Versuchsumdruck PSPICE-Simulation elementarer Vierpole

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Aschaffenburg
STUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen
Prof. Dr.-Ing. U. Bochtler, Dipl.-Ing. (FH) Hans Hitzinger, Armin Huth
Praktikum Schaltungstechnik I
Version 1.2 vom 24.03.2006
Versuchsumdruck
PSPICE-Simulation elementarer Vierpole
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Versuch 4
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Inhalt
Version 1.2 vom 24.03.2006 ................................................................................................ 1
Versuchsumdruck ................................................................................................................. 1
PSPICE-Simulation elementarer Vierpole....................................................................... 1
Inhalt.......................................................................................................................................... 2
Verwendete Geräte und Zubehör.............................................................................................. 3
1.
Einleitung ........................................................................................................................... 3
2.
Theoretische Grundlagen .................................................................................................. 4
3.1 Betrachtung im Zeitbereich ........................................................................................................... 5
3.2 Schaltungssimulation mit Orcad Capture...................................................................................... 5
3.
Anleitung zu Orcad Capture.............................................................................................. 6
4.1 Generieren eines neuen Capture-Projektes.................................................................................... 6
4.2 Platzierung und Definition von Bauteilen ..................................................................................... 7
4.3 Verdrahtung der Schaltung............................................................................................................ 7
4.4 Die Transientenanalyse ................................................................................................................. 8
4.5 Grafische Darstellung mit PROBE................................................................................................ 9
4.6 Die AC-Analyse .......................................................................................................................... 10
5. Versuchsdurchführung ....................................................................................................... 14
5.1 Zur Vorbereitung......................................................................................................................... 14
5.2 Simulation ................................................................................................................................... 14
5.3 Praxis........................................................................................................................................... 14
5.4 Wildcard ...................................................................................................................................... 14
5.5 Hinweise zu Capture ................................................................................................................... 15
6. Literaturhinweise................................................................................................................. 15
7. Vierpole................................................................................................................................ 16
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Verwendete Geräte und Zubehör
1 Netzgerät HP E3631
1 Funktionsgenerator HP 33120A
1 Oszilloskop Hameg HM407 oder HP Infinium
1 Multimeter HP 34401A
Diverse Vierpole
OrCAD Capture PSPICE – Programmfunktion
Wichtiger Hinweis: Die bei uns verwendete PSPICE-Version ist die Demo-Version 9.1 von Orcad.
Sie können diese Version vom Info-Laufwerk kopieren (Info:\Hitzinger\PSPICE\ 91pspstu.exe und auf
ihren persönlichen PC installieren. Dieser Versuch ist eine Einführung in den Umgang mit
Capture/Pspice, es kann ihnen während ihres weiteren Studiums gute Dienste leisten.
1. Einleitung
Bei der Übertragung von elektrischer Energie einerseits und von Information mit Hilfe elektrischer
Signale andererseits treten die folgenden physikalischen Erscheinungen auf:
•
•
•
Widerstand gegen Ladungsträgerbewegung beim Stromfluß
Auf- und Abbau magnetischer Felder
Auf- und Abbau elektrischer Felder
Bei den Aufgaben der klassischen Energietechnik sind diese Erscheinungen zeitlich konstant oder
ändern sich sinusförmig mit der konstanten Frequenz des Versorgungsnetzes. Die moderne
Leistungselektronik allerdings erweitert Strom- und Spannungsverläufe hin zu unterschiedlichen
Frequenzen und nichtsinusförmigen Signalen.
Die informationstragenden elektrischen Signale können dabei beliebige Verläufe annehmen. Um ihre
Wirkung auf Übertragungssysteme und Verarbeitungsschaltungen zu beschreiben, sind zwei
Denkansätze wichtig geworden:
-
Die Antwort einer Schaltung auf einen Spannungssprung a(t) : die Sprungantwort h(t)
h(t) = da(t)/dt
Das Ausgangsverhalten einer Schaltung auf sinusförmige Eingangssignale mit veränderlicher
Frequenz : der Frequenzgang
Im folgenden Versuch sollen beide Betrachtungsweisen veranschaulicht werden.
Die physikalischen Erscheinungen werden schaltungstechnisch mit den folgenden idealisierten
Schaltelementen beschrieben:
- Ohmscher Widerstand R
- Spule mit Induktivität L
- Kondensator mit Kapazität C
Dies gilt sowohl für die Schaltungen, die diese technisch verwirklichten Schaltelemente mit ihrem
gewollten Verhalten enthalten, als auch für Schaltungen, in denen die physikalischen Erscheinungen
als ungewollte Effekte auftreten.
Ziel dieses Versuches ist es die Schaltungsanalyse verschiedener Vierpole „per Hand“, d.h. mit
Frequenzgenerator und Oszilloskop, durchzuführen. Nach einer selbständigen Einarbeitungsphase, in
der Sie innerhalb des OrCAD Capture SW-Pakets u.a. die Programmbedienung von Capture
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und PSPICE am Beispiel eines Vierpoles erlernen, führen Sie die Analyse der erstellten Schaltungen
durch.
Die theoretischen Simulationsergebnisse sind im Anschluss an die aus den Versuchsteilen 4.1 und
4.2 erhaltenen Messergebnisse der jeweils aufgebauten Laborschaltung zu verifizieren und einander
gegenüber zu stellen.
2. Theoretische Grundlagen
An den Eingang eines Vierpoles (Abbildung 1) wird eine Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand Ri
angeschlossen, deren Leerlaufspannung U0 nach Abbildung 2 verläuft. Der Vierpol stellt ein
Übertragungssystem dar, an dessen Eingang der Spannungsverlauf U1=UEingang anliegt, woraus der
vierpol-spezifische Verlauf der Ausgangsspannung U2=UAusgang resultiert.
Ri o
u0
o
u0
Vierpol
u1
o
Abbildung 1: Beschalteter Vierpol
u2
o
RL
t
Abbildung 2: Sprungfunktion als Eingangsgröße
Ein- und Ausgangsspannungen (und Ein- und Ausgangsströme) sind im allgemeinen verschieden
voneinander, auch wenn das Übertragungssystem nur lineare, d. h. von Strom und Spannung
unabhängige Bauelemente enthält. Die Hauptursache hierfür ist darin zu suchen, dass die im
Übertragungssystem enthaltenen Spulen, Kondensatoren usw. ihren Energieinhalt nicht beliebig
schnell ändern können ( Ausgleichsvorgang).
Die Eingangsspannung UEingang verläuft im allgemeinen nach einer anderen Zeitfunktion als die
Leerlaufspannung u0. Beide Spannungen sind nur dann annähernd gleich, wenn der Innenwiderstand
Ri der Spannungsquelle klein gegen den Eingangswiderstand des Vierpols ist.
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3.1 Betrachtung im Zeitbereich
Um die Schalt- und Impulsvorgänge mit einem Oszilloskop sichtbar zu machen, werden diese Signale
periodisch wiederholt. An den Eingang des Vierpols wird deshalb eine periodische Rechteckspannung
mit einem Impuls/Pausen-Verhältnis << 1 gelegt. Möchte man dabei die Wirkung eines einmaligen
Vorgangs beobachten, dann muss die Periode der Eingangsspannung so groß gewählt werden, dass
der neue Schalt- bzw. Impulsvorgang erst einsetzt, wenn der vorhergegangene bereits hinreichend
abgeklungen ist.
In der vorliegenden Versuchsanordnung gemäß Abbildung 3 liefert der Funktionsgenerator HP
33120A über einen Innenwiderstand von 50 Ω wahlweise ein Sinussignal, eine Rechteckspannung
oder eine periodische Folge sehr kurzer Impulse mit einstellbarer Pulsfrequenz als Eingangsgröße für
die zu untersuchenden Vierpole. Die Eingangsgröße wird mit einem Kanal des Oszilloskops sichtbar
gemacht. Die Ausgangsspannung wird über den zweiten Kanal abgebildet.
Funktionsgenerator
HP33120A
Oszilloskop
Kanal 1
Kanal 2
Messobjekt
Abbildung 3: Messaufbau “Betrachtung im Zeitbereich“
3.2 Schaltungssimulation mit Orcad Capture
Computerprogramme zur Simulation elektronischer Schaltungen sind heute mit zum wichtigsten
Werkzeug professioneller Elektronik-Entwicklung geworden. Von den auf dem Markt angebotenen
Software-Tools bildet dabei OrCAD Capture den Standard. Dabei handelt es sich um eine
Weiterentwicklung der legendären SPICE-Simulations-Software, die an der University of California in
Berkeley entwickelt wurde.
Mit Capture und dem PC ist es nun auf einfache Weise möglich, das Verhalten elektronischer
Schaltungen im analogen und digitalen Bereich vorauszusagen. Für den Entwurf der Schaltung wird
der von der Capture-Evaluationssoftware zur Verfügung gestellte Schaltplaneditor SCHEMATICS
verwendet.
R
C
UEingang
Abbildung 4: RC–Schaltung (Tiefpass mit Widerstand als Sweepvariable)
UAusgang
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Im folgenden lernen Sie nun die Berechnung linearer Wechselstromschaltungen am Beispiel des
Vierpol-Tiefpasses aus Abbildung 4 und werden dabei die bekannten Zeitdiagramme des
Kondensatorstromes und der Kondensatorspannung (Lade- und Entladevorgänge) untersuchen. Die
Schaltplanerstellung erfolgt mit SCHEMATICS und die anschließende Schaltungssimulation mit
PSPICE.
Lineare Wechselstromschaltungen sind Schaltungen mit Widerständen, Spulen und Kondensatoren
(RLC-Glieder) im stationären Zustand, also in dem Zeitbereich, in dem der Einschaltvorgang bereits
abgeklungen ist.
Im ersten Simulationsteil führen Sie eine Transienten-Analyse durch, d.h. Sie untersuchen die
Zeitabhängigkeit elektrischer Schaltvorgänge (hier rechteckförmiger Spannungspuls). Anschließend
stellen Sie den zeitlichen Verlauf der Analyse grafisch dar. Dazu wird das unter Capture mitgelieferte
Grafikprogramm PROBE – ähnlich einem komfortablen „Software-Speicheroszilloskop“- verwendet.
Im zweiten Teil simulieren Sie mit Hilfe der AC-Analyse Schaltungsabhängigkeiten für verschieden
Frequenzen der sinusförmigen Eingangsspannung. Ein AC-Sweep fertigt nacheinander eine Serie von
„Einpunkt-AC-Analysen“ für verschiedene Frequenzen an und stellt die Ergebnisse dann in einem
gemeinsamen PROBE-Diagramm, dem Frequenzgang, grafisch dar.
3. Anleitung zu Orcad Capture
4.1 Generieren eines neuen Capture-Projektes
•
•
•
Erstellen Sie über den Explorer in ihrem P-Laufwerk unter P:\V4Capture\NAME ein
Arbeitsverzeichnis mit Ihrem Namen
Im Startmenue rufen Sie unter Programme PSpice Student/Capture Student auf
Beginnen Sie ein neues Projekt über file ⇒ new ⇒ Projekt... und richten Sie es wie in Abbildung 5
dargestellt ein. Legen Sie das Projekt auf ihr persönliches Laufwerk (P:).
Abbildung 5: Einrichten eines Projekts
Nach dem Betätigen der Schaltfläche Fertig stellen erscheint ein Fenster mit dem Projektmanager und
ein Fenster mit dem Schaltplaneditor schematic samt der dazugehörigen Werkzeuge.
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4.2 Platzierung und Definition von Bauteilen
•
•
Aktivieren Sie über die Menüleiste Place/Part.. das Fenster mit den Bauteilbiblotheken und wählen
Sie unter der Library SOURCE aus der obigen Bauteilliste die Spannungsquelle zur Impulserzeugung VPULSE aus. Schließen Sie das Fenster und legen Sie das Bauteil auf Ihrem Schaltplan
gemäß der in Abbildung 6 gezeigten Position ab
Mit einem rechten Mausklick und der Funktion End Mode kann die Platzierung eines
einzelnen Bauteils abgeschlossen werden
Die Attribute V1, V2, TD, TR usw. der Spannungsquelle könne jeweils durch Doppelklick der
linken Maustaste ausgewählt und im Fenster Display Properties eingegeben werden (geht auch
durch Doppelklick auf das Bauteilsymbol direkt im Fenster Proberty Editor
V1 = 0V
V2 = 1V
TD = 0ns
TR = 1ns
TF = 1ns
PW = 1.5ms
PER = 5ms
•
•
(Spg. Am Anfang des Impulses z.B. Offset)
(Amplitude des Impulses)
(Verzögerung Impulsbeginn – delay time)
(Impulsanstiegsdauer – rise time ≠ 0)
(Impulsabfallzeit – fall time ≠ 0)
(Pulsweite – Achtung hier eine Punkt verwenden)
(Periodendauer)
Öffnen Sie die Library ANALOG und platzieren das Schaltzeichen eines Kondensators C auf dem
Schaltplan. Ändern Sie dessen Wert nach der vorher beschriebenen Vorgehensweise auf die Angabe in Abbildung 6 (Durch die Tastenkombination Strg + R können Bauteile rotiert werden)
Um den Einfluss des Widerstandes R 1 auf den Schaltvorgang bzw. den Frequenzgang des RCTiefpasses zu untersuchen, definieren Sie den Widerstand R 1 als Sweepvariable (Parameter) auf
die folgende Art und Weise:
Entnahme von R aus der Library ANALOG und Platzierung auf dem Arbeitsblatt
Doppelklicken Sie auf den Widerstandswert und löschen Sie den aktuellen Wert. Tragen Sie
im Fenster Display Properties unter Value die Bezeichnung {Rvar} in geschweiften Klammern
ein
Bringen Sie das Element PARAM aus der Library SPECIAL auf die Zeichenfläche und öffnen
Sie durch Doppelklick auf das Element das Fenster Property Editor. Hier erzeugen Sie dann
über die Schaltfläche <New Column..> eine neue Eigenschaft der Sie den Namen Rvar geben
(Achtung diesmal ohne geschweifte Klammern). Geben Sie dem Parameter Rvar den Wert
100 (Dummywert) und ändern Sie ansonsten nichts. Über die Schaltfläche Display.. können
Sie unter der Auswahl Display Format die gewünschte Anzeige auf dem Schaltplan sichtbar
machen (Name and Value)
Alle Bauteilwerte (auch Param-Werte) können im Schaltplan durch Doppelklick auf den Wert
selbst beliebig geändert werden
4.3 Verdrahtung der Schaltung
•
•
•
Aktivieren Sie im Menü Place/Wire oder über das entsprechende Symbol aus der Werkzeugleiste
das Cursor-Kreuz und verbinden Sie die Bauteile wie in Abbildung 6 dargestellt. Beenden des
Verdrahtungsmodus erfolgt über die rechte Maustaste und den Befehl End Wire
Bringen Sie schließlich noch das Massezeichen aus der Werkzeugleiste (GND bzw. Place
Ground) bzw. der Menüleiste unter der Schaltfläche Place auf den Schaltplan. Verwenden Sie das
Symbol 0 aus der Library SOURCE
Speichern Sie den Schaltplan in Ihrem vorher angelegten Verzeichnis
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Abbildung 6: Mit SCHEMATICS erstellter Schaltplan für die Transientenanalyse
4.4 Die Transientenanalyse
Als Beispiel für einen Transienten-Parameter-Sweep soll im folgenden das Zeitverhalten des Tiefpasses beim Schaltvorgang (Impulsantwort) untersucht werden.
Bereiten Sie den Hauptsweep, also die eigentliche Transienten-Analyse, wie folgt vor:
•
•
Aktivieren Sie im Menü Pspice den Befehl New Simulation Profile und tragen Sie im
entsprechenden Fenster einen Namen für Ihre Simulation ein
Tragen Sie danach im Fenster Simulation Settings (erscheint automatisch) unter dem Register
Analysis die in Abbildung 7 gezeigten Werte ein.
Bedeutung der wichtigsten Parameter:
Run to time
Start saving data after
Maximum step size
Endzeitpunkt der Analyse
Zeitverzögerung für die Ausgabe der Werte
Maximal zulässige interne Rechenschritte
(Dieser Wert sollte immer ca. um den Faktor 1000 unter dem für den
Endzeitpunkt liegen)
Hinweis:
unter Pspice verwendet man anstatt µ immer u
m steht für die Einheit milli
meg steht für die Einheit mega
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Abbildung 7: Fenster Simulation Settings – General Settings
•
Aktivieren Sie im gleichen Register unter Options den Parametric Sweep und öffnen Sie durch
einen Doppelklick die Parameter hierfür, die Sie nach Abbildung 8 eingeben müssen.
Abbildung 8: Fenster Simulation Settings – Parametric Settings
•
Die Parameter unter den restlichen Registern können so verbleiben. Interessant sind noch die
Register Probe Window und Data Collection, in denen Grundeinstellungen hinsichtlich der
grafischen Darstellung der Simulationsergebnisse vorgenommen werden können.
4.5 Grafische Darstellung mit PROBE
Pspice besitzt zur grafischen Darstellung von Simulationsergebnissen, z.B. zur Darstellung des
zeitlichen Verlaufs einer Spannung, ein Grafikmodul namens PROBE. Dieses Modul dient quasi als
Software-Oszilloskop, mit dem Simulationsergebnisse nicht nur dargestellt sondern auch mathematisch verknüpft werden können.
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Der Start der Simulation geschieht folgendermaßen:
•
•
•
•
•
Betätigen Sie im Menü Pspice den Befehl Run (oder über das entsprechende Symbol) und starten
Sie somit Ihre Simulation
Nach Abschluss der Simulation erscheint das Fenster Available Sections in dem die einzelnen
Parameterkurven zur grafischen Darstellung ausgewählt werden können. Klicken Sie auf OK um
beide Kurven anzuzeigen
Öffnen Sie im Probe – Fenster im Menü Trace das Fenster Add Trace... Damit zeigen Sie alle in
der Trace-Liste verfügbaren Ströme und alle Knotenpunktpotentiale der Schaltung an. Weiterhin
sehen Sie eine Aufstellung der mathematischen Funktionen und Verknüpfungen, die Probe
bereithält, um sie auf die einzelnen Diagramme anzuwenden
Klicken Sie die Spannung am Kondensator V(C1:2) an und bringen Sie sie somit ins Feld Trace
Expression, Bestätigen Sie mit OK. „C1“ steht dabei für den Kondensatornamen und „2“ für
den Anschluss, wobei Anschluss 1 am Bauteil UNTEN oder LINKS bedeutet und Anschluss
2 OBEN oder RECHTS, vorausgesetzt das Bauteil wurde beim Schaltplan-Entwurf
höchstens einmal rotiert und nicht gespiegelt !
Um den Eingangsimpuls im Diagramm darzustellen, wählen Sie V(V1:+) aus der Trace-Liste
Möchte man jetzt noch zusätzlich den Kondensatorstrom als Zeitdiagramm darstellen, dann muss in
PROBE eine zweite y-Achse mit einem vernünftigem Maßstab eingeführt werden:
•
•
•
Öffnen Sie in PROBE das Menü Plot
Klicken Sie Add Y Axis an und erzeugen Sie auf diese Weise eine zusätzliche y-Achse
Bringen Sie den Strom I(C1) in die Trace Expression Zeile der Trace-Liste und geben Sie dem
Strom I(C1) ein negatives Vorzeichen, denn PROBE zählt Ströme positiv vom Anschluss 1 zum
Anschluss 2. Sie interessieren sich aber für den umgekehrten Strom, den, der in der Schaltung
von oben nach unten, also vom Anschluss 2 zum Anschluss 1 fließt
4.6 Die AC-Analyse
Im folgenden lernen Sie, mit Hilfe der AC-Analyse (Wechselstromanalyse) Frequenzgänge zu
simulieren und in PROBE grafisch aufzuzeigen. Ein AC-Sweep fertigt nacheinander eine Serie von
einzelnen AC-Analysen für verschiedene Frequenzen des Eingangssignals an und stellt diese in
wahlweise linearen oder logarithmischen Koordinatenachsen dar.
Gehen Sie bei der AC-Analyse folgendermaßen vor:
•
•
•
Erzeugen Sie im Orcad Capture-Fenster wie unter Punkt 4.1 bereits beschrieben ein neues
Projekt, geben Sie diesem einen Namen und speichern Sie es in Ihrem Verzeichnis
Bringen Sie die einzelnen Bauteile wie in Abbildung 9 gezeigt auf den Schaltplan. Die
Spannungsquelle VSIN finden Sie in der Library SOURCE.LIB (über Place ⇒ Part.. siehe auch
unter Punkt 4.2)
Öffnen Sie das Fenster Property Editor von VSIN (Doppelklick auf das Symbol), tragen Sie die
nachfolgenden Werte in die entsprechenden Spalten ein und bringen Sie diese im Schaltplan zur
Anzeige (über die Schaltfläche Display.. bei angewählter Spalte)
AC
DC
DF*
FREQ*
PHASE*
TD*
VAMPL *
VOFF*
1V
0V
0
0
0
0
0
0
(überlagerte Gleichspannung)
(überlagerte Wechselspannug)
(Dämpfungsfaktor)
(Frequenz)
(Phasenlage)
(Verzögerungszeit)
(Amplitude)
* = nur für Transienten-Analyse relevant,
(Offset)
nicht für die AC-Analyse
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Abbildung 9: Mit SCHEMATICS erstellter Schaltplan für die AC-Analyse
•
•
Konfigurieren Sie eine neue Simulation ( Pspice ⇒ New Simulation Profile) im Frequenzbereich
von 10 Hz bis 999 kHz und geben Sie dieser einen neuen Namen
Tragen Sie danach im Fenster Simulation Settings (erscheint automatisch) unter dem Register
Analysis die in Abbildung 9 gezeigten Werte ein
Abbildung 10: Fenster Simulation Settings – General Settings
Bedeutung der wichtigsten Parameter:
Start Frequency
End Frequency
Total Points
Linear
Dargestellte Startfrequenz
Dargestellte Endfrequenz
Maximale Anzahl von Messpunkten
Lineare Darstellung
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Aktivieren Sie im gleichen Register unter Options den Parametric Sweep und öffnen Sie durch
einen Doppelklick die Parameter hierfür, die Sie nach Abbildung 11 eingeben müssen.
Abbildung 11: Fenster Simulation Settings – Parametric Settings
•
•
Starten Sie die AC-Analyse analog der Transienten-Analyse
Nach erfolgter Simulation wählen Sie in Available Section alle vier berechneten Kurven zur
grafische Darstellung aus. Im Menü Trace/Add klicken Sie die Ausgangsspannung V(C1:2) in das
Feld Trace Expression und bestätigen mit OK.
Bei dieser Darstellung des Frequenzgangs mit linearer Frequenzachsenformatierung ist der für Sie
interessanten Bereich nicht optimal aufgelöst. Der gleiche Frequenzgang läßt sich auch mit
logarithmisch skalierter Frequenzachse anzeigen :
•
•
•
•
Menü Plot/X Axis Settings/Scale Log. Bestätigen Sie mit OK.
Durch die beiden stilisierten Schaltflächen LOG X Axis und LOG Y Axis in der Symbolleiste
können Sie auch zwischen den beiden Skalierungen logarithmisch<->linear wählen, um den
interessanten Durchlassbereich am sinnvollsten darzustellen.
Im PROBE-Fenster fällt Ihnen sicherlich auf, dass die Kurven für die Widerstandswerte 5 kΩ und
20 kΩ einen nahezu geradlinigen Frequenzgang, im Gegensatz zu den beiden Kurven für 100 Ω
und 1000 Ω, darstellen.
Dies liegt an der Auswahl der zu berechnenden x-Werte. Öffnen Sie das Menü Pspice und den
Befehl Edit Simulation Settings und bereiten Sie eine dekadische Verteilung der Datenpunkte wie
in Abbildung 12 gezeigt vor.
Bei dieser Verteilung berechnet PSPICE die Datenpunkte nicht linear, also mit gleichen
Frequenzabständen auf der x-Achse, sondern logarithmisch, d.h. die gleiche Anzahl Punkte
für jedes Zehnerpotenz-Intervall (Dekade).
Auch bei linearer Verteilung der Datenpunkte läßt sich eine halbwegs vernünftige
Darstellung ohne „Kanten und Ecken“ erreichen, indem die Anzahl der zu berechnenden
Datenpunkte erhöht wird. Dadurch steigt zwangsläufig die Simulationszeit entsprechend
an.
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Abbildung 12: Fenster Simulation Settings – General Settings – dekadische Verteilung
Hinweis:
Bei logarithmischer Einteilung reichen 100 Messpunkte pro Dekade, da sonst die Rechenzeit
unnötig erhöht werden würde.
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5. Versuchsdurchführung
5.1 Zur Vorbereitung
Leiten Sie die Formel für die Spannung U(t) am Kondensator in Abhängigkeit von der Zeit her.
I(t)
R
UB
C
U B − U (t )
(1)
I (t ) =
(2)
U (t ) = U B − I ( t ) * R
(3) I ( t )
U(t)
R
= − RC
dI C
dt
−t
(4)
Ic(t ) = Ic(t =0) * e RC
5.2 Simulation
Geben Sie die unter Punkt 7. aufgeführten Vierpole Nr. 3, Nr. 4 und Nr.7 in den Schaltplaneditor
CAPTURE ein. Führen Sie eine Transienten-Analyse und anschließend eine AC-Analyse mit PSPICE
durch.
Stellen Sie in der Ausarbeitung die Versuchsergebnisse in einer selbstentworfenen Tabelle
(Kurvenverlauf skizzieren u. Parameter kennzeichnen) gegenüber und diskutieren Sie die
Abweichungen zwischen den Schaltungen. Übernehmen Sie ihre in PSPICE gezeichnete Schaltung
mit in die Ausarbeitung.
5.3 Praxis
Die als variabel angegebenen Größen (Widerstand oder Kondensator als Parameter-Sweep) sollen
verändert und die Oszillogramme der Ausgangsspannung für den jeweiligen Impuls- bzw.
Schaltvorgang für verschiedene Werte aufgezeichnet werden (Oszilloskop).
Die Versuchsergebnisse sind an Hand der aufgezeichneten Oszillogramme ausführlich zu diskutieren.
Dabei ist weniger an eine rechnerische Auswertung gedacht, als an eine rein qualitative.
5.4 Wildcard
Haben Sie Lust auf einen „eigenen Vierpol“? Entwerfen Sie eine Schaltung, sagen Sie deren
Verhalten voraus, löten Sie diese zusammen und messen Sie sie nach!
R, L, und C sind in fast jedem erdenklichen Wert im Labor vorhanden.
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5.5 Hinweise zu Capture
•
Zur Anzeige von Strömen in der PROBE-Darstellung sind diese mit negativem Vorzeichen zu
versehen, da PROBE den Strom positiv zählt vom Anschluss 1 zum Anschluss 2 .
•
Anschluss 1 : UNTEN oder LINKS
Anschluss 2 : OBEN oder RECHTS
•
PSPICE berechnet nur Knotenpunktpotentiale, d.h. Spannungen gegen Masse. Für
Spannungsberechnungen “innerhalb” der Schaltung sind somit Potentialdifferenzen zu bilden.
•
Tastenkürzel für SCHEMATICS:
<Strg> und <r> : Bauteil um 90° rotieren
<Strg> und <f> : Bauteil spiegeln
6. Literaturhinweise
Kupfmüller, K.
Einführung in die theoretische Elektrotechnik
Springer Verlag, 1960
Kaufmann, H.
Dynamische Vorgänge in linearen Systemen der Nachrichten- und Regelungstechnik
R. Oldenbourg Verlag, 1959
Werners, P.
Einführung in die Anwendung der Operationsrechnungen auf die elektrischen Schalt- und
Regelvorgänge
R. v. Decker’s Verlag, 1961
Brüderlink, R.
Laplacetransformation und elektrische Ausgleichsvorgänge
Braun Verlag 1961
Doetsch, G.
Anleitung zum praktischen Gebrauch der Laplacetransformation
R. Oldenbourg Verlag, 1962
Beetz, Bernhard
Elektronik-Aufgaben mit PSPICE
Vieweg Verlag, 2000
Heinemann Robert
PSPICE - Elektroniksimulation. Lehrgang, Handbuch, Kochbuch
Hanser Verlag, 2. Aufl. 1999
Im Internet unterhält Robert Heinemann eine Homepage zum Thema PSPICE, auf der er laufend
aktuelle Neuigkeiten veröffentlicht und darüber hinaus häufig gestellte Fragen beantwortet
(FAQ´s).
http://www.spicelab.de
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7. Vierpole
1)
2)
R
R
C
3)
L
4)
26 nF
50 mH
L
C
R
R
100/
1000 Ω
5)
6)
C
L
L
C
7)
50/
200 Ω
C
L
L
alle C = 26 nF
alle L = 50 mH
L