Schaltungstechnik

Schaltungstechnik
Kurzeinführung in Orcad-Lite/PSpice9.2
Prof. Dr. Siegl
Der Schaltkreissimulator Orcad-Lite/PSpice (lizenzfreie Student Edition für Lehrzwecke)
stellt die Grundlage für das "virtuelle" Elektronik-Labor dar, mit dem sämtliche im Lehrstoff
enthaltenen Experimente praktisch verifizierbar sind. Mittels einer Kurzeinführung in die
Methodik und in wichtige Funktionen soll der Anwender in der Lage sein, ohne weiteres Studium des sehr viel ausführlicheren "Manuals" die Verifikationsmethodik der Experimente zu
verstehen und eigene Ergänzungen durchzuführen. Die vom Hersteller der Software mitgelieferte ausführliche Dokumentation findet sich im Unterverzeichnis "document" unter dem Toolset-Verzeichnis "Orcad-Lite-Pspice92_Toolset" (u.a. "Qickreference Manual - pspqrc" und
"User Guide - pspug").
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Siegl: Schaltungstechnik
1 Systemumgebung von Orcad-Lite/PSpice
Die hier vorliegende CD-Rom ist ein ergänzendes Lehrmittel zur "Schaltungstechnik". Im
Lehrbuch sind zahlreiche Experimente enthalten, die mit einem virtuellen Elektronik-Labor in
Form des Schaltkreissimulators Orcad-Lite/PSpice ausführbar sind. Der Anwender kann die
vorbereiteten Experimente ausführen und deren Ergebnisse studieren. Selbstverständlich lassen sich darüber hinaus ergänzende Untersuchungen durchführen. Vielmehr soll der Anwender
dazu animiert werden, für gegebene Problemstellungen das virtuelle Elektronik-Labor zur Veranschaulichung der Eigenschaften von Schaltungen zu nutzen.
Die Orcad-Lite/PSpice Version 9.2 ist eine über die Vertriebsorganisation der Firma Cadence
(www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp) erhältliche "Student
Version" mit Funktionseinschränkungen gegenüber der lizenzpflichtigen Vollversion. Für den
Vertrieb in Deutschland ist die Firma ProDesign (www.prodesigncad.de) zuständig. Die hier
verfügbaren und vorbereiteten Experimente sind sämtlich mit der "Student Edition" ausführbar.
Im Kern verwendet Orcad-Lite/PSpice den Schaltkreissimulator Spice (Simulation Programm
with Integrated Circuit Emphasis). Entwickelt wurde Spice an der University of California in
Berkeley. Spice hat eine über 30jährige Entwicklungsgeschichte. Erste Versionen waren
bereits ca. 1970 verfügbar. Heute stellt Spice quasi einen Industriestandard für die Simulation
analoger und gemischt analog/digitaler Schaltkreise dar. Vielfach werden von Bauelementeherstellern für deren Komponenten Spice-Modelle angeboten.
Zur Durchführung der Experimente benötigt man das Toolset Orcad-Lite/PSpice. Orcad-Lite/
PSpice Version 9.2 ist ebenfalls - mit Genehmigung der Vertriebsorganisation - auf der CDRom verfügbar. Das Bild 1 - 1 zeigt den prinzipiellen Systemaufbau eines Toolsets für die
Schaltkreissimulation. Das Toolset besteht aus den verschiedenen Werkzeugen (Methodensätze), u.a. Design Manager, Design Capture, Symbol Editor, Model Editor, Property Editor,
Schaltkreissimulator und Waveform Analyzer. Die Werkzeuge benötigen ein bestimmtes
"Environment" in Form des "Setup", der Libraries und der "Workspaces" für die vorbereiteten
Experimente.
Setup
Orcad-Lite/PSpice
Libraries
Workspaces
Bild 1 - 1: Prinzipieller Systemaufbau des virtuellen Elektronik-Labors mit Orcad-Lite/PSpice
Das "Setup" wird in Form u.a. der *.ini Files bzw. über die "Registry" beim Installations-Vorgang mittels <setup.exe> auf der CD-Rom zur Verfügung gestellt. Der Anwender braucht sich
darum nicht kümmern. Die Libraries enthalten u.a. Symbol Libraries *.olb und Model Libraries *.lib. Jedem Experiment ist ein Workspace-Verzeichnis mit allen dafür notwendigen Ressourcen zur Ausführung des Experiments zugeordnet. Der Verzeichnisbaum der Workspaces
der Experimente entspricht der Inhaltsgliederung des Lehrbuches.
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Die Systemvoraussetzungen sind:
❑ 133 MHz Intel Pentium oder vergleichbarer Prozessor;
❑ Windows 95, Windows 98, Windows NT (>ServicePack4) oder Windows 2000
❑ 32 MB RAM (64 MB RAM empfohlen);
❑ 250 MB freier Festplattenspeicher;
❑ 640 x 480 VGA, 256 Farben (800 x 600 empfohlen);
❑ CD-Rom-Laufwerk;
❑ Maus.
2 Methoden und Objekte zur Schaltplanerstellung und Simulation
Der Prozessablauf für die Schaltplanerstellung und für die Simulation einer vorgegebenen
Schaltung zeigt Bild 2 - 1. Für den Prozessablauf werden Objekte und die sie bearbeitenden
Methodensätze benötigt.
"Setup"
Voreinstellg.,
u.a. *.ini
*.olb
DesignManager
Capture
PropertyEditor
Symbole
*.lib
Modelle
Symbol
Generator/Editor
Model
Generator/Editor
Workspace
*.opj, *.dsn,
*.sim, ...
"Setup"
Voreinstellg.,
pspice.ini
Schaltkreissimulator
(Spice-Simulator)
Workspace
*.dat, ...
Ergebnisdarstellung
(Waveform-Analyzer)
Bild 2 - 1: Aufbau eines "virtuellen" Labors mit Schaltplaneingabe, Schaltkreissimulator und
grafischer Ergebnisdarstellung
Objekte und Objektlibraries für den Prozessablauf: Im Folgenden werden die wichtigsten
Objekte und Objektlibaries aufgeführt, die der skizzierte Prozessablauf benötigt.
❑ "Setup": Im Setup werden Voreinstellungen (u.a. im *.ini File) der verwendeten Werkzeuge
definiert, u.a. Pfadeinstellungen, Fenstereinstellungen, Fonts. Beim Aufruf des Programmsystems erfolgt die automatische Übernahme der Voreinstellungen.
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❑ "Workspace": Im Arbeitspfad des Designs werden alle designspezifischen Objekte abgelegt
(u.a. *.opj, *.dsn, *.net, *.sim, *.cir, *.out, *.dat und designspezifische Libraries *.lib und
Symbole *.olb). Nachfolgend aufgeführt ist die Bedeutung der wichtigsten Objekte:
- *.opj Objekt (Binärobjekt) des DesignManagers;
- *.dsn Objekt (Binärobjekt) von Capture;
- *.dbk Backup-Objekt;
- *.als (Textobjekt) Netname-Alias;
- *.net (Textobjekt) Netzliste;
- *.sim (Textobjekt) Simulation Profile;
- *.cir (Textobjekt) Verknüpfung zwischen *.net und *.sim;
- *.out (Textobjekt) Ergebnis und Fehlerhinweise der Simulation;
- *.dat (Binärobjekt) Ergebnisdaten der Simulation, darstellbar mit "Probe";
- *.lib Modellparametersätze und/oder Subcircuit-Modelle;
- *.olb Objekt des Symbol Editors.
❑ "Output"-File: Das *.out File protokolliert das Simulationsergebnis. Bei fehlerhaftem
Simulationslauf finden sich dort Hinweise auf mögliche Fehlerursachen.
❑ "Symbol-Libraries - *.olb": Ablage von Symbolen für Schaltkreislemente bzw. Schaltkreis-
funktionen, Signalquellen, Versorgungsquellen und Interface- bzw. Anschlussschnittstellen.
Ein Symbol besteht aus der Symbolgrafik (Body-Grafik und Grafik für Anschlusspins) und
"angehängten" Attributen (Body-Attribute und Pin-Attribute).
❑ "Model-Libraries - *.lib": Bei Schaltkreiselementen vom Typ "PSpice Model" muss auf
einen Modellparametersatz oder auf ein Subcircuit Modell in einer Model Library referenziert werden. Die Referenzierung erfolgt über bestimmte Symbol-Attribute (Body-Attribute).
Methodensätze für die Bearbeitung von Objekten: Die nachstehende Liste enthält eine
Kurzdarstellung der wichtigsten Methodensätze zur Bearbeitung von Objekten für den skizzierten Prozessablauf. Innerhalb eines Methodensatzes gibt es eine Vielzahl von Funktionen,
um z.B. neue Objekte zu erstellen, vorhandene Objekte zu bearbeiten, zu selektieren, zu kopieren, ...
❑ Design Manager: Der Design Manager ist eine Art Design Explorer und Verwalter von
Design Ressourcen (u.a. Libraries, Include Files, Simulation Profiles). Er stellt die Designhierarchie mit den verwendeten Schematics (Schaltplänen), den Design Cache (verwendete
Schaltkreiselemente), die verwendeten Libraries, Simulation Profiles etc. dar. Im Design
Manager kann ein neues/vorhandenes Projekt (*.opj) geöffnet werden. Darüberhinaus lassen sich u.a. Symbol Libraries (*.olb) öffnen und bearbeiten.
❑ Capture: Capture ist die Schaltplaneingabe zur symbolischen Beschreibung und Definition
eines Designs (*.dsn). Es lassen sich hierarchische Designs erstellen. Deren Hierarchiebaum wird im Design Manager dargestellt. Auf der untersten Ebene einer Designhierarchie
befindet sich das Arbeitsblatt (Page).
❑ Property Editor: Im Schaltplan befinden sich Objekte (Symbole von Schaltkreiselementen,
von Signalquellen, Versorgungsspannungnen und Interface- bzw. Anschlussschittstellen;
Netze bzw. Netzsegmente). Objekte "tragen" Attribute, die nach Auswahl des Objekts vom
Property Editor dargestellt und bearbeitet werden können.
❑ Symbol Editor: Im Schaltplan wird jedes Schaltkreiselement durch ein Symbol gekenn-
zeichnet. Mit dem Symbol Editor lässt sich die Symbolgraphik bearbeiten. Das Ergebnis
wird in einer Symbol Library (*.olb) abgelegt.
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❑ Model Editor: Jedem Symbol muss ein elektrisches Verhalten oder ein Strukturmodell
zugeordnet werden. Der Schaltkreissimulator beinhaltet "Intrinsic"-Modelle für u.a. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Signalquellen, gesteuerte Quellen und DC-Quellen;
sie benötigen keinen Parametersatz. Für u.a. Dioden, Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren sind ebenfalls "Intrinsic"-Modelle verfügbar. Diese "Intrinsic"-Modelle sind über
einen Modellparametersatz parametrisierbar. Vom Symbol wird in diesem Fall über Symbol-Attribute auf einen Modellparametersatz in einer Model Library (*.lib) refenziert.
Neben den "Intrinsic"-Modellen gibt es Subcircuit Modelle und Schematic Modelle.
"Intrinsic"-Modelle mit Modellparametersatz und Subcircuit Modelle sind vom Typ
"PSpice Model". Mit dem Model Editor lassen sich Modellparametersätze und Subcircuit
Modelle verwalten und bearbeiten.
❑ Simulator PSpice A/D: Dies ist der eigentliche Schaltkreissimulator. Bei Aufruf des Schalt-
kreissimulators vom Schaltplan Capture heraus wird aus der symbolischen Schaltplanbeschreibung automatisch eine textuelle Netzliste (*.net) erzeugt. Neben der Netzliste
benötigt der Schaltkreissimulator Angaben über die Art der Analyse. Die Analyseart und
deren Steuerparameter werden im Simulation Profile definiert (*.sim). Die Netzliste, die
Definition der Analyseart und deren Zusammenfassung in (*.cir) bilden die Datenbasis für
den Schaltkreissimulator. Als Ergebnis liefert der Schaltkreissimulator Knotenspannungen
und Zweigströme für die analysierte Schaltung im Ergebnisfile (*.dat).
❑ Waveformanalyzer Probe: Mit Probe lassen sich die tabellenartig abgelegten Ergebnisse im
Ergebnisfile (*.dat) graphisch darstellen, u.a. bei AC-Analyse im Bodediagramm, bei TRAnalyse in Tracedarstellungen.
3 Wichtige Funktionen von Orcad-Lite/PSpice
Die nachstehenden Ausführungen beziehen sich auf die Orcad-Lite/PSpice-Version9.2. Die
hier beschriebene Funktionalität ist bei vergleichbaren Systemen (z.B. Mentor Expedition)
ähnlich, insofern haben die Darstellungen prinzipiellen Charakter. Es geht um ein Grundverständnis zur rechnergestützten Schaltkreisdefinition und Schaltkreissimulation. Um sich mit
der Schaltkreisanalyse mittels Schaltkreissimulation vertraut zu machen, wird ein einfaches
Beispiel gewählt. An einem einfachen konkreten Beispiel werden die wesentlichen Funktionen
erläutert. Selbstverständlich kann die Kurzdarstellung eine ausführliche Beschreibung (siehe
Help-Funktion: u.a. "Learning Capture") nicht ersetzen. Die Kurzdarstellung soll den Anwender soweit einführen, dass er anhand von ihm bekannten Experimenten "arbeitsfähig und experimentierfähig" ist und mit den wichtigsten Funktionen vertraut gemacht wird.
3.1 Design Manager - Anlegen eines neuen Projekts
Ein neues Projekt wird über das Menü <File/New/Project> angelegt. Im "New Project" Menü
muss der Name des neuen Projekts, dessen Workspace-Pfad (unter "Location") und die Option
"Analog or Mixed A/D" angegeben werden. Im Weiteren kann ausgewählt werden, ob ein
"blank Project", ein "simple Project" oder ein Projekt mit einer Schaltungshierarchie angelegt
werden soll. Wird ein "simple Project" neu angelegt, so erscheint das Fenster des Design
Manager mit zugehöriger Taskleiste in der in Bild 3 - 1 dargestellten Form. Im Funktionsbaum unter "Design Resources" findet sich ein Unterpunkt "Page1". Dies ist das "Designsheet" bzw. Arbeitsblatt der Schaltplaneingabe (Capture). Durch Klick mit der linken Maustaste auf "Page1" erscheint das Arbeitsfenster der Schaltplaneingabe mit zugehörigen Taskleisten. Zur weiteren Bearbeitung können Texte oder Designobjekte innerhalb des Designsheets
in Bild 3 - 1 selektiert und gelöscht werden. Zweckmäßigerweise werden alle im Basis(c) Springer Verlag
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Designsheet erscheinenden Objekte ausgewählt und gelöscht, bis auf das Ground-Symbol. In
dem nunmehr leeren Designsheet (bis auf das Groundsymbol) kann ein neues Design bzw. eine
neue Testschaltung erstellt werden. Dazu werden Funktionen (u.a. "Instanziierung" und "Verdrahtung") benötigt, deren Erklärung nachstehend zu entnehmen ist.
Design Manager (hier: inaktiv)
Schaltplaneingabe (hier: aktiv)
Taskleisten bei aktiver Schaltplaneingabe
Bild 3 - 1: Design Manager und Capture (Schaltplaneingabe) beim Anlegen eines neuen Projekts mit <File/New/Project> mit der Option "simple Project"
3.2 Design Manager - Öffnen eines vorhandenen Projekts
Zumeist geht es darum ein vorhandenes Projekt zu bearbeiten bzw. zu modifizieren. Über das
Menü <File/Open/Project> lässt sich ein verfügbares "Project" auswählen. Im Beispiel ist
dies das Projekt "ErstesDesign" im Experiment-Workspacepfad "Ueb/UEB1/Exp-UE1-1". Wie
beim Anlegen eines neuen Projekts erscheint das Fenster des Design Manager mit zugehöriger Taskleiste. Im Funktionsbaum unter "Design Resources" öffnet man durch Klick mit der
linken Maustaste auf "Page1" das Arbeitsblatt der Schaltplaneingabe (Capture). Bei aktiver
Schaltplaneingabe erscheinen wiederum die zugehörigen Taskleisten. Über die Funktion
<Import Design> lässt sich ein in der Vorgängerversion PSpice-80 erstelltes Design in die neue
Designumgebung von PSpice-92 übernehmen.
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Bild 3 - 2: Öffnen eines vorhandenen Projekts mit zugehöriger Designbeschreibung; links Project Manager, rechts Capture (Schaltplaneingabe) mit Designsheet
3.3 Design Manager - Bearbeitung einer Symbol Library
Das System stellt gebrauchsfertige Symbol Libraries mit Symbolen für gängige Schaltkreiselemente bzw. Schaltkreisfunktionen zur Verfügung (u.a. ABM, ANALOG, EVAL, SOURCE,
PORT). Soll eine gegebene Symbol Library modifiziert werden, so ist nach dem Erstellen einer
Arbeitskopie die zu bearbeitende Symbol Library über das Menü <File/Open/Library> zu
öffnen. Im nachstehenden Beispiel wird die Symbol Library usersymb.olb als vorher erstellte
Arbeitskopie und die originäre Symbol Library user.olb geöffnet. Unter "Design Resources"
erfolgt eine Listung der in den jeweiligen Libraries enthaltenen Symbole. Mit "copy&paste"
lassen sich Symbole von einer Library in die andere kopieren, mit der cut-Funktion werden
Symbole gelöscht. Über die Funktion <Import Design> kann eine vorhandene Symbol Library
*.slb aus der Vorgängerversion PSpice-8.0 in eine *.olb Symbol Library für die neue Version
PSpice-9.2 übernommen werden, um sie anschließend in der beschriebenen Weise bearbeiten
zu können.
Durch Auswahl eines Symbols aus der Liste, der in der Symbol Library enthaltenen Symbole
mittels der linken Maustaste und Aufruf der Methoden zur Bearbeitung des ausgewählten
Symbols mittels der rechten Maustaste erscheint ein Menü mit u.a. der Methode "Edit Part".
Mit "Edit Part" wird der Symbol Editor aufgerufen, mit dem die Symbolgraphik (Symbolkörper mit Anschlusspins) bearbeitet werden kann. Mit "Rename" ist die Änderung des Symbolnamens möglich.
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Bild 3 - 3: Bearbeitung einer Symbol Library - z.B. löschen und kopieren von Symbolen; Auswahl des Symbols für den Widerstand R und Aufruf des Symbol Editors
3.4 Capture - Instanziierung von Schaltkreiselementen
Eine wesentliche Funktion in der Schaltplaneingabe ist die Instanziierung von Schaltkreiselementen aus einer Symbol Library in das Designsheet (Arbeitsblatt) eines Designs (rechte Taskleiste bei aktiver Schaltplaneingabe: ). Das Beispiel in Bild 3 - 4 enthält drei
Designinstanzen: die Signalquelle V1, den Widerstand R1 und die Diode D1. Das Groundsymbol stellt das Bezugspotenzial dar. Durch Aktivierung der Funktion "Place Part" in der Taskleiste am rechten Rand des Fensters zur Schaltplaneingabe erscheint der Menüpunkt "Place Part".
Nach Auswahl der Symbol Library EVAL werden alle dort verfügbaren Symbole gelistet. Zur
Instanziierung der Diode D1N4148 muss dieses Symbol ausgewählt und die Funktion mit
"OK" abgeschlossen werden. Da die Diode D1 bereits instanziiert ist, erübrigt sich die Ausführung des beschriebenen Vorgangs. Ist eine Symbol Library im "Place Part" Menü nicht registriert, so kann eine vorhandene Symbol Library mit <Add Library> nachregistriert werden.
Place Part
Place Wire
Bild 3 - 4: Schaltplaneingabe: Zur Instanziierung eines Schaltkreiselementes aus einer Symbollibrary in das Designsheet mit Auswahl eines Symbols aus der EVAL Symbol
Library
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3.5 Capture - Instanziierung des Ground-Symbols
Das Groundsymbol AGND muss bestimmte Attribute "tragen", damit das Design mit PSpice
simulierbar ist. Nicht jedes für das Auge gültige Ground-Symbol kann für ein simulierbares
Design verwendet werden. In der Symbol-Library user.olb sind geeignete Ground-Symbole
verfügbar. Das Attribut "Name" am Groundsymbol muss den Wert "0" aufweisen. Die Instanziierung des Ground-Symbols ("0"-Symbol) ist im nachstehenden Bild 3 - 5 erläutert.
Bild 3 - 5: Schaltplaneingabe: Zur Instanziierung eines Ground-Symbols aus der user.olb Symbollibrary in das Designsheet
Im folgenden Experiment kann der Anwender die beschriebenen Funktionen selbst ausführen
und damit eigene Erfahrungen mit der Auswahl einer Symbol Library und dem Vorgang der
Instanziierung sammeln.
Experiment Ü1-1: ErstesDesign - Nichtlineare Schaltung bestehend aus Signalquelle V1,
Widerstand R1 und Diode D1.
3.6 Capture - "Verdrahten" von instanziierten Schaltkreiselementen
Sind die für ein Design benötigten Schaltkreiselemente V1, R1 und D1, repräsentiert durch
entsprechende Symbole bereits instanziiert, gilt es mit "Place Wire" die Anschlüsse der instanziierten Schaltkreiselemente zu verbinden (rechte Taskleiste bei aktiver Schaltplaneingabe:
). Ein Symbol weist Anschlusspins auf. Die Netze verbinden Anschlusspins der instanziierten Schaltkreiselemente zu einer gültigen Schaltung. Ein Netz besteht im allgemeinen aus
mehreren Netzsegmenten. Jedes Verbindungssegment hat zwei Endpunkte (Vertices). Einem
Netz, bestehend aus mehreren Verbindungssegmenten, lässt sich ein Netzattribut in Form eines
Netznamens zuordnen. Für das Netz zwischen der speisenden Signalquelle V1 und dem
Widerstand R1 soll der Netzname "N1" vergeben werden. Dazu ist dieses Netzsegment mittels
Einfach-Klick mit der linken Maustaste auf das Netzsegment zu selektieren und die Funktion
<Place/Net Alias> aufzurufen. Diese Funktion steht nur zur Verfügung, wenn das Schaltplaneingabe-Fenster aktiv geschaltet ist. In dem erscheinenden Menü "Place Net Alias" kann ein
Name für des Netz vergeben werden. Netznamen sind hilfreich zur Identifikation der Knotenspannungen bei deren Auswahl für die Ergebnisdarstellung. Im übrigen steht in der rechten
Taskleiste bei aktivem Schaltplaneingabe-Fenster unterhalb des "Place Wire" Buttons ein
Funktionsknopf für "Place Net Alias" zur Verfügung.
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Bild 3 - 6: Schaltplaneingabe: Verbindungsnetze, Netzsegmente;Vergabe von Netznamen mittels der Funktion "Place Net Alias"
3.7 Capture - Objekte und Auswahl von Objekten
Ein Objekt in der Schaltplaneingabe kann u.a. sein ein instanziiertes Symbol eines Schaltkreiselements bzw. einer Schaltkreisfunktion, ein Anschlusspin des Symbols (Subobjekt vom
Symbol) von einem Schaltkreiselement, ein Netzsegment oder ein Interface-Symbol. Durch
Einfach-Klick auf das Objekt mit der linken Maustaste wird ein Objekt ausgewählt. Ein selektiertes Objekt ist farblich gekennzeichnet. Prinzipiell können jedem Objekt Objekt-Attribute
zugeordnet werden. Ein Objekt kann Eigner von Attributen sein. Auf ein selektiertes Objekt
lassen sich objektspezifische Methoden anwenden.
Bild 3 - 7: Schaltplaneingabe: Objektselektion mit Einfach-Klick mittels der linken Maustaste
auf das zu selktierende Objekt - hier die Diode D1
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3.8 Capture/Property Editor - Darstellung der Objekt-Attribute eines selektierten
Objekts
Jedes Objekt im Schaltplan kann "Träger" von Attributen sein. Durch Doppelklick auf das
Objekt mit der linken Maustaste wird der Property Editor aufgerufen. Es erscheinen die dem
Objekt zugeordneten Attribute in Form einer Liste mit Attribut-Identifier und Attribut-Wert.
Es können Attribut-Werte geändert oder neue Attribute mit "New Row..." hinzugefügt werden.
Die Änderung ist mit "Apply" dann wirksam. Die Darstellung eines ausgewählten ObjektAttributs im Schaltplan lässt sich mit "Display..." einstellen. Die Bedeutung von Attributen an
Objekten wird gesondert erläutert (siehe auch "Attribute an Symbolen" im vorhergehenden
Abschnitt).
Bild 3 - 8: Schaltplaneingabe: Auswahl des Objekts V1 und Darstellung der Objekt-Attribute
mittels Doppelklick auf das Symbol von V1; z.B. DC=0V
3.9 Capture - Auswahl von anwendbaren Methoden eines selektierten Objekts
Durch Einfach-Klick auf das selektierte Objekt mit der rechten Maustaste erscheinen die auf
das selektierte Objekt anwendbaren Methoden. Es kann dann eine dem ausgewählten Objekt
zugeordnete Methode (z.B. im selektierten Objekt in Bild 3 - 9: "Rotate", "Edit Properties",
"Edit PSpice Model") ausgewählt und aktiviert werden.
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Bild 3 - 9: Schaltplaneingabe: Selektiertes Objekt D1 und Darstellung der anwendbaren
Methoden mittels Einfach-Klick der rechten Maustaste auf das ausgewählte Objekt
3.10 Capture - Bearbeitung der im Schaltplan sichtbaren Attribute
Weiterhin lassen sich im Schaltplan dargestellte Attribute auswählen und ohne Anwendung des
Property Editor bearbeiten. Bild 3 - 11 zeigt dies am Beispiel des Value-Attributs am Widerstand R1. Mittels Doppelklick auf das dargestellte Attribut erscheint ein Menü zur Änderung
des Attributs.
Bild 3 - 10: Schaltplaneingabe: Auswahl eines dargestellten Attributs im Schaltplan durch
Doppelklick auf das Attribut; es erscheint ein Menü zur Bearbeitung des Attributs
3.11 Capture - Generierung der Netzliste
Neben der symbolischen Beschreibung der Schaltung gibt es die textuelle Beschreibung mittels einer Netzliste. In der Netzliste werden alle Designinstanzen mit ihrem Reference-Designator aufgelistet, sowie deren Anschlusspins an Netze gekennzeichnet mit Netznamen,
gefolgt von weiteren Attributen. Den Eintrag der weiteren Attribute in die Netzliste steuert das
"PSpice Template"-Attribut am Symbol. Über das Template-Attribut wird festgelegt, welche
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Attribute, wie formatiert eingetragen werden. Die Netzliste wird über <PSpice/Create Netlist> erstellt und im "Workspace" abgelegt. Bild 3 - 11 zeigt das Ergebnis und den Eintrag
unter "Design Resources". Beim Aufruf des Schaltkreissimulators wird die Netzliste automatisch erzeugt. Die Generierung der Netzliste ist hier nur zur Veranschaulichung erwähnt. Dieser Schritt kann im allgemeinen entfallen.
Bild 3 - 11: Erstes Designbeispiel: Symbolische Beschreibung und Netzliste
3.12 Capture - Allgemeine Bedeutung von Objekt-Attributen bzw. Properties
Ein instanziiertes Symbol (Designinstanz), jeder Pin eines Symbols (Subobjekt des Symbols),
ein Netzsegment, ein Interface-Symbol "trägt" Attribute . Objekt-Attribute dienen zur Identifikation (z.B. Reference-Attribut), kennzeichnen u.a. Eigenschaften (z.B. Value-Attribut) und
ermöglichen die Auflösung von Referenzen u.a. zum Modell (z.B. Implementation-Attribute),
zum Footprint, zum Package. Eigenschaften werden u.a. von im Designflow nachgeordneten
Werkzeugen ausgewertet. Jedes Attribut hat einen Attribut-Eigner einen Attribut-Identifier
bzw. Attribut-Namen und einen zugeordenten Atttribut-Wert. Wegen der Verwendung der
Objekt-Attribute durch andere Werkzeuge ist sehr streng eine vorgegebene Konvention einzuhalten. Beispielsweise definieren die Implementation-Attribute die Referenz zum Modell (Eigner: Symbolkörper; Identifier: Implementation; Wert: Name des Modells). Die Bearbeitung
von Attributen eines Objekts erfolgt mit dem Property Editor. Im Schaltplan sind die allermeisten Attribute angehängt an die verschiedensten Objekte als Eigner nicht sichtbar. Erst
durch Auswahl eines Attribut-Eigners und durch Aufruf des Property Editor werden die Attribute sichtbar für die Bearbeitung.
3.13 Capture/Property Editor - Bearbeitung von Objekt-Attributen mit dem
Property Editor
Allgemein besteht das Symbol eines Schaltkreiselementes aus einer Graphik und angefügten
Attributen. Grundsätzlich "trägt" der Symbolkörper Attribute bzw. Properties, um zum Beispiel das Teilekennzeichen (z.B. Component: 1N4148), den Einbauplatz (z.B. Reference: D1),
die Referenz zum Modell (z.B. Implementation: D1N4148) oder die Referenz zum verwendeten Bauteilgehäuse (z.B. PCB-Footprint: DO-35) und weitere Attribute (z.B. Value-Attribut
am Widerstand R1: 100Ω) zu beschreiben. Wie bereits dargelegt, haben Attribute bzw. Properties einen Eigner (z.B. Symbolkörper oder Symbolpin), einen Identifier und einen Wert. Das
Value-Attribut legt beim Widerstand R1 den ohmschen Wert fest, der vom Primitiv-Modell des
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Schaltkreiselements benötigt wird. Die Diode D1 kann nicht durch einen einfachen Wert charakterisiert werden. Vielmehr ist ein Modellparametersatz erforderlich, auf den referenziert
werden muss. Das Template-Attribut ist eine Besonderheit der Schaltplaneingabe von PSpice.
Es steuert und formatiert den Eintrag des Schaltkreiselementes bzw. seiner Attribute in die
Netzliste (was wird wie in die Netzliste eingetragen; Beispiel in Bild 3 - 11). Neben den "Part"Attributen sind jedem Anschlusspin "Pin"-Attribute zugeordnet (z.B. Pin-Name). Die Attribute
können sichtbar geschaltet sein. Meist sind sie unsichtbar dem Symbol angefügt, um nur die
für den Anwender erforderliche Information im Schaltplan darzustellen. Die "Body-Attribute"
einer Designinstanz erscheinen nach Doppelklick auf das Symbol der Instanz mittels der linken Maustaste. Bild 3 - 12 zeigt die "Body-Attribute" der Diode D1. In der linken Spalte sind
die "Identifier" (Namen) aufgelistet, in der rechten Spalte die zugehörigen "Werte" der Attribute. "Werte" lassen sich ändern. Die Änderung ist nach Aktivierung von "Apply" wirksam.
Für die Wertangabe von Attributen sind Skalierungsfaktoren gemäß nachstehender Tabelle
möglich (z.B. Widerstandswert - Value = 10M).
Tabelle 1: Skalierungsfaktoren bei Werteingaben
T
1012
m
10-3
G
109
u
10-6
Meg
106
n
10-9
k
103
p
10-12
f
10-15
Attribut-Eigner
Attribut-Identifier
Attribut-Werte
Bild 3 - 12: Property Editor: Darstellung der Body-Attribute (Properties) der ausgewählten
Designinstanz D1; das "Implementation"-Attribut definiert die Referenz zum
Modell
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3.14 Capture/Symbol Editor - Symbolbearbeitung mit dem Symbol Editor
Mit dem Symbol Editor lässt sich ein Symbol mit Symbolgraphik und den Symbolanschlusspins bearbeiten. Dies ist erforderlich u.a. bei der Einführung einer neuen Schaltkreisfunktion,
charakterisiert durch eine neues Symbol. Ein Symbol in einem Design wird durch einfachen
Klick mit der linken Maustaste auf das zu selektierende Symbol ausgewählt. Durch Klick mittels der rechten Maustaste auf das dann selektierte Symbol, erscheint das in Bild 3 - 13 dargestellte Menü. Der Symbol Editor wird für die Bearbeitung eines solchermaßen ausgewählten
Symbols aufgerufen mit der Funktion "Edit Part". Der Symbol Editor wird benötigt, um z.B.
ein vorhandenes Symbol zu ändern oder ein neues Symbol für eine neue Schaltkreisfunktion
zu erstellen. Zweckmäßig dabei ist die Kopie eines verfügbaren ähnlichen Symbols und die
entsprechende Änderung auf die gewünschte Form. Die im Rahmen der hier behandelten
Experiment-Beispiele benötigten speziellen Symbole sind in der user.olb abgelegt.
Bild 3 - 13: Schaltplaneingabe: Aufruf der Objekt-Methode "Edit Part" für die Bearbeitung des
Symbols einer ausgewählten Designinstanz - Aufruf des Symbol Editor
Nach Auruf des Symbol Editor erscheint ein neues Fenster zur Bearbeitung des selektierten
Symbols, siehe Bild 3 - 14.
Bild 3 - 14: Symbol Editor: Bearbeitung des Symbols der Diode D1 mit Menü zur Graphikbearbeitung
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3.15 Capture - Modellreferenz am Symbol festlegen
Vor der eigentlichen Analyse müssen die Eingangssignale (E: Kurvenform, Amplitude, Frequenz, u.a.) und die Modelle (M) der Schaltungkreiselemente festgelegt werden. Dies gilt für
die "Abschätzanalyse" ohne Simulator in gleicher Weise wie für die Schaltkreissimulation. Der
Wert des "Implementation"-Attribut am Symbol-Körper definiert einen Modellnamen, er referenziert auf ein Modell in einer registrierten Modell-Library. Im Beispiel (Bild 3 - 12) referenziert der Wert des "Implementation"-Attribut <D1N4148> am Symbol der Diode D1 auf den
entsprechenden Modellparamtersatz in der EVAL.lib. Bei allen Symbolen aus den StandardSymbol Libraries sind die Modellreferenzen vom System festgelegt.
Grundsätzlich stehen drei Attribute am Symbol (Body-Attribute) zur Festlegung der Modellreferenz am Symbol zur Verfügung:
- Implementation;
- Implementation-Type;
- Implementation-Path.
Die nachstehende Tabelle zeigt die Belegung der Modellreferenz-Attribute für die verschiedenen Modellarten in PSpice. "Intrinsic"-Modelle ohne Parametersatz (u.a. R, L, C) benötigen
keine Modellreferenz-Attribute. Darüberhinaus legt der Wert des Implementation-Attributs
den Namen des Modells fest. Bei Pfadangaben lassen sich absolute und relative Pfade verwenden:
keine Angabe bedeutet Workspace-Zugriff;
.\ bedeutet eine Verzeichnisebene vom Workspace aus nach oben;
..\ bedeutet zwei Verzeichnisebenen vom Workspace aus nach oben.
Tabelle 2: Modellreferenz-Festlegung
Modelltyp
Modellreferenz-Attribute
"Intrinsic"-Modell
-
"Intrinsic"-Modell mit Parametersatz
Implementation = <Modellname>
Implementation Type = PSpice Model
Implementation Path = -
Subcircuit-Modell
Implementation = <Modellname>
Implementation Type = PSpice Model
Implementation Path = -
Schematic-Modell
Implementation = <dsn-Name>
Implementation Type = Schematic View
Implementation Path = <Pfadangabe>
Mit dem Attribut "Implemenation Type" wird der Typ des Modells definiert. "PSpice Model"
sind Intrinsic-Modelle mit/ohne Parametersatz und Subcircuit-Modelle; "Schematic View"
definiert ein Schematic Modell in Form einer *.dsn Beschreibung. Der Pfad zum gesondert zu
erstellenden Schematic Modell wird über das Attribut "Implementation Path" festgelegt.
Intrinsic-Modelle mit Parametersatz und Subcircuit-Modelle erfordern keine Pfadangabe über
das Attribut "Implementation Path". Vielmehr muss hier die Model Library, die den zu verwendenden Parametersatz bzw. das Subcircuit-Modell enthält, dem System bekannt sein
(Registrierung einer Model Library).
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3.16 Capture/Model Editor - Aufruf des Model Editor für PSpice Models
Über den Menüpunkt "Edit Pspice Model" (erscheint nach Klick mit der rechten Maus auf das
selektierte Symbol) wird der Model Editor für die ausgewählte Instanz aufgerufen, siehe Bild 3
- 15. Damit lässt sich das Modell ändern und gegebenenfalls in einer neuen Model Library
ablegen. Allerdings muss diese Model Library dem System bekannt sein.
Bild 3 - 15: Schaltplaneingabe: Aufruf des Model Editor für die Bearbeitung des Modells der
ausgewählten Instanz D1
Nach Aktivierung der Funktion "Edit PSpice Model" erscheint der Model Editor.
Bild 3 - 16: Model Editor: Modellparametersatz D1N4148 aus der EVAL.lib
3.17 Capture - Änderung der Modellreferenz
In der user.lib des "Workspace" sind anwenderspezifische Modelle abgelegt. Soll nun auf den
Modellparametersatz D1N4148-X aus der user.lib referenziert werden, so ist das "Implementation"-Attribut am Symbol zu ändern. Dazu muss mit Doppelklick mittels der linken Maustaste
auf das ausgewählte Symbol der Property Editor aufgerufen werden, siehe Bild 3 - 17. Nach
Änderung des Wertes auf D1N4148-X wird auf das entsprechende Modell referenziert. Das
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System sucht nach einem Modell mit dem Namen D1N4148-X in einer registrierten Library.
Zunächst wird nach Modellen in designspezifischen Model Libraries im "Workspace" gesucht,
sodann in den allgemein registrierten Librarypfaden.
Bild 3 - 17: Schaltplaneingabe: Aufruf des Property Editor zur Änderung des "Implementation"-Attributs auf D1N4148-X; damit wird die Modellreferenz geändert
Ist nunmehr der Wert des "Implementation"-Attribut am Symbol der Diode D1 auf D1N4148X geändert und die Model Library user.lib dem System bekannt, so erscheint beim Aufruf des
Model Editor der neue Modelparametersatz, siehe Bild 3 - 18.
Bild 3 - 18: Model Editor: Modellparametersatz D1N4148-X aus der user.lib
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3.18 Capture - Registierung einer Model Library
Allgemein erfolgt die Registrierung einer Model Library über *.ini. Soll eine Model Library
nachregistriert werden und damit dem System bekannt gemacht werden, so ist dies explizit in
Form der "Nachregistrierung" möglich. Eine "Nachregistrierung" beispielsweise der user.lib
erfolgt über das Menü <PSpice/Edit Simulation Profile> in der Schaltplaneingabe. Über
"Libraries" erscheint das in Bild 3 - 19 gezeigte Menü zum Bekanntmachen von neuen Model
Libraries. Ohne vollständiger Pfadangabe müssen die Model Libraries im "Workspace" (relativer Pfad: ".\xxx") abgelegt sein. Unter "Library Path" in Bild 3 - 19 unten finden sich alle im
"Setup" vorregistrierten Librarypfade.
Bild 3 - 19: Schaltplaneingabe: Nachregistrierung der user.lib
3.19 Capture/Symbol Editor - Einführung eines neuen Symbols
Soll ein neues Symbol für eine neues Schaltkreiselement bzw. für eine neue Schaltkreisfunktion eingeführt werden, so wird zweckmäßig ein vorhandenes Symbol aus einer gegebenen
Symbol Library mittels copy&paste übernommen. Beispielhaft soll ein neues Widerstandssymbol RHF für einen Widerstand mit Hochfrequenzeigenschaften eingeführt werden. Dazu
wird im ersten Schritt das Standard-Widerstandssymbol R aus der Arbeitskopie usersymb.olb
in die user.olb kopiert. Die Kopie des Symbols RHF in der user.olb übernimmt alle Eigenschaften des ursprünglichen Symbols. Nach Selektion des neuen Symbols und Aufruf der
Funktion "Rename" kann der Name des neuen Symbols auf RHF geändert werden.
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Bild 3 - 20: Kopie des R-Symbols aus der usersymb.olb in die user.olb mittels copy&paste und
"Rename" des R-Symbols in RHF
Mit "Edit Part" lässt sich das neue Symbol mit dem Symbol Editor bearbeiten. Zur Kennzeichnung des neuen Widerstandssymbols mit Hochfrequenzeigenschaften wird der Symbolkörper
mit dem Text "HF" ergänzt. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass die Anschlusspins im
Raster liegen, damit nach Instanziierung des Symbols im Schaltplan die Anschlusspins in das
dortige Raster passen. Um hier die Textergänzung am Symbolkörper vornehmen zu können,
muss vorher über <Preferences/Grid Display> die Grid-Snap-Funktion ausgeschaltet werden.
Nach der durchgeführten Modifikation des Symbolkörpers ist zweckmäßigerweise die GridSnap-Funktion gleich wieder zu aktivieren. Im weiteren sind die Pin-Attribute zu bearbeiten.
Im Beispiel soll der Name der Pin-Attribute von 1 nach a und von 2 nach b geändert werden.
Nach Abschluss der Änderungen sind die Modifikationen mit "Save" zu sichern.
Bild 3 - 21: Bearbeitung des neuen Symbols RHF mit dem Symbol Editor; Modifikation der
Pin-Attribute mit der Funktion <Place/Pin...>
Die übernommenen Attribute des Symbolkörpers lassen sich im Symbol Editor mit <Options/
PartProperties> editieren. Um dem neuen Symbol ein Subcircuit-Modell zuzuordnen sind die
Attribute am Symbolkörper geeignet zu modifizieren - wie in der nächsten Funktion dargelegt
(siehe auch "Parametrisierbare Schematic- und Subcircuit-Modelle" im vorhergehenden
Abschnitt).
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Bild 3 - 22: Editierung der Attribute am Symbolkörper im Symbol Editor mittels der Funktion
<Options/PartProperties>
3.20 Capture - Zuordnung eines Subcircuit-Modells für eine neues Symbol
Nach Einführung des neuen Symbols RHF soll dem Symbol ein Subcircuit Modell zugeordnet
werden (siehe auch "Parametrisierbare Schematic- und Subcircuit-Modelle" im vorhergehenden Abschnitt). Das Subcircuit-Modell ist eine textuelle Beschreibung eines Ersatzschaltbildes
für einen Widerstand mit innerer Serieninduktivität, mit Zuleitungsinduktivitäten und mit einer
Parallelkapazität; es ist in der user.lib abgelegt. Das Subcircuit-Modell für die gegebene
Anordnung eines Widerstandes mit Hochfrequenzeigenschaften lautet beispielsweise:
*$
***** HF-Widerstand
.SUBCKT RHF a b
+ PARAMS: RX=1k LSZ=10n LS=2n CP=10p
LSZ1 a 1 {LSZ}
RX 1 2 {RX}
LS 2 3 {LS}
LSZ2 3 b {LSZ}
CP 1 3 {CP}
.ENDS RHF
*$
Die user.lib Model Library ist bereits registriert. Über das Implementation-Attribut erfolgt die
Referenzierung vom Symbol zum Modell. Das Implementation-Attribut muss mit "Implementation = RHF" belegt werden, entsprechend des Modell-Namens in der Subcircuit-Definition.
Der Typ des Modells ist mit "Implementation Type = PSpice Model" festzulegen. Es ist darauf
zu achten, dass die Pin-Attribute des Symbols konsistent zu den Pinnamen des Symbols und
des Template-Eintrags sind. Um ein parametrisierbares Modell zu erhalten, müssen an dem
Symbolkörper zusätzliche Attribute (hier: RX, LSZ, LS, CP) angefügt werden. Attribute in der
Subcircuit-Definition eingerahmt mit geschweifter Klammer übernehmen die aktuellen Werte
festgelegt am Symbol, wenn das Template-Attribut zur Formatsteuerung des Eintrags in die
Netzliste folgenden Wert aufweist:
X^REFDES %a %b @MODEL PARAMS: RX=@RX LSZ=@LSZ LS=@LS CP=@CP
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Die Kennung "X" steht für Subcircuit, gefolgt vom Eintrag des Reference-Designators; mit %a
und %b werden die Pin-Anschlussnamen der Anschlusspins des Symbols in der Netzliste mit
den Knotennamen der Anschlussnetze verbunden; mit @MODEL wird der Modellname (Wert
des Implementation-Attributs) des Subcircuit-Modells in die Netzliste eingetragen; mit
PARAMS: werden die nachfolgenden Parameter mit den am Symbol definierten Werten in die
Netzliste übernommen.
Im nachstehenden Experiment kann der Anwender eigene Erfahrungen sammeln. Bild 3 - 23
zeigt die Instanziierung des neuen Symbols RHF in das Designsheet des Schaltplans. In Bild 3
- 24 ist das neu instanziierte Symbol ausgewählt. Der Property-Editor stellt die Attribute des
ausgewählten Objekts dar. Schließlich zeigt der Model-Editor das dem ausgewählten Objekt
zugeordnete Subcircuit-Modell in Bild 3 - 25.
Experiment Ü1-2: ErstesDesign-RHF-Subcircuit - Beispiel mit HF-Widerstand, der auf ein
Subcircuit-Modell referenziert.
Bild 3 - 23: Schaltplaneingabe: Instanziierung des neuen Symbols RHF aus der user.olb
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Bild 3 - 24: Attribute des neuen Symbols dargestellt mit dem Property Editor
Bild 3 - 25: Schaltplaneingabe: Neues Schaltkreiselement mit zugeordnetem SubcurcuitModell
3.21 Capture - Zuordnung eines Schematic Modells für ein neues Symbol
Als nächstes soll anstelle des Subcircuit Model ein Schematic Model für das neue Schaltkreiselement eingeführt werden. Dazu muss am Symbol mit "Implementation Type = Schematic
View" der Modelltyp geändert werden. Mit "Implemementation = <Name der *.dsn Schematicdarstellung>" und "Implemenation Path = <Pfadangabe>" wird auf das Schematic Modell
referenziert. Ist das Schematic Modell im Workspace-Pfad abgelegt, so kann die Pfadangabe
entfallen. Zweckmäßig ist die Verwendung relativer Pfade (mit .\xxx, bzw. ..\xxx).
Experiment: ErstesDesign-RHF-Schematic - Beispiel mit HF-Widerstand, der auf ein Schematic Model referenziert.
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Bild 3 - 26: Schaltplaneingabe: Neues Schaltkreiselement mit Auswahl der Methoden, anstelle
der Referenz auf ein "PSpice Model" erscheint "Descend Hierarchy"
Bild 3 - 27: Schaltplaneingabe: Auswahl des neuen Symbols RHF und Darstellung der zugeordenten Attribute mit dem Property Editor; das Symbol referenziert auf ein Schematic Model
Prinzipiell wird mit der Einführung eines Schematic Model eine Schaltungshierarchie begründet. Dies zeigt auch der Design Manager in der hierarchischen Darstellung der Design
Resources. Das instanziierte neue Symbol des neuen Schaltkreiselementes für den HF-Widerstand referenziert jetzt nicht mehr auf ein Subcircuit-Modell, sondern auf einen "Schematic
View". Bild 3 - 26 zeigt das selektierte neue Schaltkreiselement mit den zugeordneten Methoden. Mit "Descend Hierarchy" erscheint das Schematic Model. In Bild 3 - 27 sind die Attribute
des neuen Schaltkreiselementes dargestellt. Das "Implentation"-Attribut referenziert auf ein
Schematic Model. Im Schematic Model (Bild 3 - 28) sind die Value-Attribute mit "@XXX"
besetzt, das heißt es werden die Parameter gegeben am Symbol aktuell entnommen. Es liegt
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ein parametrisierbares Schematic Model vor, dessen Werte von den aktuellen Symbol-Attributen übernommen werden. Im übrigen erfolgt kein mit der Subcircuit-Variante vergleichbarer
Eintrag in die Netzliste. Somit ist der Wert des Template-Attribut bedeutungslos.
Bild 3 - 28: Schaltplaneingabe: Schaltungshierarchie mit Darstellung des Schematic Model;
neues Symbol referenziert auf das Schematic Model
3.22 Capture - Einführung einer Schaltungshierarchie
Mit <File/New/Project> und der Option "hierarchical" wird ein neues Projekt angelegt. Es
erscheint ein Hierarchie-Symbol im Designsheet. Das Hierarchie-Symbol soll auf ein Schematic-Modell referenzieren. Es wird gleichsam eine zweite Schaltplanebene eingeführt, die eine
Hierarchiestufe tiefer liegt. Nach Selektion des Hierarchie-Symbols und Doppelklick auf das
selektierte Symbol erscheint wiederum der Property Editor. Der Wert des ImplementationAttributs beinhaltet den Namen des zugeordneten Schematic-Modells. Da sich im Beispiel das
Schematic-Modell im Workspace befindet, ist keine Pfadangabe mittels des Werts des Attributs "Implementation Path" notwendig. Der Wert des "Implementation Type" Attributs muss
auf "Schematic View" gesetzt sein. In der Schematic-Modell Darstellung müssen die Schnittstellen mit einem Interface-Symbol versehen werden. Es ist darauf zu achten, dass die Namen
der Schnittstellenbezeichner zueinander konsistent sind.
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Bild 3 - 29: Hierarchiesymbol zur Einführung einer hierarchischen Schaltungsstruktur mit
angehängten Attributen dargestellt durch den Property Editor
Bild 3 - 30: Schematic-Modell mit Interface-Symbolen zugeordnet zum eine Hierarchiestufe
darüberliegenden Hierarchie-Symbol
Experiment: ErstesDesign-ParametrischeAnalyse - Zurück zum Einführungsbeispiel; Schaltkreissimulation mit parametrischer Analyse.
3.23 Capture - Vorbereitung der "Parametrischen Analyse"
Häufig will man eine Schaltungsanalyse in Abhängigkeit von geänderten Werten eines Schaltkreiselementes u.a. eines geänderten Widerstandswertes vornehmen. Dazu dient die "Parametrische Analyse". Für die parametrische Analyse muss aus der Symbol Library <special.olb>
das Element PARAM in das aktuelle Designsheet instanziiert werden. Als Beispiel soll in der
gegebenen Testschaltung eine Analyse mit verschiedenen Werten für R1 durchgeführt werden.
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Durch Auswahl des instanziierten Elements PARAM im Designsheet und Aufruf des Property
Editor werden die Attribute des Elements PARAM sichtbar. Mit der Funktion <New Row...>
des Property Editor ist ein neues Attribut mit dem Identifier R1 und dem Defaultwert 100Ω
hinzuzufügen. Vom neuen Attribut R1 soll der Name und der Wert sichtbar geschaltet werden.
Nach Auswahl des neu hinzugefügten Attributs lässt sich mittels der Funktion <Display...> des
Property Editor die Darstellung im Schematic einstellen. Sodann ist der Wert des Widerstandes
R1 auf {R1} zu setzen. Der aktuelle Wert des Widerstandes wird dann über die parametrische
Analyse gesteuert (siehe Bild 3 - 32).
3.24 Capture - Analyseart festlegen und Start der Schaltkreissimulation
Nachdem nunmehr die Schaltung und das Eingangssignal definiert sind, gilt es als nächstes die
Art der Analyse im "Simulation Profile" festzulegen, bevor die eigentliche Schaltkreissimulation gestartet werden kann. Zur Festlegung der Art der Analyse gibt es in der Schaltplaneingabe eine eigene Funktion. Wie die Funktion aufgerufen wird, ist in Bild 3 - 32 dargestellt.
Daraufhin erscheint ein Menü zur Definition der Parameter einer ausgewählten Analyseart im
"Simulation Profile". Es soll eine DC-Sweep Analyse durchgeführt werden, so dass V1 im
Bereich von 0V bis 2V durchgestimmt wird. Weiterhin ist eine parametrische DCSweep-Analyse so durchzuführen, dass der Widerstandswert R1 = 0.1, 50, 100 und 200Ω zugrundegelegt
wird. Der Start der Schaltkreissimulation erfolgt mit dem daneben liegenden Funktionsknopf.
Prinzipiell lassen sich für ein Projekt mehrere Simulation Profile für verschiedene Analysearten definieren. Im Beispiel voreingestellt ist die DCSweep-Analyse. Darüberhinaus möglich ist
eine DC-Anaylse für die Ermittlung des Arbeitspunktes, eine AC-Analyse und eine TR-Analyse.
Definition eines neuen Simulation Profile
Definition&Änderung eines Simulation Profile
Start der Simulation
Bild 3 - 31: Funktionsknöpfe zur Festlegung eines Simulation Profile und Start des Simulationsprozesses
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Definition des Simulation Profile
Start der Analyse
Bild 3 - 32: Schaltplaneingabe: Zur Festlegung der Analyseart - DCSweep; Definition der
Parameter für die DCSweep Analyse mit Parametric Sweep und Start der Schaltkreissimulation
3.25 Waveform-Analyzer - Definition eines Ergebnisausdrucks
Nach Durchführung der Schaltkreissimulation werden alle Knotenspannungen und Zweigströme der Schaltung in ein Ergebnisfile *.dat im "Workspace" geschrieben. Der Schaltkreissimulator ist so konfiguriert, dass automatisch nach Beendigung der Simulation der "WaveformAnalyzer" aufgerufen wird. Bild 3 - 33 zeigt den "Waveform-Analyzer". Nach Aktivierung der
Funktion "Add Traces" erscheint ein Menü zur Definition eines Ergebnisausdrucks (Trace
Expression). Links im Menü sind die verfügbaren Knotenspannungen und Zweigströme aufgelistet, rechts die anwendbaren Funktionen. Die nachstehende Tabelle erläutert die wichtigsten
anwendbaren Funktionen.
Tabelle 3: Beispiele anwendbarer Funktionen für Ergebnisausdrücke
+-*/
Grundrechenarten
SQRT(x)
Quadratwurzel aus x
ABS(x)
Betrag von x
R(x)
Realteil von x
D(x)
Differenzial von x
IMG(x)
Imaginärteil von x
S(x)
Integral von x
P(x)
Phase von x
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Im Beispiel wird der Zweigstrom durch die Diode D1 als Ergebnisausdruck definiert. Die Festlegung des Ergebnisausdrucks muss mit "OK" abgeschlossen werden. Sodann erscheint die
Graphik des Ergebnisausdrucks für vier DC-Sweep-Analysen mit R1 = 0.1, 50, 100 und 200Ω,
siehe Bild 3 - 34. Die Skalierung wird automatisch vorgenommen. Mit dem "Plot"-Menü des
"Waveform-Analyzers" kann die X-Achse und die Y-Achse anders als durch die automatische
Skalierung vorgegeben, dargestellt werden. Das Ergebnis zeigt die "gescherte" Diodenkennlinie. Die Schwellspannung der Diode D1 liegt bei 0.7V, oberhalb der Schwellspannung wird
die Diode in Flussrichtung betrieben. Bei 1.7V Signalspannung fällt an der Diode eine Spannung von ca. 0.7V ab, am Widerstand R1 eine Spannung von 1V, damit beträgt der Zweigstrom
durch Diode und Widerstand bei R1 = 100Ω ca. 10mA.
Add Traces
Bild 3 - 33: Ergebnisdarstellung im "Waveform-Analyzer": Definition eines Ergebnisausdrucks (Trace Expression) mit Add Traces
3.26 Waveform-Analyzer - Skalierung und Darstellung eines Ergebnisausdrucks
Nach Festlegung des Ergebnisausdrucks wird der definierte Ausdruck (hier: I(D1)) graphisch
dargestellt. Mit der Funktion <Plot/Axis Settings> lässt sich eine andere als die durch die automatische Skalierung vorgegebene Ergebnisdarstellung konfigurieren. Im Beispiel wird die
Darstellung der Y-Achse auf 0 bis 20mA umkonfiguriert. Zudem werden die vier Ergebniskurven zur besseren Auswertbarkeit mit Labels versehen.
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Plot
Bild 3 - 34: "Waveform-Analyzer": Ergebnisdarstellung des Zweigstroms durch die Diode D1
mit "Plot"-Menü zur Gestaltung der X-Achse bzw. Y-Achse
Die erläuterten Funktionen im Rahmen der Kurzeinführung für die Schaltkreisanalyse mit
Orcad-Lite/PSpice stellen eine Auswahl dar. Es gibt darüberhinaus eine Vielzahl weiterer
Funktionen. Die vorgestellten Funktionen sollen ein Grundverständnis fördern.
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