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Praktikum Circuit-Simulation 1 Dr. -Ing. T. Vangelov Circuit-Simulation mit PSpice Demo zur Lehrveranstaltung CAE-Entwurf diskret-kontinuierlicher (Hardware)Systeme V9.2 ss2002 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Informatik und Automatisierung Institut für Technische Informatik und Ingenieurinformatik Lehrgebiet Methodik des Hardwareentwurfs

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Praktikum Circuit-Simulation 1

Dr. -Ing. T. Vangelov

Circuit-Simulation mit PSpiceDemo

zur Lehrveranstaltung

CAE-Entwurf diskret-kontinuierlicher (Hardware)Systeme

V9.2 ss2002

Technische Universität IlmenauFakultät für Informatik und Automatisierung

Institut für Technische Informatik und IngenieurinformatikLehrgebiet Methodik des Hardwareentwurfs

2 Praktikum Circuit-Simulation

Zielstellung und Allgemeine Hinweise Mit dem Praktikum Circuit-Simulation werden zwei Zielstellungen verfolgt:

Durch Vorlesung, Übung, Selbststudium und/oder anderweitig erworbene Kenntnisse über elektronische Schaltungen sollen vertieft und auf praktische Beispiele angewendet werden.

Der Studierende soll mit modernen Werkzeugen zur Simulation elektronischer Schaltungen vertraut gemacht werden und deren Handhabung grundsätzlich kennenlernen.

Für die Circuit-Simulation steht das Produkt Orcad Family Release 9.2 Lite Edition für Microsoft Windows der Firma Cadence Design Systems als Demo-Version des Distributors Fa. Hoschar AG zur Verfügung.

Zur Vorbereitung zu hause kann diese Software (eine CD) im Fachgebiet Methodik des Hardwareentwurfs ausgeliehen werden.

Zur Installation von Orcad Family Release 9.2 Lite Edition beachten sie folgende Hinweise: Legen sie die CD ins Laufwerk und starten sie das File Setup.exe falls dies noch nicht automatisch erfolgt. Folgen sie den Anweisungen des Installationsprogramms. Im Fenster Select Products wählen sie die Systembestandteile Capture und PSpice!

Der Grundversuch gestattet einen schnellen Einstieg in Grundfunktionen des äußerst leistungsfähigen und sehr umfangreichen Simulationssystems Orcad mit seinen Bestandteilen Orcad Capture (Schaltungsentwurf) und Orcad PSpice A/D (A/D Simulation) anhand des Demonstrationsbeispiels "Busanordnung mit Open-Collector-Gattern und Optokoppler". Aus ihm sind die grundsätzlichen Arbeitsschritte zur grafischen Schaltungseingabe und zur Analyse der Schaltung im Zeitbereich (Transientenanalyse) zu erkennen. Für weitergehende Informationen wird auf die entsprechenden Handbücher und Fachliteratur sowie auf die umfangreiche Online-Hilfe des Systems verwiesen.

Grundlagen- und weiterführende Literatur:

/1/ Online Manuals. Demo-CD: “EDA for Windows 5.4” (Orcad Release 9.2)

/2/ Heinemann, Robert: PSpice : Einführung in die Elektroniksimulation ; Lehrgang, Handbuch, Kochbuch, Simulationssoftware mit europäischen Schaltzeichen und Transistoren 3., erw. Aufl., München [u.a.] : Hanser, c2001

/3/ Kurz, Günter: Elektronische Schaltungen simulieren und verstehen mit PSpice 1. Aufl., Würzburg : Vogel, 2000

/4/ Beetz, Bernhard: Elektronik-Aufgaben mit PSPICE : analoge und digitale Schaltungen mit ausführlichen Lösungen für OrCAD Capture ; mehr als 100 Aufgaben ; mit 33 Tabellen Hrsg. von Otto Mildenberger, Braunschweig [u.a.] : Vieweg, 2000

/5/ Graesser, Andreas ; Wiese, Jürgen: Analyse linearer elektrischer Schaltungen : klassische und moderne Berechnungsmethoden; Simulation mit PSpice und MATLAB Heidelberg : Huethig, 2001

/6/ Antonakos, James: Simulations for electronic devices using PSpice Prentice Hall 2002

Praktikum Circuit-Simulation 3

Demonstrationsbeispiel:

Circuit-Simulation mit dem Simulationssystem Orcad Capture/PSpice Busanordnung mit Open-Collector-Gattern und Optokoppler

1 Aufgabenstellung

Gegeben sei eine Busanordnung mit einem Open-Collector-Gatter 7405 als Sender und drei Nega-toren 7404 als Empfänger (Bild 1). Neben der Einhaltung der logischen Pegel und der zulässigen Strombelastung des Gatters 7405 muss zusätzlich der Minimalstrom IFmin durch die LED des Optokopplers bei L-Pegel auf der Bus-leitung gesichert werden (Bemessung von R2 ). Der Widerstand R1 dient als Messwiderstand zur Bestimmung von I LBUS , und R3 ist der Kollektor-Widerstand ( Pull Up ) des Fototransistors. R4 ist der Basisableitwiderstand (dient zur Entladung der Basis-Emitter-Kapazität während des Übergangs des Transistors vom leitenden in den gesperr-ten Zustand ). Für das vorliegende Demo-Beispiel sind alle Widerstandswerte vorgegeben. Zu beachten sind auch die spezifischen Kennwerte der verwendeten Bauelemente. Im Beispiel sind das im besonderen die Schaltzeiten des Optokopplers (µs ... ms).

Sie sind wesentlich größer als die Systemschaltzeiten von TTL-Schaltkreisen, das zwingt zu entsprechenden Angaben und Voreinstellungen für die Analyse (vgl. Pkt. 2.3).

R1

10

IN

U3A

7404

1 2

0

V1

TD = 100us

TF = 25usPW = 0.25msPER = 0.5ms

V1 = 0V

TR = 25us

V2 = 3.6V

Y3R3

10k

R4

470k

Y1

OUT

0

U2A

7404

1 2

U1A

7405

1 2

V3

AC = TRAN = DC = 5V

V2

AC = TRAN =

DC = 6V

Y2

U4A

7404

1 2U5A4N25

Bus

R2

470

Bild 1 Schaltplan des Demo-Beispiels "Busanordnung"

Es ist eine Simulation der Schaltung im Zeitbereich (Transientenanalyse) mit dem Simulationssystem Orcad Capture/ PSpice durchzuführen! Die Simulationsergebnisse sind mit den erwarteten Werten zu vergleichen!

4 Praktikum Circuit-Simulation

2 Lösungsweg Zur Lösung steht das Produkt Orcad Family Release 9.2 Lite Edition der Firma Cadence Design Systems als Windows-Demoversion der Fa. Hoschar AG zur Verfügung.

Vollziehen Sie nun die nachfolgend beschriebenen Lösungsschritte an Ihrem Computer nach!

2.1 Starten des Systems Starten Sie aus Windows heraus das Capture Lite Edition -Schaltungsentwurfstool in der Gruppe Orcad Family Release 9.2 Lite Edition. Erstellen Sie ein neues Projekt über File → New → Project.... Wählen Sie in dem dann folgenden Dialogfenster einen Namen, ein Verzeichnis und die Art Ihres Projektes ( Analog or Mixed A/D) wie in Bild 2 dargestellt.

Bild 2 Fenster zur Erstellung eines neuen Projektes

Name - Tragen sie einen Namen im Dialogfenster New Project ein

Create a New Project Using - Analog or Mixed A/D auswählen

Location - …\OrcadLite\Praktikum

Bestätigen Sie über den OK-Button und wählen sie dann im folgenden Dialog: Create a blank Project. Daraufhin erscheinen 3 Teilfenster. Das Project Manager-Fenster („Name“.opj) beinhaltet eine Übersicht über alle im Projekt benutzten Dateien. Im Schematic Page Editor-Fenster (SCHEMATIC1:PAGE1) wird die Schaltung eingegeben. Das Session Log-Fenster dient zur Ausgabe von Systemmeldungen. Zwischenspeichern während der laufenden Schaltplaneingabe (durchaus empfehlenswert) erfolgt dann über Menü File → Save.

Praktikum Circuit-Simulation 5

2.2 Grafische Eingabe des Schaltplanes

2.2.1 Auswahl der Bibliothek, Bauelementeauswahl und Platzierung

Über Place... → Part... bzw. Shift+P (vgl. Bild 3) können aus den angebotenen Bibliotheken alle erforderlichen Bauelementesymbole für den Schaltplan (Schematic) entnommen und anschließend frei platziert werden. Die Tabelle 1 hilft Ihnen, die Namen der verwendeten Symbole in den vorhandenen Bibliotheken zu finden (vgl. Schaltung in Bild 1). Bevor ein Bauelement überhaupt gewählt werden kann, muss die entsprechende Bibliothek eingebunden werden. Um eine Bibliothek einzubinden, gehen Sie auf Add Library... und wählen Sie im Fenster Browse File die benötigte Bibliothek aus (in dem voreingestellten Verzeichnis …\OrcadLite\Capture\Library\Pspice). Wenn die Bibliothek unbekannt ist, ermitteln sie diese über den Button Part Search….

Bild 3 Fenster zur Auswahl eines Bauelementes

Die Bauelementeauswahl und der Platzierungsvorgang können nach folgenden Schritten erfolgen: 1. Das gewünschte Bauelement wird in der Part List der aktuellen Bibliothek ausgewählt (s. Bild

3) oder über: Place... → Part... → Part Search... bzw. Shift+P... → Part Search... gesucht.

2. Die richtige Auswahl wird über OK-Klick bestätigt. Das Bauelement erscheint als grafisches Schematic-Symbol unter dem Mauszeiger. Zum Schematic-Symbol gehören eine fortlaufende Nummer des Bauelementes (Part Reference) und eine Wertzuweisung (Value).

3. Mit einfachem Maus-Klick (linke Maustaste) wird das Symbol auf dem Schematic abgelegt.

Jeder weitere einfache Klick bewirkt den Aufruf des gleichen Bauelementetyps sowie die fortlaufende Nummerierung.

Ein drücken der ESC-Taste beendet diesen Vorgang und markiert das zuletzt abgelegte Bauelement (Markierungsfarbe rosa + Markierungsrahmen).

Lageveränderungen (Verschieben, Rotieren, Spiegeln) eines Bauelementes können vorgenommen werden, wenn es markiert ist (dazu nicht markierte Bauelemente erneut anklicken).

Ziehen auf eine andere Position im Schematic ist dann bei gedrückter Maustaste möglich. Weiter sind Rotation und Spiegelung mit markierten Bauelementen durchführbar:

Edit → Rotate bzw. Ctrl+R: Rotieren um 90° Edit → Mirror... Horizontal bzw. H: Horizontal Spiegeln Edit → Mirror... Vertical bzw. V: Vertikal Spiegeln

6 Praktikum Circuit-Simulation

Das Verschieben eines, mehrerer oder aller Bauelemente ist über das Ziehen eines Rahmens möglich. Dazu wird bei gedrückter linker Maustaste ein Rahmen von links oben bis nach rechts unten über die gesamte ausgewählte Bauelementegruppe gezogen. Der Rahmen muss alle betroffenen Elemente überdecken bzw. schneiden. Wird nun die Maustaste losgelassen, sind alle Bauelemente rosa markiert. Nach Anklicken im Innern des Rahmens kann nun bei festgehaltener linker Maustaste die markierte Bauelementegruppe an die gewünschte Stelle auf dem Schematic gezogen werden. Lageveränderungen und viele andere Operationen (wie z. B. Kopieren) mit einem Bauelement können auch vorgenommen werden, indem man das Element markiert, die rechte Maustaste betätigt und die gewünschte Operation auswählt.

Beim Kopieren und Einfügen von Bauelementen ist auf die richtige Nummerierung der Gatter zu achten (jedes Gatter muss einen anderen Part Reference haben!)

Anschlussklemmen werden über Place → Off-Page-Connector... platziert. In diesem Versuch wird als Connector OFFPAGELEFT-R benutzt. Das Massesymbol wird über Place → Ground... ausgewählt. Für die Simulation ist es wichtig, hier das Symbol 0 der Bibliothek SOURCE auszuwählen (ggf. über Add Library... einbinden). Wird ein anderes Massesymbol verwendet, muss unbedingt der Name auf 0 geändert werden (Doppelklick auf das Symbol und bei Name vom Dialogfenster Property Editor 0 eingeben)!

Name des Bauelementes

Name des Symbols in der Bibliothek

enthalten in der Bibliothek

Widerstand R analog.olb Kondensator C analog.olb

Inverter mit 1 Eingang

Open-Collector-Ausgang

7405 eval.olb

Inverter mit 1 Eingang

Gegentaktausgang

7404 eval.olb

Optokoppler mit Fototransistorausgang

A4N25 eval.olb

Betriebsspannung VSRC source.olb Pulsquelle VPULSE source.olb

Tabelle 1: Bauelemente zum Demo-Beispiel, Zuordnung zu Bibliotheken im Place-Fenster

Praktikum Circuit-Simulation 7

2.2.2 Verdrahtung Die nach o.g. Schritten platzierten Bauelemente müssen durch Leitungen verbunden ("verdrahtet") werden. Dazu sind im einzelnen folgende Schritte nötig: 1. Über das Menü Place → Wire bzw. Shift+W erscheint ein Zeichenkreuz unter dem Mauszeiger.

2. Markieren Sie durch linken Maus-Klick den Anfangspunkt einer Leitungsverbindung. Bei Ziehen der Maus entsteht eine Linie, die die Leitung symbolisiert. Jedes erneute Klicken mar-kiert einen Knickpunkt oder das Ende des Leitungsabschnittes.

3. Das Ende einer Leitung muß durch ein Doppelklicken gekennzeichnet werden, falls es nicht mit einem Bauelement oder einer anderen Leitung verbunden wird. Daraufhin können weitere Verbindungen eingezeichnet werden! Ist die Verdrahtung beendet, wird durch Drücken der ESC-Taste (oder durch Rechtsklicken und End Wire wählen) der Verbindungsmodus verlassen und das Kreuz nimmt wieder die Gestalt des Mauszeigers an. Dabei bleibt das letzte Leitungs-segment rosa markiert.

Eine Leitung muss an einem Bauelement bzw. an einem bestehenden Leitungssegment begin-nen und (typisch an einem anderen) enden! Eine Leitung kann auch mit einer Anschluss-klemme abgeschlossen werden.

Der Verlauf ist standardmäßig orthogonal und rastet auf dem sichtbaren grauen Gitter ein. Das kann geändert werden, indem bei Markieren des Anfangspunktes die Shift-Taste gehalten wird, so daß Leitungen in jede Richtung zeigen und auch außerhalb des Rasters liegen können. Verschieben und Rotieren bzw. Spiegeln erfolgt wie unter Pkt. 2.2.1 beschrieben.

2.2.3 Angabe von Bauelementeeigenschaften (Properties) Während oder nach der Platzierung der Bauelementesymbole auf dem Schematic müssen so ge-nannte Properties für einige Bauelemente (z.B. Reference, Value, u. a. Kennwerte) eingetragen werden. Über Edit → Properties... oder Ctrl+E oder durch Doppelklick auf ein Bauelement öffnet man das Dialogfenster Property Editor des markierten Elementes (Bild 4). Wählen Sie in der Liste Filter by: die Option Orcad-PSpice. Darin können bauelementeabhängig ggf. nur wenige bzw. sehr viele Properties zu setzen sein. Bei vielen Bauelementen stehen die Properties auch im Schematic und können dort verändert werden!

Bild 4 Dialogfenster für die Property-Eintragung

8 Praktikum Circuit-Simulation

Bild 4 zeigt stellvertretend das Dialogfenster für die im Beispiel verwendete Pulsquelle VPULSE. Dabei sind für die Eingabe von Bedeutung (vgl. auch Bild 5): - V1 Anfangswert der Pulsspannung - V2 Endwert der Pulsspannung (Spannungswert währen der Pulszeit PW) - TD Anfangsverzögerungszeit für den Beginn der Pulsfolge bezogen auf t = 0 - TR Zeitdauer der Pulsflanke bei Übergang von V1 nach V2 - TF Zeitdauer der Pulsflanke bei Übergang von V2 nach V1 - PW Pulsbreite (Zeitdauer des Impulses) - PER Periode Die Elemente VSRC, R, C, und OFFPAGELEFT-R sind ebenfalls mit Properties zu versehen.

Die Properties der aktiven Bauelemente (Schaltkreise, Transistoren, ...) sowie 0 (Masse) müs-sen nicht verändert werden. Das System stellt entsprechende Default-Werte zur Verfügung.

V2

V1

V

tV1 < V2

PW TF

PER

TRTD

V

V1

V2

V1 > V2

PER

PWTD

t

TR TF

Bild 5 Pulsdefinition in PSPICE (einzutragen in die Maske nach Bild 4)

2.2.4 Schematic ändern Für Änderungen vorgegebener Schematics (Korrekturen, andere Bauelemente, ...) bzw. zur Schal-tungsverifikation stehen im Menü Edit verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung:

Edit → Cut (Ctrl+X) schneidet markierte Symbole aus und kopiert sie in die Zwischenablage Edit → Copy (Ctrl+C) kopiert markierte Symbole in den Zwischenablage Edit → Paste (Ctrl+V) fügt den Inhalt der Zwischenablage (beliebig oft) in den Schaltplan

ein Entfernen von markierten Bauelementen erreicht man auch einfach durch Betätigung der Tas-

te Entf (delete).

Praktikum Circuit-Simulation 9

2.2.5 Vorbereitung zur Simulation

Sichern Sie am Ende Ihrer Schaltplaneingabe über File → Save das erzeugte Schematic!

Das Simulationssystem bietet eine Möglichkeit die eingegebene Schaltung nach bestimmten elektrischen Kriterien (Electrical Rule Check, ERC) zu prüfen. Dazu wählen sie im Project Manager-Fenster ihr Design (SCHEMATIC1) aus und starten im Menü Tools → Design Rules Check…. Nutzen sie dabei die voreingestellten Optionen im nachfolgend erscheinenden Fenster Design Rules Check und klicken sie auf OK. Im Falle einer Fehleranzeige werden Sie darauf aufmerksam gemacht: Sie finden eine genauere Fehlerbeschreibung im Session Log-Fenster. Darüber hinaus werden die Fehlerquellen im Schematic besonders markiert (grüne Punkte).

Gegebenenfalls kann die Korrektheit der Netzliste auch über PSpice → Create Netlist geprüft werden.

Die Eingabe und Verifikation des Schaltplanes ist i.a. ein iterativer Prozess. Entsprechend sind die Schritte nach den Punkten 2.2.1 - 2.2.5 ggf. mehrfach zu wiederholen.

2.3 Schaltungssimulation

2.3.1 Voreinstellungen, Wahl der Analyseart

Bevor man mit der Simulation beginnt, müssen über PSpice → New Simulation Profile einige Voreinstellungen vorgenommen werden. Dazu wird zunächst ein Name für das Simulationsprofil gewählt. Im anschließenden Dialogfenster Simulation Settings wird im Folder Analysis unter Analysis type: der Eintrag Time Domain (Transient) ausgewählt (Bild 6). In Bild 6 sind bereits sinnvolle Werte für das Demo-Beispiel angegeben, die Sie bitte auch an Ihrem Computer so eintragen.

Run to time: steht für das gewählte Simulationszeitintervall. Sinnvolle Werte sind u.a. di-rekt von den Parametern der Pulsquelle VPULSE abhängig. Für den in Bild 4 gezeigten Wert PER (Periode) sollte mindestens eine volle Periode des Zeitverlaufes der Spannung von VPULSE gewählt werden.

Die Berechnungs-Schrittweite wird vom System automatisch gewählt. Unter Maximum step size ist keine Eingabe erforderlich.

Bild 6 Voreinstellungen für die Transientenanalyse

10 Praktikum Circuit-Simulation

2.3.2 Simulationslauf starten Aktivieren Sie PSpice → Run, um die Simulation zu starten. Es erfolgt automatisch ein ERC-Check und das Netlist-File wird noch einmal erzeugt. Es öffnet sich das PSpice A/D-Analysefenster Probe window, die Simulation läuft. Das Fortschreiten der Simulation kann im rechten unteren Teilfenster verfolgt werden (Time Step, Time und End). Im unteren linken Teilfenster werden die gerade ablaufenden Aktionen angezeigt. Falls die Werte im oben erwähnten Dialogfenster Simulation Settings (PSpice → Edit Simulation Profile) richtig eingegeben wurden, läuft die Darstellung der Simulationsergebnisse automatisch an. Über das Menü Trace → Add Trace... muss eine Auswahl der darzustellenden Signale getroffen werden. Nach erfolgtem OK-Klick werden die Zeitverläufe sichtbar (Bild 7). Die Auswahl der darzustellenden Signale kann auch durch die Option Markers ganz effizient erfolgen (s.Pkt. 2.3.4).

Bild 7 PSpice A/D-Analysefenster Probe window mit dem Eingangssignal IN (Pulsquelle V1) und dem Ausgangssignal OUT (Kollektor des Ausgangstransistors des Optokopplers)

2.3.3 Schaltungsverifikation Anhand der dargestellten Simulationsergebnisse (Signalverläufe) kann die Schaltung auf korrekte Funktion geprüft werden. Falls die Ergebnisse nicht den Erwartungen entsprechen, muss das Projekt (Schaltung, Bauelementeparameter, Testsignale usw.) evtl. korrigiert werden.

Praktikum Circuit-Simulation 11

Über Windows-Taskumschaltung (Alt+Tab) gelangt man zurück zu Orcad Capture. Dort kann man z. B. durch Doppel-Klick auf im Schematic sichtbare Bauelementeparameter Dialogfenster für zugehörige Wertänderungen öffnen. Der o.g. Weg (Abschnitt 2.2.3) zur Änderung von Properties über Edit → Properties... oder Ctrl+E ist genauso möglich, wenn zuvor durch einfaches Anklicken das entsprechende Symbol im Schematic markiert wurde. Änderungen der Schaltungsstruktur (andere bzw. zusätzliche Bauelemente) erfolgen nach den Ausführungen in Abschnitt 2.2.

2.3.3.1 Auswertung mit Hilfe der Cursor-Funktion

Um einzelne exakte Spannungswerte aus der grafischen Darstellung (Probe window) zu entnehmen, ist es möglich die Cursor-Funktion über den Menüpunkt Trace → Cursor → Display oder durch einen Klick auf den Button Toggle Cursor in der Symbolleiste zu aktivieren. Daraufhin öffnet sich das Fenster Probe Cursor und es erscheinen zwei Fadenkreuze in der Grafik (überlappt im Koordinatenursprung). Nun ist es möglich jedem Cursor eins der dargestellten Signale zuzuordnen. Die Signalnamen befinden sich unterhalb der Zeitachse und sind durch Markierungssymbole verschiedener Farben auswählbar.

Klick auf ein Markierungssymbol mit der linken Maustaste wählt Cursor 1 Klick auf ein Markierungssymbol mit der rechten Maustaste wählt Cursor 2

Jetzt kann mit dem jeweiligen Cursor (durch Halten der linken bzw. rechten Maustaste in der Grafik) das Signal abgetastet werden, dabei werden im Fenster Probe Cursor in der linken Spalte die Zeit und in der rechten die entsprechende Signalamplitude der aktuellen Cursorpositionen sowie deren Differenz angezeigt.

2.3.4 Arbeiten mit dem Markers-Menü Zur Arbeitserleichterung sind so genannte Marker (Markierungen) vorgesehen. Durch Eintragung von Markierungen in das Schematic kann man das sonst bei jedem Simulationslauf notwendig werdende erneute Auswählen von anzuzeigenden Signalen vermeiden bzw. den Aufwand dafür reduzieren. Im Menü PSpice → Markers... findet man eine Auswahl von Marker-Typen. Zum Beispiel: Einfach-Klick auf Voltage Level verwandelt den Cursor in das Marker-Symbol, welches auf dem Schematic genau wie ein Bauelementesymbol an den gewünschten "Messstellen" mehrfach abgelegt werden kann. PSpice A/D zeigt dann die so markierten Signale nach jedem Simulationslauf mit ihren Spannungszeitverläufen automatisch an. Beim Einsatz von Markern des Typs Current Into Pin werden Stromzeitverläufe angezeigt usw.

Zur Vorbereitung klickt man bei den Simulations Settings (PSpice → Edit Simulation Profile) auf den Button Probe Window und bei Show wählt man → All markers on open schematics.

Für die bessere Erkennung der Messstellen können die Leitungssegmente in unmittelbarer Nähe der eingesetzten Marker über den Menüpunkt Place→ Net Alias... mit Namen versehen werden.

Vorsicht: Leitungen und Anschlussklemmen mit dem gleichen Namen werden elektrisch miteinander verbunden (kurzgeschlossen).

12 Praktikum Circuit-Simulation

!!! Hinweise zur Praktikumsvorbereitung:

Erläutern Sie die Funktion der Schaltung.

Skizzieren Sie die wesentlichen Zeitverläufe qualitativ.

Überprüfen Sie die Sinnfälligkeit der angegebenen Widerstandswerte.

Machen Sie sich mit den im Pkt. 2 angegebenen Arbeitsschritten zur Schaltungseingabe, -verifikation und -simulation vertraut.

Circuit-Simulation digitaler Schaltungen

K2 Monoflops

Monoflops sind Kippschaltungen mit einem stabilen und einem meta- bzw. quasistabilen Zustand(Univibrator). Der quasistabile Zustand kann nur für eine begrenzte Zeit, die sogenannte Verweil-oder Haltezeit tH , eingenommen werden. Wird ein Monoflop durch einen Eingangsimpuls in diesenZustand gebracht, so kippt der Ausgang nach Ablauf der Haltezeit in den stabilen Zustand zurück. Im Interesse steiler Ausgangsflanken (unabhängig von der Steilheit des Eingangssignales) werdenmeist rückgekoppelte Kippschaltungen zur Realisierung eingesetzt. Das monostabile Verhaltenwird dabei durch zeitabhängige Rückführungen erreicht (Verzögerungsglieder, RC-Beschaltung). Typische Anwendungsfälle für Monoflops sind z. B. die Erzeugung breiter Ausgangsimpulse zurAnsteuerung elektromechanischer Einheiten und die Laufzeitkontrolle in Überwachungseinheiten .

K 2.1 Monoflop mit Logikgattern

Ein Monoflop läßt sich z. B. aus zwei NAND- oder zwei NOR-Gattern aufbauen. Bild K 2.1 zeigtzwei Schaltungsvarianten mit NAND-Gattern.

&

&

e1

&&

C

DR

Q2

e1

e2R

DC

Q1

Q2

e1

Q1

e2

Q2

t

t

t

t

SU

T

TTQ1

e2

t1 t2 t3 t4 t5

H

L

Bild K 2.1: Monoflops mit NAND-Gattern und Differenzierglied, Zeitverläufe

Im Ruhezustand gilt: Q1 = L, Q2 = H, e1 = H, e2 = L (Widerstand R entsprechend bemessen !).

Mit einer HL-Flanke an e1 schaltet der Ausgang Q1 auf H-Pegel. Dieser Spannungssprung ( UQ1)wird in voller Höhe über den Kondensator C auf den Eingang e2 übertragen (e2 = H), und derAusgang Q2 schaltet auf L-Pegel. Über die Rückkopplung wird dieser Zustand gehalten, auchwenn das Eingangssignal e1 wieder in den Ruhezustand zurückkehrt (Bild K2.1, Zeitverläufe).Der Kondensator C wird nun über den Widerstand R und den Ausgang Q1 aufgeladen. DieSpannung am Eingang e2 wird dabei in Richtung ihres stationären Wertes (L-Pegel) abgebaut.Nach Ablauf der Haltezeit T = tH erreicht die Spannung an e2 den Wert Ue2 = US

(Umschaltschwelle des Gatters). Der Ausgang Q2 schaltet zurück auf Q2 = H. Der Ausgang Q1behält den H-Pegel, bis am Eingang e1 = H auftritt. Ein neuer Zeitvorgang kann nach der Erholzeit tE = t4 - t3 gestartet werden.

CAE Circuit-Simulation K 2.1

Der Zustand e2 = H, Q1 = L existiert nicht, damit ist die Gleichspannungskopplung von Q1 auf denEingang des zweiten Gatters in Bild K 2.1 (oben) überflüssig, beide angegebenen Schaltungenhaben das gleiche Zeitverhalten.

Für die Spannung am Eingang e2 gilt:

Ue2(t) = Ue2L + UQ1e− t−t1RC .

( für die Aufladung: )UQ1 = UQ1H −UQ1L

Daraus folgt T = tH = RC lnUQ1

US−Ue2L.

Voraussetzung für die beschriebene Funktion ist, daß die stationäre Spannung an e2 den maximalenEingangs-L-Pegel nicht überschreitet. Damit ist eine Bemessungsvorschrift für den Widerstand Rgegeben:

.R [ Ue2LmaxIe2Lmax

Die Diode D in den angegebenen Schaltungen verhindert negative Überspannungen am Eingang e2und verkürzt gleichzeitig die Erholzeit. Äquivalente Schaltungen können mit NOR-Gatternrealisiert werden.

K 2.2 Monoflops mit speziellen Schaltkreisen

Wesentlich bessere und stabilere Eigenschaften lassen sich mit integriertenMonoflop-Schaltkreisen erreichen, die in den verschiedenen Schaltkreisfamilien angeboten werden(z. T. mit Kompensation von Temperatur- und Betriebsspannungseinflüssen, stabile und genaueUmschaltschwellen). Durch Anschalten eines externen RC-Gliedes (

) lassen sich Haltezei- ten in großen Bereichen einstellenR1 = 1k ...1M ,C = 1nF...10 F(typisch tH = 10 ns ... 100 s). Geeignete Schaltkreise sind z. B. :{ LS-TTL: 74LS121, 74LS123, LM 555;{ CMOS: CD 4538, 74HCT123, ICM 7555.

> 1

> 1

R

R

R

3

7

48

65

2

1

OUT

RES

GND

V+

555

S

R

/Q

C

1

C C U

R

t

t

2U

3U

H t

2 T U

H t = CR ln 31

U+

Q

Bild K 2.2: Monoflop mit Timer 555

K 2.2 CAE Circuit-Simulation

Einige typische Daten (LM 555):

v Versorgungsspannung UCC = (4,5 ... 16) V

v Ausgangsspannung U3L = 0,3 VU3H = UCC - 1,7 V bei |I3 | = 100 mA

v Ausgangsstrom I3zul < 200 mA

v Schwellwerte bei UCC = 15 V:{ Triggerschwelle U2T = 5,02 V (Hinw.: U2 = Spannung am Pin 2){ Schaltschwelle U6T = 10,02 V{ Rückschwelle U4T = 0,56 V

v Dynamische Kennwerte:{ Anstiegszeit tr = 90 ns{ Abfallzeit tf = 70 ns

v Im RESET-Zustand liegt der Ausgang (Pin 3) auf L-Pegel und der Entladetransistor istgesättigt.

K 2.3 Retriggerbare Monoflops

In den oben beschriebenen Monoflopschaltungen wird die metastabile Phase von der aktivenFlanke des ersten Steuerimpulses ausgelöst. Weitere Impulse innerhalb der Haltezeit tH bleibenwirkungslos.Soll die Haltezeit erst vom letzten Impuls einer Impulsgruppe an gerechnet werden, so müssensogenannte retriggerbare Monoflops eingesetzt werden. Jeder ankommende Impuls amTriggereingang setzt das Monoflop in den quasistabilen Zustand zurück bzw. hält es in diesemZustand. Der Ausgang schaltet damit erst um die Haltezeit tH verzögert nach dem letzten Impulseiner Impulsgruppe in den stabilen Ruhezustand zurück.Typische Anwendungen retriggerbarer Monoflops sind Laufkontrollen für Motoren, fürProgrammzyklen (watch-dog-Schaltungen) usw.Bild K 2.3 zeigt ein retriggerbares Monoflop mit dem Timer-Schaltkreis 555; dabei wird dieEigenschaft als Präzisions-Schmitt-Trigger ausgenutzt. Zur Entladung des Kondensators C mußein externer Transistor T verwendet werden.

> 1

> 1

R

R

R

3

7

48

6

5

2

1

OUT

RES

GND

V+

2 - TRIGGER5 - CONTROL VOLTAGE6 - THRESHOLD

555

S

R

/Q

CC U

R1

C e U

T

t

e U

2 U

t

t

t

5 U

H

Q

OUT

Ucex

Ucc

Rb

U+

e

Bild K 2.3: Retriggerbares Monoflop mit dem Timer-Schaltkreis 555

CAE Circuit-Simulation K 2.3

Zur Funktionsweise der Schaltung:

Steigt die Kondensatorspannung über den Wert , so wird das Flipflop rückgesetzt undU5 = 23 UCC

damit der Ausgang OUT auf tiefes Potential geschaltet (U3 = L).

Wird der externe Transistor T über einen Triggerimpuls Ue leitend, entlädt sich der Kondensator C,und die Spannung U2 = U6 sinkt unter die Triggerschwelle U2T . Das Flipflop wird gesetzt, und derAusgang geht auf hohes Potential.

Mit jedem weiteren Triggerimpuls innerhalb der Haltezeit tH wird dieser Anfangszustand desquasistabilen Zustandes wieder hergestellt.

Mit den spezifischen Werten des Schaltkreises ergibt sich die Haltezeit näherungsweise zu

.tH = CR1 ln 3

Aufgaben zur Schaltungssimulation:

Überprüfen Sie die ordnungsgemäße Funktion der Schaltungen aus den folgenden Aufgaben durchSimulation mit dem Circuit-Simulator PSpice. Für die bessere Veranschaulichung derSimulationsverläufe sollen die Zeitdauer der Test-Eingangssignale und das Simulationszeitintervall(Run to time) entsprechend gewählt und angepaßt werden, z.B. sind einige Impulse bzw.Perioden des Eingangssignals ausreichend als Simulationszeitintervall.

Aufgabe 1:

Mit Gattern des TTL-Schaltkreises 7400 und einem RC-Glied soll ein Monoflop nachBild K 2.1(unten) realisiert werden. Die Kennwerte der Gatter (wie z.B.: UOH , UOL , US , IIL usw.)sind der Tafel 1 zu entnehmen.

Aufgabe 2:

Ein Monoflop mit dem Timer-Schaltkreis 555 nach Bild K 2.2 soll bei UCC = 15 V eineHaltezeit tH = 100 ms besitzen. Wählen Sie den Ladewiderstand R1 so, daß der Ladestrom IL imUmschaltpunkt den Wert IL = 0,25 mA erreicht.

Aufgabe 3:

Mit dem Timer-Schaltkreis 555, einem externen Schalttransistor T (UCEX 0,2 V) und einem[RC-Glied (R1 , C) wird ein retriggerbares Monoflop nach Bild K 2.3 als Überwachungsschaltungfür eine Impulsfolge am Eingang e realisiert. Sie soll das Überschreiten eines maximalenImpulsabstandes ti max ( tH ) signalisieren. Bemessen Sie den externen Widerstand R1 bei C = 2 Fund UCC = 5 V für ti max = 21 ms !

K 2.4 CAE Circuit-Simulation

(0 ... 70) °C Umgebungstemperatur(4,5 ... 5,5) V(4,75 ... 5,25) V UCC Speisespannung

(meist bei CL = 15 pF)

5 ns 6 ns 5 ns typ tHL (am Ausgang, 10 ... 90 %)

5 ns 9,5 ns 10 ns typ tLH Impulsflanke

5/ ns 10/15 ns 7/15 nstyp/max tDHL

2,0/ ns 4/ ns 9/15 ns 11/22 nstyp/max tDLH Verzögerungszeit

0,4/0,75 mA 0,6/1,1 mA 3/5,5 mAtyp/max ICCL (je Gatter)

0,1/0,2 mA 0,2/0,4 mA 1/2 mAtyp/max ICCH Speisestrom

bei UOH = UOHmin

1,0 mA 0,4 mA 0,4 mA 0,4 mA max -IOH

bei UOL = UOLmax

20 mA 8 mA 8 mA 16 mA max IOL Ausgangsstrom

bei UIH = UOHmin

0,02 mA 0,02 mA 0,02 mA 0,04 mA max IIH

bei UIL = UOLmax

0,6 mA 0,2 mA 0,4 mA 1,6 mA max -I IL Eingangsstrom

1,4 V 1,1 V 1,1 V min US Schwellspannung *

2,4 V 2,7 V 2,7 V 2,4 V min UOH

0,5 V 0,5 V 0,5 V 0,4 V max UOL Ausgangsspannung

2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V min UIH

0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V max UIL Eingangsspannung

74F00 74ALS00 74LS00 7400= 25 oC bei UCC = 5V und TTL-Baureihen Kennwerte

* bei Gattern mit Schmitt-Trigger-Eingängen liegen die typischen Werte von US bei: 1,7 V 1,6 V für LH-Flanke 0,9 V 0,8 V für HL-Flanke

bei Monoflop-IS gilt: 1,4 V 1,55 V für LH-Flanke 1,4 V 1,35 V für HL-Flanke

Tafel 1: Statische und dynamische Kennwerte von TTL-Baureihen (NAND-Gatter

CAE Circuit-Simulation K 2.5

Circuit-Simulation analoger SchaltungenV 4 Instrumentationsverstärker Viele Sensoren können die Meßgröße nur als kleines elektrisches Strom- bzw. Spannungssignalabbilden, dem häufig auch noch Gleichtaktstörungen überlagert sind. Zur Verstärkung dieserSignale werden spezielle Verstärker verwendet ( Instrumentationsverstärker, Isolationsverstärker ). Instrumentationsverstärker sind Differenzverstärker mit sehr großem Eingangswiderstand zurVermeidung von "Belastungsfehlern" der Signalquelle und sehr hoher Gleichtaktunterdrückung.Isolationsverstärker trennen zusätzlich noch den Eingangskreis galvanisch vom Ausgangskreis.Weitere allgemeine Anforderungen an Instrumentationsverstärker sind:{ Lineare und genaue Verstärkung der Differenzeingangsspannung,{ Einstellbarer Verstärkungsfaktor (über einen Widerstand),{ Niedrige Drift und geringes Rauschen,{ Kurze Einschwingzeiten (Multiplexbetrieb).

V 4.1 Differenzverstärker mit OPV

Wird gleichzeitig an beiden Eingängen eines OPV eine Signaleinspeisung vorgenommen, soentsteht eine Differenzverstärker- bzw. Subtrahierschaltung (Bild 4.1). { Bei geeigneter Bemessung der Widerstände wird unter Annahme hinreichend idealer OPV

nur die Differenz der Eingangssignale mit dem Faktor V verstärkt.

Uo = −R2R1

U1 + R4R3+R4

1 + R2R1

U2

Uo = V ( U2 − U1) fur V = R2R1

= R4R3

Bild 4.1: Differenzverstärker mit OPV, Grundschaltung

Subtrahierer bzw. Differenzverstärkerschaltungen mit hochohmigen "Elektrometer"-Eingängenzeigt Bild 4.2. Sie finden auch als Instrumentationsverstärker Anwendung (vgl. Abschnitt 4.3).

+

+

-

-

1 R

3 R

3 R

2R

2 R

1 U

2 U

o U

+

-

-

+

-

+

R R

RR

1 R

2 R

2 R

2 U

1 U

1U*

U*2

o U

Uo = 1 + 2 R2R1

+ R2R3

(U2 − U1 ) Uo = 1 + 2 R2R1

(U2 − U1 )

Bild 4.2: Unsymmetrische und symmetrische Differenzverstärkerschaltungen mit OPV

CAE Circuit-Simulation V 4.1

D U

1 U

2 U

1 2 R R

4 R

3 R

+ o

U -

{ Vorteilhaft an beiden Schaltungen ist, daß im Falle eines Differenzverstärkers dergewünschte Verstärkungsfaktor mit nur einem Widerstand R 1 "programmiert" werden kann.Sie werden als sogenannte PGA (programmable gain amplifier) sowohl als monolithische alsauch hybride Schaltkreise angeboten.

{ R 1 ist als externer (Präzisions-)Widerstand vom Anwender einzusetzen{ Die symmetrische Verstärkerschaltung ist bezüglich der Widerstandsbemessung etwas

vorteilhafter als die unsymmetrische Schaltung.

V 4.2 Endliche Gleichtaktunterdrückung

Bei nichtinvertierenden und bei Differenzverstärker-Schaltungen mit OPV tritt eine sogenannteGleichtaktaussteuerung auf. Sie wird im wesentlichen durch Unsymmetrien in derDifferenzeingangsstufe der OPV hervorgerufen. Dabei gilt:

Ugl Ue bzw. UD = Ue1 - Ue2 +Ugl .l{ Im Ersatzschaltbild kann die Gleichtaktaussteuerung durch eine Spannungsquelle in

Ugl

GReihe zu einem der beiden OPV-Eingänge netzwerkgerecht erfaßt und beschrieben werden.Typische Werte sind Uglmax = 5 V und G = 103 ... 104 (G-Gleichtaktunterdrückung, CMRR).!

{ Mit steigender Frequenz sinkt die Gleichtaktunterdrückung G eines OPV.

Die Gleichtaktaussteuerung kann zu erheblichen Fehlern führen und muß bei Anwendungen mithohen Genauigkeitsanforderungen berücksichtigt werden{ Bei kleinen Differenzspannungen am Eingang können wegen der Gleichtaktverstärkung

eines realen OPV große Fehler auftreten. { Auch Abweichungen (im % - %o - Bereich) von den idealen Widerstandsverhältnissen

zur Realisierung der Differenzverstärkung in der Grundschaltung nach Bild 4.1V = R2R1

= R4R3

bewirken eine Verringerung der Gleichtaktunterdrückung G und damit einen Ausgangsfehler.Für erhält man die wirksame GleichtaktverstärkungR2

R1= V, R4

R3= V + und U1 = U2 = Ugl

der Differenzverstärker-Grundschaltung nach Bild 4.1 zu und damit für dieVgl = 1+ +V

Gleichtaktunterdrückung .G = VVgl

= V(1+ +V)

Bei konstanter Verstärkung V ist bei idealen OPV die Gleichtaktunterdrückung G umgekehrtproportional zur Toleranz der Widerstandsverhältnisse. { G wird unendlich, wenn die Widerstandsverhältnisse exakt gleich sind. { Andererseits kann bei realen OPV die endliche Gleichtaktunterdrückung durch geringfügige

Variation des Widerstandsverhältnisses angehoben werden. R4R3

Bei realen Verstärkern kann eine Gleichtaktspannung einen beträchtlichen Ausgangsfehlerbewirken.{ Infolge der unvermeidbaren Unsymmetrien im technologischen Aufbau wird die Gleichtakt-

spannung Ugl in eine Differenzspannung zwischen den Eingangsanschlüssen des Verstärkersumgesetzt, die sich dem Nutzsignal überlagert und die Messung verfälscht(Gleichtakt-Gegentakt-Konversion).

{ Zusätzlich wirkt Ugl als Gleichtakt-Eingangssignal am Verstärker und kann einen Fehler imAusgangssignal hervorrufen (Forderung nach hoher Gleichtaktunterdrückung, CMRR).

V 4.2 CAE Circuit-Simulation

V 4.3 Instrumentationsverstärker

Typisch treten bei der Meßwerterfassung Gleichtaktstörquellen in Form von Gleichspannungen ( Erdströme ) und Wechselspannungen mit Netzfrequenz ( einschließlich Oberwellen ) auf. Zur fehlerfreien Verarbeitung werden sogenannte Instrumentationsverstärker eingesetzt. Siemüssen echte Differenzverstärker sein, denn Verstärker mit unsymmetrischer Eingangsstufekönnen Differenzsignale nicht von Gleichtaktsignalen trennen ( Bild 4.3 a).

-

+ -

+ -

+

R1 R2

R3

R4

gl U

e2 U e1 U O U

e1U

e2 U D -

+

R2R1

gl U eUO U

a) invertierender Verstärker b) Differenzverstärker

U

Bild 4.3: Zur Auswirkung von Gleichtaktstörungen in OPV-Schaltungen

Unter Annahme idealer OPV erhält man für die Ausgangsspannungen UO in den beidenSchaltungen:

Uo = −R2R1

(Ue + Ugl ) Uo = V(Ue2 − Ue1 ) mit V = R2R1

= R4R3

.

{ Daraus ist deutlich die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers zu erkennen.

Bild 4.4 zeigt die Verhältnisse unter Beachtung der Gleichtakt-Eingangswiderstände re+ und re-

sowie des Differenzeingangswiderstandes rd des Operationsverstärkers. Für den Verstärker wirddabei die symmetrische Schaltung nach Bild 4.2 angenommen (RG -Verstärkungseinstellung).

{ Die Signalquelle Ue der im Bild 4.4 angegebenen Schaltung muß gleichstrommäßig mitMasse verbunden sein, damit der Eingangsruhestrom des Verstärkers fließen kann (R3 ).

5

46

3

1

2

-

+

GR V

L R

gl U

i R

R2

R1

d r

e- r

D U

e+ rglI

i R

3

6

R3

eU o U

Bild 4.4: Zur Auswirkung von Gleichtaktstörungen bei realen Differenzverstärkern

CAE Circuit-Simulation V 4.3

Zur Ermittlung der durch Konversion entstehenden Differenzspannung kann die Admittanzmatrix-gleichung des Eingangskreises der Schaltung verwendet werden. Dazu wird die GleichtaktquelleUgl in eine Stromquelle Igl = yi Ugl umgewandelt (Ri - Isolationswiderstand der Signalquelle,Sensor).

yd + y1 + ye− −yd −y1

−yd yd + y2 + ye+ −y2

−y1 −y2 y1 + y2 + y3 + yi

U1

U2

U3

=00Igl

.

.U1 = Igly1(yd+y2+ye+)+y2yd

N , U2 = Igly2(yd+y1+ye−)+y1yd

NDabei steht N für die Systemdeterminante der Admittanzmatrix Y. Für die Differenz U2 - U1

(konvertierte Spannung) erhält manUDgl = U2 − U1 = Igl

y2ye− −y1ye+N =

Ugl

Ri

y1y2N

R1re− − R2

re+ .Aus dieser Gleichung für die Fehlerspannung UDgl und Bild 4.4 lassen sich prinzipielle Lösungenableiten, um den Ausgangsfehler klein zu halten: a. Meßfühler möglichst isoliert montieren ( ). Ri d∞ b. OPV mit hoher Gleichtaktunterdrückung und großen Gleichtakteingangs- widerständen einsetzen. c. Instrumentationsverstärker einsetzen oder zumindest die Verbindungsleitungen am Ausgang (5) und zur Systemerde (6) galvanisch trennen. d. Potentialausgleichsleitungen zwischen Systemerde (6) und Fußpunkt (3) der Signalquelle Ue . e. Abgeglichene Brücke mit und OPV mit hoher Gleichtaktunterdrückung realisieren.R1

R2= re−

re+

Ökonomisch sind nur die Forderungen b. (evtl. in Verbindung mit e.) und c. zu realisieren. Die besten Ergebnisse werden mit Isolationsverstärkern erzielt (CMRR > 150 dB, rgl > 10 11 ).{ Die galvanische Trennung wird dabei mittels Übertrager oder mit Optokopplern erreicht. Der

Aufwand für diese Isolationsverstärker ist relativ hoch, ebenso ihr Preis.

Aufgaben zur Schaltungssimulation:

A1 Bestimmen Sie die Wertebereiche für die Ausgangsspannungen der beiden Verstärker-schaltungen nach Bild 4.3 bei folgenden Angaben: Ugl = 1V, , Verstärkung V = 5. ! Ue = UD = 1Vsin t mit f = 2 = 10kHzDie Betriebsspannungen der OPV betragen U+ = - U- = 15 V. A741Überprüfen Sie Ihr Ergebnis durch Simulation der beiden Schaltungen für die gegebenenKennwerte.

A2 Für die Schaltungen aus Aufgabe A1 ist die Gleichtaktübertragung für beiUgl = 1V sin tverschwindenden Eingangsspannungen Ue = 0 (UD = 0) für f1 = 50 Hz und f2 = 100 Hz zusimulieren (Netzfrequenz und Oberwellen).

A3 Überprüfen Sie durch Simulation die Bestimmungsgleichung für die Verstärkung dersymmetrischen Differenzverstärkerschaltung nach Bild 4.2.

Hinweise zur Vorbereitung:{ Machen Sie sich mit der Funktion der Schaltungen anhand der zum Versuch angegebenen

Grundlagen vertraut und berechnen Sie die Werte der Widerstände.{ Leiten Sie die Bestimmungsgleichungen der verwendeten Verstärkerschaltungen in

allgemeiner Form ab.

V 4.4 CAE Circuit-Simulation