Einführung in PSPICE
PSPICE (Personalcomputer Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)
ist ein Software-Product der
MicroSim Corporation. Die Programm-Familie PSPICE
wurde an der University of California in Berkeley, USA
entwickelt. PSPICE wird
ständig weiterentwickelt und um Ergänzungsprogramme erweitert und ist heute ein
leistungsfähiges, frei verfügbares Standardwerkzeug mit großer Verbreitung.
PSPICE
ist ein Simulationsprogramm, welches das Verhalten von elektronischen Schaltungen
simuliert.
Es können sowohl analoge als auch digitale Bauteile gemischt in einer
Schaltung eingesetzt werden.
Wird Schematics zur Schaltplaneingabe verwendet,
so kann PSPICE als eine Art softwarebasiertes Board der
Schaltung angesehen werden,
das zum Testen und zum Modifizieren des Designs verwendet werden kann.
Die Bauteilbibliotheken
(Modellbibliotheken) enthalten über 10.000 analoge und über 1.600 digitale Modelle
der
verschiedensten elektronischen Bauelemente von Herstellern aus Nordamerika,
Europa und Asien.
In PSPICE ist es möglich, durch zahlreiche in die Modelle eingebettete
Parameter, wie z.B. Bauteiltoleranzen, die
charakteristischen Eigenschaften eines
Bauteils zu ändern, ohne dieses neu definieren zu müssen. Zusätzlich
unterstützt
PSPICE analoge und digitale Verhaltensmodellierung. So ist es möglich, das funktionale
Verhalten von
Schaltungsblöcken durch mathematische Gleichungen und Funktionen
zu beschreiben.
Die Schaltungssimulation gestattet auf einfachste Art und Weise
den funktionellen Test einer eingegebenen
Schaltung, um z.B. Ausgangssignale auf
verschiedene Eingangssignale zu erhalten, z.B. zur
- DC-Analyse (Gleichstromanalyse,
z.B. Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung),
- AC-Analyse (Wechselstromanalyse,
z.B. Ausgangsspannung als Funktion der Frequenz),
- Transientenanalyse (Zeitanalyse,
z.B. Spannung als Funktion der Zeit),
- Spektralanalyse (Fourieranalyse, z.B.
wertmäßiger Anteil bestimmter Frequenzen in einem Frequenzgemisch).
Schematics
ist das Programmtool, welches für die graphische Eingabe des Schaltplanes verwendet
wird.
In diesem Tool wird die Schaltung für die Simulation vorbereitet. Die Bauteile
aus der zu simulierenden Schaltung
werden plaziert und wie gewünscht verdrahtet.
Danach werden die Werte und sonstige Attribute der Bauteile den
Modellen zugewiesen.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Eingangssignale zu generieren.
Danach muß
der Anwender vorgeben, welche Analysen durchzuführen sind. An den Knoten, in denen
die
Spannungs- oder Stromverläufe zu überwachen sind, können sogenannte Marker
gesetzt werden, die nach
erfolgreicher Simulation in Probe angezeigt werden. Schematics
ist der Programmteil, von dem aus alle anderen
Tools gestartet werden können.
Probe ist das System für die graphische Darstellung der Meßwerte (Oszilloskop).
Nachdem PSPICE die Simulation
durchgeführt hat, gibt Probe die Ergebnisse graphisch
auf dem Bildschirm aus. Auf diese Weise kann das Verhalten
der Schaltung visualisiert
und die korrekte Funktion der Schaltung überprüft werden. Welche Daten auf dem
Bildschirm darstellbar sind, hängt von der Simulation ab. Bode-Diagramme und Kurvenscharen
von Spannungen
und Strömen sind nur einige Beispiele.
Der Stimulus-Editor ist
ein graphischer Signalform-Editor, durch den ein zeitlich abhängiges Signal erzeugt
werden
kann, welches bei der Simulation einer Schaltung als Eingangssignal Verwendung
finden kann. Es können sowohl
analoge als auch digitale Stimuli erzeugt werden.
Für Bauelemente, die nicht in den Modellbibliotheken enthalten sind, lassen sich
mit Parts Modelle erzeugen, die
PSPICE zur Simulation benötigt. Die Informationen,
die Parts hierfür verwendet, lassen sich aus den Datenblättern
für das jeweilige
Bauelement ablesen. Werden die Daten eines Bauelements eingegeben, erzeugt Parts
aus diesen
charakteristische Kennlinien. Auf diese Weise läßt sich das Modellverhalten
verifizieren. Ist das Modell fertig,
kreiert Parts für dieses automatisch ein
Symbol, welches direkt in Schematics verwendet werden kann.
Wenn die Simulation
gestartet werden soll, muß PSPICE über folgende Punkte informiert sein:
- die
Bauelemente in der Schaltung und wie sie verbunden sind (Netzliste),
- die zu
den Bauteilen gehörenden Simulationsmodelle,
- welche Analyse durchgeführt werden
soll,
- die Eingangssignale, mit denen die Schaltung getestet werden soll.
Dieses
Informationen werden in unterschiedlichen Dateien gespeichert. Wird die Simulation
fehlerfrei gestartet,
werden von PSPICE zwei Dateien erzeugt, in denen die Simulationsergebnisse
abgelegt werden. Die eine Datei
ist die Probe-Daten-Datei (.dat), in der die Meßergebnisse
für die Visualisierung in Probe gespeichert sind und
die andere die PSPICE-Output-Datei
(.out).
Der Ausgangspunkt der Simulation mit PSPICE ist also die Eingabe der Schaltung und Bauelementewerte.
Im Schaltungseditor Schematics werden die aus einer Bibliothek auswählbaren Bauelemente als Symbole
plaziert,
zur Testschaltung verbunden und mit Werten versehen.
Für die so entworfene Schaltung müssen im "Setup" die Analyseart und die
Darstellungsparameter
vorgegeben werden. Das "Probe-Setup" gestattet die Einstellung des
Darstellungsmodus wie folgt:
- Restore last Probe session (übernimmt die Darstellung der vorangegangenen Simulation),
- Show all markers / selected markers (zeigt die mit Marker adressierten Punkte
automatisch an),
- None (keine Darstellungsparameter, ist immer als Ausgangseinstellung voreingestellt).
Für umfangreiche Simulationsaufträge empfiehlt sich der Modus "Restore last Probe session".
Nach dem Start der Simulation berechnet PSPICE die Daten der Schaltung. Diese können für
beliebige
Schaltungspunkte auf einer graphischen Oberfläche dargestellt werden. Durch mathematische
Verknüpfung,
z.B. "Zeige Produkt der Spannung und des Stromes (Leistung)" am Meßpunkt "X"
können auch abgeleitete
Größen direkt als Formel eingegeben, dargestellt und ausgewertet werden.
"PSPICE" stellt umfangreiche Hilfefunktionen (über "F1" in englisch)
bereit.
Wichtiger Hinweis:
Um das folgende Demonstrationsbeispiel ausführen zu können,
installieren Sie Sie zunächst PSPICE
auf Ihrem PC. Dazu können Sie hier
MicroSim PSpice 8.0 als freie Evaluation-Version downloaden.
Demonstrationsbeispiel
Anhand des folgenden Beispiels eines Bandpasses wird das Simulationsprogramm
PSPICE kurz
demonstriert.
Gegebene Schaltung:
Für diese Schaltung sollen folgende Eigenschaften dargestellt werden:
- Frequenzgang Ua = f(f),
- Eingangswiderstand Zi = f(f),
- Phasengang (der Ausgangsspannung Ua) 
=
f(f).
Diese Meßaufgabe erfordert z.B. für den Frequenzgang einen realen Meßaufbau mit einem
Funktionsgenerator
als Signalquelle (Sinusgenerator) am Eingang und einem Spannungsmesser am
Ausgang der Schaltung.
Im folgenden ist ein geeigneter, universeller Meßaufbau, bestehend aus Stromversorgung,
Oszillograf,
Funktionsgenerator und Digitalvoltmeter dargestellt.
(Für diese Meßaufgabe sind aber nicht alle Geräte
des universellen Meßplatzes erforderlich).
Analog zur Darstellungsweise in elektronischen Schaltungen werden in Simulationsprogrammen statt der
bildlichen
Darstellung Symbole für die einzelnen Geräte benutzt. So steht beispielsweise für den
Funktionsgenerator als
Spannungsquelle für Sinusschwingungen das Symbol "VSIN" in der Modellbibliothek
"Source.slb" zur Verfügung.
Die Parameter des virtuellen Generators (z.B. Frequenz, Amplitude und Phasenlage) können nach
Bedarf frei
programmiert werden.
Da die Simulation einen Bezugspunkt für die zu berechnenden Daten benötigt, muß ein Punkt der
Schaltung
mit dem Symbol Masse verbunden werden! Üblicherweise ist das ein Pol der
Betriebsspannung oder der
gemeinsame Anschluß für Eingang und Ausgang. Das gilt auch, wenn die
Schaltung in der Realität keine
Verbindung zur Masse hat (sog. "erdfreier Betrieb").
Somit ist folgende
Schaltung zu editieren.
PSPICE vergibt automatisch beim Editieren Baulemente-,
Pinbezeichnungen und Standardbauelementewerte,
die anschließend frei geändert werden können. Da der PC-Bildschirm gut geeignet ist, die Funktionen eines
Oszillografen (z.B. zur Spannungsmessung) zu übernehmen, werden hierfür keine weiteren symbolischen Geräte
benötigt.
Der im realen Meßaufbau notwendige Indikator am Ausgang wird so bei der Simulation durch die Angaben
"Dimension der Meßgröße" (z.B. "I" für Ströme bzw. "V" für Spannungen oder eine Formel) und "Adresse der
Meßstelle" gebildet.
Die gewünschte Meßstelle kann mit der Pin-Bezeichnung eines damit verbundenen beliebigen
Bauelementes
adressiert werden.
Für den obenstehenden Bandpass sind somit für die Ausgangsspannung als "Meßadresse"
folgende
Eingaben möglich:
Spannung an C2/Pin 2 oder R2/Pin 2: V(C2:2) bzw. V2(C2) oder V(R2:2) bzw. V2(R2).
Eine wesentliche Erleichterung der Arbeit gestattet die Verwendung der in der Toolbar enthaltenen
Symbole.
Im nachfolgenden Beispiel wird deshalb die Verwendung der Symbole der Texteingabe
vorgezogen.
Damit eventuelle Mängel im Verständnis der Schaltung und Fehler in der Schaltungsdimensionierung
weitestgehend vor der Simulation beseitigt sind, sollen Sie die folgende Kontrollaufgabe
lösen.
Kontrollaufgabe zum Demonstrationsbeispiel:
Berechnen Sie den Widerstand R1, gegeben sind ...usw.
Die erarbeitete Lösung wird in die
untenstehende Wertetabelle eingegeben.
Eine falsche Eingabe bzw. eine die intern vorgegebene Toleranz überschreitende Eingabe
führt durch
das Programm zur Fehlermeldung:
- "Wert liegt unterhalb Sollwert" bzw.
- "Wert liegt oberhalb Sollwert".
Ein Start des Simulationsprogrammes ist erst möglich, wenn der Fehler beseitigt wurde.
In diesem Demonstrationsbeispiel lautet die
richtige Lösung R1 = 3,3kOhm.
Eine ausführliche Beschreibung der einzelnen Simulationsschritte finden
Sie unter
