltfläche
, bzw. den Befehl „SimulateÆ Run“ oder über
die Taste <F5> gestartet und über die Schaltfläche
bzw. über den Befehl „SimulateÆ
Stop“ wieder gestoppt.
Die Anzeige der Simulationsergebnisse kann mit „virtuellen Instrumenten“ und/oder mit MessTastköpfen („Measurement-Probes“) erfolgen.
3.1
Virtuelle Instrumente
Für die Anzeige der Messwerte können aus der „Instruments-Toolbar“ eine Vielzahl von
Messgeräte wie z.B. Digitalmultimeter, Oszilloskop, Wattmeter etc. ausgewählt und am
Schaltplan platziert werden.
Ein Doppelklick auf das Messgerät öffnet das so genannte „Front-Panel“ zur visuellen Anzeige
des Messwertes.
3.2
Measurment-Probes
Für eine schnelle, einfache und Platz sparende Messwert-Anzeige lassen sich über „SimulateÆ
InstrumentsÆ Measurement Probes“ oder über die Schaltfläche
konfigurierbare Mess-
Tastköpfe in den Schaltplan einfügen. Welche Messwerte an dem gewählten Messpunkt angezeigt werden sollen läst sich im „Probe Properties-Fenster“ (Doppelklick auf den Tastkopf)
auswählen. Der Messwert bezieht sich bei den Standard-Probes immer auf das Null-Potential
(Ground).
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oder
Potential-Differenzmessungen:
Für Potential-Differenzmessungen muss ein Mess-Tastkopf
mit dem Namen „Voltage with Reference to Probe“
gewählt werden und der Namen des Referenz –Tastkopfes
mit dem Bezugspotential definiert werden.
4. Übung : Messen Sie in Ihrer Schaltung mit zwei virtuellen „Digital-Multimetern“ und
mit geeigneten Mess-Tastköpfen
„ den Gesamtwiderstand Rges des Widerstandsnetzwerkes R1-R6
„ die Spannung UAB am Eingang des Widerstandsnetzwerkes
„ den Strom IEIN ins Widerstandsnetzwerk
„ den Spannungsabfall an R4
„ Entfernen Sie aus dem Schaltplan das Masse-Symbol und simulieren Sie die
Schaltung erneut. ÆWelche Fehlermeldung erscheint? Æ Warum?
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5. Übung : Lade- Entladekurve eine Kondensators
Legen Sie ein neues Projekt an und erstellen Sie nachfolgende Schaltung
UC1
Bitte beachten Sie: Der in der Schaltung verwendete Schalter „SPST“ ist in der Bibliothek
BasicÆSwitchÆSPST enthalten.
„ Untersuchen Sie nun mit Hilfe eines virtuellen Oszilloskops den Spannungsverlauf UC1
am Kondensator C1 nach dem Betätigen des Schalters J1.
Nach welcher Zeit ist C1 aufgeladen und welchen Maximalwert erreicht UC1 ?
„ Modifizieren Sie die obige Schaltung so, dass beim Öffnen des Schalters J1 der
Kondensator C1 in der gleichen Zeit auch wieder entladen wird.
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4 Analysen
Um das exakte und detaillierte Verhalten einer Schaltung zu untersuchen, bietet Multisim die
Möglichkeit dafür unterschiedliche Analysearten zu verwenden. Die Simulationsergebnisse
werden dabei in einem speziellen Grafik-Fenster (Grapher View) dargestellt und können
nachträglich mathematisch manipuliert werden (Post-Processor).
Im Register „SimulateÆAnalyses“ oder über die Schaltfläche
achtzehn Analysearten ausgewählt werden.
kann eine von
Die vier Hauptanalysearten sind:
„ DC-Operating Point Analysis (Arbeitspunkt-Analyse)
Gleichspannungs - und Gleichstromverteilungen einer Schaltung
können in tabellarischer Form dargestellt werden.
„ AC Sweep (Frequenz-Analyse) siehe Teil 2
Spannungs- und Stromverlaufe können als Funktion der Frequenz
dargestellt werden
„ Transient Analysis (Zeitbereichs-Analyse)
Der zeitliche Verlauf von Spannungen und Strömen kann mit dieser
Analyseart dargestellt werden
„ DC Sweep (Gleichspannungsvariation)
Erlaubt die Variation von Gleichstrom- und Gleichspannungsquellen
innerhalb einer Schaltung
zusätzlich bzw. in Verbindung mit den vier Hauptanalysearten
können noch folgende Untersuchungen durchgeführt werden:
„ Parameter Sweep (Parametrische Analyse)
Erlaubt die Variation von Bauteil- oder Modellparametern wie
Widerstandswert, Temperaturkoeffizient, Temperatur etc. innerhalb
einer Schaltung
„ Temperatur Sweep Analyse
Mit Hilfe der Temperaturanalyse lässt sich das Temperaturverhalten einer Schaltung
untersuchen.
4.1 DC-Operating Point-Analyse: (6. Übung)
Mit Hilfe einer Arbeitspunktanalyse können die Gleichspannungs- und Gleichstromverteilungen
an allen Netzen einer Schaltung berechnet und in tabellarischer Form dargestellt werden.
4.1.1 Wahl der Ausgabevariablen (Setup des Grafikfensters):
Für die Darstellung der Ergebnisse im Grafik-Fenster (Grapher View) können im Register
„OutputÆVariables in Circuit“ die Ausgabe-Variablen definiert werden.
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In der linken Spalte findet man alle Variablen
die bei der Simulation berechnet werden, wie
zB.: V(1)…Spannung am Netz 1 oder
I(v1) ...Strom durch die Spannungsquelle V1.
Sind in der Schaltung auch „Measurement
Probes“ platziert, so stehen auch diese Werte
als wählbare Variablen (zB.: V(Probe1) oder
I(Probe1)) zur Auswahl.
In der rechten Spalte können mit „Add“ bzw.
„Remove“ die Variablen ausgewählt werden,
die nach der Simulation im Grafik-Fenster
(Grapher View) dargestellt werden sollen.
Optional können über die Schaltfläche „Add
Expression“ mit den Variablen auch
Rechenoperationen
durchgeführt
werden.
Beispielsweise muss eine Leistungsberechnung
(P=U*I)
oder
die
Berechnung
einer
Spannungsdifferenz zweier Netze über diese
Analysis Expression Funktion erfolgen (z.B.
V(6) – V(7) ….Spannungswert am Netz 6
minus Spannungswert am Netz 7)
Über die Schaltfläche „Simulate“ wird die
Simulationsberechnung gestartet.
Ergebnis: Alle gewählten Ausgangsvariablen in tabellarischer Form
Aufgabe:
Führen Sie an der Schaltung aus der 1.Übung eine Arbeitpunktanalyse durch und berechnen Sie
folgende Werte:
• den Spannungsabfall an R4
• die elektrische Leistung, die vom Widerstandsnetzwerk aufgenommen wird
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4.2 Transienten-Analyse: (7. Übung)
Das Ladeverhalten des Kondensators C1 aus der 5. Übung soll nun mit Hilfe einer TransientenAnalyse (auch Time Domain Analyse genannt) genauer untersucht werden.
Da ein manueller Schalter in den Analyse-Funktionen nicht interpretiert werden kann muss die
Funktion des „Einschaltens“ in Form eines „Spannungssprungs“ nachgebildet werden. Dies geht
am einfachsten
über die Verwendung einer Spannungsquelle mit der Bezeichnung
„Piecewise_Linear_Voltage“ aus der Bibliothek „Signal_Voltage_Sources“, an welcher der
Spannungsverlauf manuell (Stückchenweise linear) definiert werden kann.
Spannungsquelle „Piecewise_Linear_Voltage“:
Der Spannungsverlauf dieser Quelle kann in tabellarischer Form im Property-Fenster „PWLVoltageÆ Value“ (Doppelklick auf die Spannungsquelle) unter „Enter data points in table“
eingegeben werden.
In unserem Beispiel soll die Spannung nach einer Zeit von 100ms schnellstmöglich von 0V auf
+12V ansteigen
Aus der Schaltung ist der Schalter zu entfernen.
4.2.1 Setup der Transientenanalyse:
Eine Transientenanalyse ist eine Untersuchung der Schaltung im Zeitbereich. Die Darstellung
der Ergebnisse im Grafik-Fenster ähnelt sehr der Darstellung in einem Oszilloskop. Die Zeit ist
die Laufvariable auf der x-Achse während Spannungen und Ströme auf der y-Achse aufgetragen
sind. Jede Transientenanalyse beginnt zum Zeitpunkt „TSTART“ und läuft bis zum Zeitpunkt
„TSTOP“.
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Start Time (TSTART): Zeitpunkt des Beginns der
Transientenanalyse
End time (TSTOP): Zeitpunkt des Endes der
Transientenanalyse
Maximum time Step/ Minimum number of
points: hier kann die interne Rechnerschrittweite
des Simulators auf einen max. zulässigen Zeitwert
begrenzt bzw. auf eine minimale Anzahl von
Rechenpunkten begrenzt werden.
Ergeben sich in der graphischen Auswertung mit
„Probe“
beispielsweise
bei
einer
Kurvendarstellung
keine
abgerundeten
Kurvenverläufe, so können über „Minimum
number of time points“ die Rechenpunkte erhöht
werden und dadurch ein Glätten in der
Kurvendarstellung bewirkt werden.
Generate time steps automatically: Æ Automatische Wahl der Rechnerschrittweite (Division
der „Analysezeit” durch 50).
Wie schon bei der Arbeitspunkt-Analyse können auch hier für die Darstellung der Ergebnisse im
Grafik-Fenster (Grapher View) im Register „OutputÆSelected variables for analyses“ die
Ausgabe-Variablen definiert werden.
Aufgabe:
•
Erstellen Sie für das obige Übungsbeispiel „Lade- / Entladekurve eines Kondensators“
eine entsprechende Transientenanalyse.
•
Stellen Sie in einem Diagramm (Grafik-Fenster) den zeitlichen Spannungsverlauf der
Quellenspannung UV1 und der Kondensatorspannung UC1 dar.
•
Stellen Sie in einem weiteren Diagramm den Stromverlauf durch den Kondensator C1
dar.
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4.3 Parameter-Sweep-Analyse: (8. Übung)
Mit Hilfe einer Parameter-Analyse (Parameter Sweep) können während einer Simulation
zusätzlich noch Device Parameter (Bauteil-Parameter) wie Widerstandswert, Temperatur,
Temperaturkoeffizient etc. oder Modell Parameter wie Sperrstrom, Sperrschichtkapazität etc.
variiert werden.
Über das Eigenschaftsfenster der ParameterSweep – Analyse lässt sich
im Register
„Analysis Parameter“ das zu variierende Bauteil
(z.B. der Widerstand R1) und der zu variierende
Parameter (z.B. der Widerstandswert) wählen.
Im Feld „Sweep Variation type“ kann der zu
variierende Wertebereich definiert werden (z.B.
linear von 50Ω – 500Ω in 50 Ω-Schritten)
Unter „More Options“ wird die Hauptanalyseart
ausgewählt (zB. eine Transientenanalyse) deren
Einstellungen unter „Edit Analyse“ editiert
werden können.
Aufgabe:
•
•
Ändern Sie das obige Übungsbeispiel so ab, dass der Kondensators C1 nach 500ms
auch wieder über einen 100Ω Widerstand entladen wird.
Stellen Sie gleichzeitig die Lade- und Entladekurven bei verschiedenen Kapazitätswerten dar. Ändern Sie dazu die vorangegangene Schaltung entsprechend ab und
verwenden Sie dabei folgende Kapazitätswerte: 100uF, 220uF, 330uF, 470uF 680uF
1000uF.
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4.4 DC-Sweep-Analyse: (9. Übung)
Mit Hilfe einer DC-Sweep-Analyse können während einer Simulation die Strom- und
Spannungswerte der, in der Schaltung verwendeten, Quellen variiert werden.
Über das Eigenschaftsfenster der DC-Sweep–Analyse
lässt sich im Register „Analysis Parameters“ die zu
variierende Strom- oder Spannungsquelle (z.B. die
Spannungsquelle V1) wählen.
In den Feldern
„Start Value, Stop Value und
Increment“ kann der zu variierende Wertebereich
definiert werden (z.B. linearer Spannungsanstieg von
0V – 12V in 0,1V-Schritten)
Unter „Use source 2“ kann zusätzlich noch die Werte
einer zweiten Quelle variiert werden.
Aufgabe:
•
Untersuchen Sie mit Hilfe der DC-Sweep-Analyse, bei welcher Spannung in nachfolgender Schaltung ein Strom durch eine rote Leuchtdiode zu fließen beginnt. Die
Leuchtdiode finden Sie in der Bibliothek „DiodenÆ LEDÆ LED_red“.
Der Spannungswert der Quelle V1 soll
dafür in einem Bereich von 0 V auf 10 V
in 0,01V - Schritten erhöht werden.
Blenden Sie ins Grafik-Fenster mit
Hilfe der Schaltflächen
Rasterung, Kurven-Legende und
Cursor-Vermessung
ein
und
Messen Sie die Schwellspannung
der Leuchtdiode.
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•
Untersuchen Sie mit Hilfe eines Potentiometers aus der Bibliothek „BasicÆ
Potentiometer“, bei welchem Strom die Leuchtdiode zu Leuchten beginnt.
4.5 Temperatur-Sweep-Analyse 10. Übung :
Mit Hilfe der Temperaturanalyse lässt sich das Temperaturverhalten einer Schaltung
untersuchen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Temperatursimulation ist jedoch, dass die
Schaltung Bauelemente enthält, in denen die Temperaturabhängigkeit im Bauteilmodell
enthalten (modelliert) ist (z.B. muss bei einem Widerstand der Temperaturkoeffizient α definiert
sein).
Start-Wert der Temperaturanalyse
Stop -Wert der Temperaturanalyse
Gesamtanzahl der zu Berechnenden
Temperaturwerte (max. 50)
oder
Wert der Temperaturerhöhung nach jedem
Rechendurchlauf
Analyseart für welche das Temperaturverhalten berechnet werden soll
Aufgabe:
•
Untersuchen Sie mit Hilfe der Temperatur-Sweep-Analyse wie sich in der nachfolgenden
Schaltung die Brückenspannung UAB als Funktion der Temperatur ändert.
Æ Widerstand PT100: R = 100Ω , α = 0.00385Ω/°C
Æ Temperaturbereich: -20°C bis +150°C
Æ zu berechnende Temperaturwerte: 50
Æ Analyseart: DC-Operating-Point
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Brückenschaltung mit PT-100:
UA
Beachten Sie: Für die Auswahl der
Ausgabevariable UAB muss unter „Add
Expression“ eine Rechenoperationen
durchgeführt werden.
Ergebnis: UAB als Funktion der Temperatur in tabellarischer Form
•
Exportieren Sie mit der Schaltfläche
die berechneten Werte von UAB in das
Programm „Excel“ und stellen Sie dort den Spannungsverlauf von UAB als Funktion der
Temperatur grafisch dar. Beachten Sie: Punkt Æ Komma Umwandlung im Excel
durchführen!
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5 Literatur - Hinweise
•
Professionelle Schaltungssimulation mit MultiSIM (Franzis PC und Elektronik) von
Herbert Bernstein (Autor)
•
PC-Elektronik Labor. Praxisnahes Lernen mit dem PC als Simulationssystem
(Franzis PC und Elektronik) von Herbert Bernstein (Autor)
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