Aufgabe 7 - public.fh

Aufgabenblatt: Grundlagen der Schaltungssimulation - Tutorium 6
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Aufgabe 6.1
Quelle = Gleichspannung 12V (VDC)
Gegeben ist folgende Schaltung:
Batterie mit 12V und Innenwiderstand von
250 mΩ. Ein Verbraucher RV= 50 Ohm
ist an der Batterie angeschlossen. Die
Leitungswiderstände Rkabel1 und Rkabel2 betragen 100 mΩ.
a) Wie groß ist die Spannung am Verbraucher RV. ________________
b) Wie groß ist der Strom durch den Verbraucher RV. _______________
c) Leistung an RV. __________________
d) Auf welche Spannung V2 muss die Batterie eingestellt werden um ein Leistung von 4 Watt
an RV zu erreichen. V2 =_______________
Aufgabe 6.2
Quelle= Sinus 1V mit 10KHz
VSIN
a) Erstellen und vervollständigen Sie mit Schematics diese Schaltung. Stellen Sie die
Spannung an der Quelle dar. Es sollen 5 Schwingungen sichtbar sein. Notieren Sie in
der folgenden Zeile die Parameter für die Analyse.
___________________________________________________________________
b) Ermitteln Sie das Spannungsmaxima an R1: ______
c) Ermitteln Sie das Spannungsmaxima an L1: ______
d) Ermitteln Sie das Spannungsmaxima an C1: ______
e) Mit der Parameteranalyse soll ein Wert für R1 gefunden werden, bei dem das
Spannungsmaximum an R1 400mV beträgt. R1= _________
f) Mit einer Performanceanalyse (R1 von 100 Ω bis 1 KΩ ,100 Ω Schrittweite) soll das
Maximum an R1 dargestellt werden.
Notieren Sie die Maxima für R1=100 Ω, 200 Ω, .... ..... 1KΩ
Aufgabe 6.3
a) Erstellen Sie mit Schematics nebenstehende
Schaltung.
b) Konfigurieren VPulse so, dass die Spannung
von t = 0 bis 5µs linear von 0 auf 5V ansteigt,
und von t = 6µs bis 16µs wieder linear auf 0V
abfällt.
c) Führen Sie eine Transienten-Analyse der
Spannungen bei ein und aus für t = 0 bis
16µs durch und stellen Sie die Signale
(analog und digital) mit Probe dar.
d) Markieren Sie mit den Markierungen (Cursor) die Eingangsspannungen bei denen
der Ausgang reagiert. ___________________________
e) Bestimmen Sie die Laufzeit des digitalen Signals durch den Schmitt-Trigger (7414)
bei steigendem Eingangssignal mit den beiden Markierungen (Cursor)._________
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Aufgabe 6.4 (Zusammengesetzte Zeitsignale)
Erzeugen Sie mit folgenden Quellen und ABM-Bausteinen die unten abgebildete
Spannung.
VSIN VPULSE SUM MULT
ABS
Die maximale Spannung bei t=2.5ms soll
7.5V betragen. Hinweis: PARAM benutzen.
Markieren Sie mit den Markierungen (Cursor)
die Eingangsspannungen am Maximum.
Aufgabe 6.5 EXCEL
18 Punkte
Im Download der Aufgaben finden Sie die Dateien MessdatenX.txt und MessdatenY.txt.
Die erste Datei enthält 15 X-Werte, die zweite Datei 3 Messreihen mit je 15 zugehörigen YWerten.
a)
Erstellen Sie in einem Excel-Arbeitsblatt mit diesen Daten eine Tabelle. Zentrierte
Überschrift „X-Werte“ für Spalte 1 und eine zentrierte Überschrift „Y-Werte“ für
Spalte 2 bis 4. Das Format der Überschriften soll: Arial, fett, Größe 12 und rot sein!
b) Berechnen Sie in einer 5. Spalte jeweils den Mittelwert der drei Y-Werte.
c)
Bestimmen Sie mit Excel-Funktionen für diese 5. Spalte das Maximum, das
Minimum und den Mittelwert.
d) Geben Sie mit einer geschachtelten Wenn-Funktion in einer 6. Spalte an, ob der
Wert in der 5. Spalte größer, kleiner oder gleich dem Mittelwert der 5. Spalte ist.
e)
Formatieren Sie die Tabelle: Gitterlinien dünn, Rahmen fett.
f)
Geben Sie für je ein Feld der 5. und 6. Spalte mit einem sichtbaren Kommentar die
Anweisungen dieser Felder an.
g) Stellen Sie in einem X-Y-Punktediagramm die Mittelwerte als Funktion der XWerte dar. (Kurve mit Punkten)
h) Beschriften Sie die X- und Y-Achse mit dem Text „X-Achse“ und „Y-Achse“ und
geben Sie dem Diagramm den Titel „Messdaten“ (Legende ausblenden).
Positionieren Sie die Skalierung der X-Achse in den unteren Diagrammbereich.
i)
Speichern Sie Ihre Excel Datei unter: Aufgabe71.xls x
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Lösungen
6.1
Eine Möglichkeit ist die Simulation „ohne Auswahl“ aus dem Analysis Setup.
a) Die Spannung an Rv = 11,92 V - 23,79 mV = 11,9 V
b) Der Strom durch Rv = 237,86 mA
c) Die Leistung ergibt sich aus 11,8 V * 237,86 mA = 2,83 W
Die zweite und bessere Möglichkeit ist die
Anwahl der DC-Analyse
Mit dem Cursor können a) 11,893 V und b) 237,859 mA ermittelt werden.
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c) Die Leistungsberechnung kann in Menü Trace / Add erfolgen ( U * I )
d) Für diesen Aufgabenpunkt soll V2 seine Spannung ändern. Also ist die DC – Analyse
für V2 erforderlich. Unter c) lesen wir bei V2=12 V eine Leistung von ca. 2,8 W ab. Daher
wird ein DC -Sweep von 11 V bis 20 V sicherlich ausreichen.
Mit dem Cursor kann die Spannung, bei der 4 W an Rv erreicht wird, abgelesen werden.
( V2=14,26V )
6.2
a) AGND fehlte in der Schaltung
Einstellungen der Quelle V1
Stellen Sie die Spannung an der Quelle dar.
Es sollen 5 Schwingungen dargestellt werden.
Print Step= 0.5u
FinalTime= 0.5m
StepCeiling=0.5u
-> Transienten – Analyse
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b) „Mark Voltage Differential“ über R1.
Mit „Cursor Max“ aus der Symbolleiste wird genau das Maximum gefunden. (0,126 V)
c) „Mark Voltage Differential“ über L1.
Mit „Cursor Max“ aus der Symbolleiste wird genau das Maximum gefunden. (1,084 V)
d) „Mark Voltage Differential“ über C1.
Mit „Cursor Max“ aus der Symbolleiste wird genau das Maximum gefunden. (0,136 V)
e) R1 soll verändert werden. -> PARAMETER – ANALYSE
Unter Berücksichtigung der Ergebnisse von b) erscheint ein „erster Durchlauf“ von
R1 mit Werten von 1 kOhm bis 10 kOhm sinnvoll.
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Mit Trace / Add und der Eingabe von 400m kann die Hilfslinie gezeichnet werden. Die
Cursor auf der braunen (4 kOhm) und violetten (5 kOhm) Linie zeigen die besten
Ergebnisse. Um genauere Ergebnisse zu bekommen bietet es sich an einen zweiten
Durchlauf von 4 kOhm bis 5 kOhm für den Parameter RVAR zu simulieren.
Die blaue Kurve RVAR=4.2 KOhm
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zeigt das beste Ergebnis.
MatrNr:
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f) Performanceanalyse für RVAR
Nach der Simulation die
Performance Analyse
aktivieren. Und das Maximum
der Spannung über R1
darstellen.
MAX( V(R1:2,R1:2))
Mit dem Cursor können nun die Maxima ausgelesen werden.
100 Ohm 13,8mV
200 Ohm 27,34mV
300 Ohm 40,6mV
400 Ohm 53,54mV
500 Ohm 66,24mV
600 Ohm 78,67mV
700 Ohm 90,85mV
800 Ohm 102,8mV
900 Ohm 114,5mV
1 kOhm 125,9mV
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6.3 Aufbau der Schaltung danach Kontrolle der Eingangsspannung.
Eingangsspannung (rot) wie gefordert. Jedoch werden bisher nur die analogen Signale
dargestellt. Um die digitalen Signal darzustellen, wird TRACE / ADD benutzt.
d) Mit dem Cursor können jetzt an den entsprechenden Stellen die Eingangsspannung
ermittelt werden. (1,7 V und 0,89 V)
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f)
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Das obere digitale Signalfenster muss gezoomt werden. Die Differenz 13,6 ns der
beiden Cursor entspricht der Laufzeit.
6.4
V4:
V6:
V1:
V4:
V3:
V1=0, V2=1, td=2m, tr=0, tf=0, pw=1m, per=5m
V1=0, V2=9.516, td=0m
V1=0, V2=2, td=1m, tr=1m, tf=1m, pw=1m, per=5m
V1=0, V2=5, td=1m, tr=0, tf=0, pw=3m, per=5m
Voff=0, Vampl=10, Freq=100, td=0, df=0, Phase=0