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Dieser Beitrag richtet sich an Spice- und PSpice-Anfänger. Er soll Sie auf eine etwas amüsante Art mit ein paar Fallstricken von PSpice konfrontieren. Das Beispiel beruht auf einer wahren Begebenheit und trifft unabhängig von dem gewählten Schaltplaneingabeprogramm (Capture, Schematics) für alle Versionen von PSpice zu. Die Probleme sind auch auf die allgemeine Spice-Syntax übertragbar.
1. PSpice ist kein Programm, um damit Filter zu berechnen oder um den untauglichen Versuch zu unternehmen, durch Herumprobieren zu der gewünschten Filterkurve zu gelangen. Im Internet gibt es dafür sogar relativ leistungsfähige, kostenlose Filterberechnungsprogramme, z.B. RFSim99 oder AADE Filter Design. Weitere schöne Filterberechnungs-Programme gibt es auf der Site des Funkamateurs DGOSA.
Es ist allerdings sehr sinnvoll in PSpice den Bauelementen des Filters Toleranzen zu vergeben. Dann erkennt man nach einer Monte-Carlo-Analyse die möglichen Streuungen und stellt oft ernüchternd fest, dass die schöne Filtertheorie nicht viel mit der rauen Wirklichkeit zu tun hat. Zudem sind die Induktivitäten in PSpice ideal. Es wäre manchmal sinnvoll, die entsprechenden Ersatzschaltbilder zu verwenden, um z.B. die Spulenverluste und Wicklungskapazitäten zu berücksichtigen. Dieses Ersatzschaltbild können Sie dann in ein Unternetzwerk verpacken, dem Sie dann ein Induktivitätssymbol vergeben.
Die AC-Analyse in Spice und PSpice linearisiert zudem noch den Arbeitspunkt. Das bedeutet, dass Sie zum Beispiel am Ausgang eines aktiven Filters unsinnig hohe Spannungen erhalten können, die alleine schon wegen der Begrenzung der Betriebsspannung nicht möglich wären. Enthält das Filter eine Kapazitätsdiode, rechnet der Simulator stets mit jener Sperrschichtkapazität, die am Arbeitspunkt auftreten würde. Arbeitet die Simulationi mit Spulenmodellen, die einen magnetischen Kern enthalten, können Sättigungseffekte ebenfalls nur am Arbeitspunkt berücksichtigt werden. Dazu sollte man sich vor Augen halten, dass wie bei der Transientenanalyse auch der AC-Analyse eine Arbeitspunktanalyse vorausgeht.
2. Nachfolgend eine relativ einfache Filterkonstruktion, die PSpice allerdings völlig scheitern lässt:
Dieses einfache Filter lässt sich in PSpice nicht
simulieren.
Nach der Simulation mit der AC-Analyse erscheint folgende Fehlermeldung im Probe-Fenster
Fehlermeldung im Output-File nach der PSpice-Simulation.
Was ist passiert? PSpice verlangt, dass zu jedem Knoten der Schaltung ein Gleichstrompfad zur Masse besteht. Unter Masse versteht PSpice jenen Knoten, der den Netzknotennamem "0" trägt, wobei das Massesymbol dafür automatisch sorgt.
Offenbar besteht vom Knoten "Mitte", das ist der Knoten, an dem alle 3 Induktivitäten verbunden sind, keine erforderliche Masseverbindung.
Was tun? Einfach an den Knoten "Mitte" einen hochohmigen Widerstand von z.B. 1 Mega-Ohm zur Masse schalten. Der hochohmige Widerstand, der hier R4 lautet, hat keinen praktischen Einfluss auf das Filterverhalten. Die nachfolgende Schaltung zeigt es:
Nun haben alle Knotenverbindungen einen Gleichstrompfad zur
Masse. Aber
ist das die Lösung?
Allerdings zeigt jetzt PSpice ein ein völlig unsinniges Ergebnis. Am Ausgang liegen im Maximum nur 10 uV an:
Unsinniges Ergebnis nach der Simulation der obigen Schaltung.
Ist PSpice
ein so unfähiges Programm, das noch nicht einmal solch
lächerliche
Schaltungen beherrscht?
Wo liegt der Fehler? Mit der Wertebezeichnung von 1M haben Sie dem Widerstand R4 einen Wert von nur 1 Milli-Ohm vergeben, womit Sie praktisch einen ungewollten Kurzschluß erzeugt haben. Wenn Sie diesem Widerstand 1 Million Ohm vergeben möchten, müssen Sie 1Meg eingeben. Die Abkürzung M bzw. m bedeutet nämlich in PSpice 1/1000. In diesem Zusammenhang können Sie sich auch merken, dass PSpice keine Unterscheidung zwischen Groß- und Kleinschreibung kennt. Der reservierte Ausdruck Meg bzw. meg sorgt für den gewünschten Faktor von 1 Milllion. Sie können auch die in Programmiersprachen übliche Schreibweise 1e6 verwenden, wenn Ihnen das eindeutiger ist.
Richtig muss demnach die Schaltung wie folgt aussehen:
1Meg ist die richtige Bezeichnung für 1 Million Ohm in
PSpice.
Beachten Sie auch, dass zwischen dem Bezeichner (hier Meg) und der Zahlenangabe (hier 1) kein Leerzeichen stehen darf. Dies würde ebenfalls eine Fehleranzeige erzeugen. Es wäre also falsch "1 Meg" zu schreiben.
Welche Quelle soll ich für die AC-Analyse (Frequenzgang) wählen? Oft fängt man als PSpice-Anfänger mit der Transienentanalyse, der Untersuchung im Zeitbereich, an. Dafür verwendet man z.B. gerne die Sinus-Quelle VSIN. Diese funktioniert allerdings leider nicht für die AC-Analyse. Dazu benötigen Sie die Quelle VAC, die aber nicht im Zeitbereich funktioniert. Wenn Sie nun öfters zwischen Transienten- und AC-Analyse hin- und herschalten, müssen Sie ständig diese beiden Quellen austauschen.
Es geht aber auch anders. Setzen Sie die Quelle VSIN ein und klicken Sie im Schaltbild doppelt auf das VSIN-Symbol, damit sich das Fenster des Property-Editors öffnet:
So eignet sich die Quelle VSIN auch auf für die
AC-Analyse.
Tragen Sie im Property-Editor in die Spalte "AC" einfach eine "1" ein und die Quelle liefert Ihnen in der AC-Analyse eine Spannung von 1 Volt - ein Wert, der sich zudem gut als Bezugswert für die Darstellung in dB eignet.
Wie stelle ich das Bode-Diagramm in PSpice dar? Wie im nachfolgenden Bild gezeigt, können Sie über die Menüleiste von Capture spezielle Marker aufrufen, die Ihnen u. A. auch mit einem Schlag verschiedene Darstellungen des Bode-Diagramms ermöglichen:
So rufen Sie vorgefertigte Marker auf.
Der Aufruf funktioniert nur dann, wenn Sie bereits ein Simulationsprofil für die AC-Analyse angelegt haben. Wenn Sie "Plot Window Templates..." anklicken, öffnet sich ein kleines Auswahlfenster, dass sich weitgehend von selbst erklärt. Dort wählen Sie dann Ihren Wunschmarker für das Bode-Diagramm aus. Den Marker setzen Sie so, wie Sie es von einem Spannungsmarker gewohnt sind, an den von Ihnen gewünschten Knoten.
Wie erzeuge ich eine Ortskurve im Zusammenhang mit der AC-Analyse? Dafür rufen Sie - wie Sie es nun schon vom Bode-Diagramm her kennen - in der Menüleiste ein "Plot Window Template" auf. In dem kleinen Fenster, welches dann erscheint, wählen Sie dann "Nyquist Plot" auf:
Mit Nyquist Plot erhalten Sie ab der Version 9.2 einen Marker
für die Ortskurve.