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6. Anlegen eines Simulationsprofils für die Arbeitspunktanalyse, die erste Simulation und Netzlisten

Anlegen eines Simulationsprofils
Starten der Simulation
Anzeigen der Simulationsergebnisse
   a) Anzeige in der Output-Datei
   b) Anzeige direkt im Schaltbild
Hintergrundwissen zu den Netzlisten (vertiefend)
   Design Rules Check
  Verbindungs-Netzliste
  Simulations-Netzliste
 Zusammenfassung von Verbindungs- und Simulations-Netzliste
 Simulieren von Netzlisten ohne Capture und nur mit Probe
 
Bisher haben Sie gelernt, wie Sie eine Schaltung so anlegen, dass sie für eine Simulation geeignet ist. Was nun noch fehlt, ist eine Anweisung, die beschreibt, was eigentlich im Zuge der Simulation untersucht werden soll. Diese Anweisung wird in einem so genannten Simulationsprofil festgehalten. Sie können sich z.B. den Frequenzgang (AC-Analyse), die zeitlichen Spannungs- und Stromverläufe (Transienten-Analyse) oder einfach nur die Gleichströme und Spannungen im Arbeitspunkt (DC-Analyse) untersuchen lassen. Was Sie untersuchen lassen möchten, geben Sie also in einem Simulationsprofil an, von dem Sie sogar mehrere für ein Schaltungsprojekt anlegen dürfen. Capture konvertiert das Schaltbild und die Simulationsanweisungen in Netzlisten um, die für die Simulation an PSpice übergeben werden.

Anlegen eines Simulationsprofils

Das nachfolgende Beispiel zeigt Ihnen, wie Sie die Gleichspannungen und Ströme unseres RC-Gliedes (projekt1, projekt1.zip) untersuchen lassen. Dazu bedienen wir uns der DC-Analyse. Um eine Simulationsprofil anzulegen,  müssen Sie den nachfolgend abgebildeten Knopf betätigen, welcher sich in der oberen Werkzeugleiste von Capture befindet. Er erscheint nur dann, wenn Sie auch ein PSpice-Projekt aufgerufen hatten.

Button für das Anlegen eines Simulationsprofils
Button für das Anlegen eines Simulationsprofils. Er befindet sich in der oberen Werkzeugleiste von Capture.

Das nachfolgende Video zeigt Ihnen, wie Sie ein Simulationsprofil für die Arbeitspunktbestimmung (Bias Point) anlegen:

Anlegen eines Simulationsprofils am Beispiel einer Arbeitspunktanalyse (simuprofil.avi).

Und so gehen Sie Schritt für Schritt vor:

1. Den besagten Knopf Knopf in der oberen Werkzeugleiste von Capture anklicken.
2. Im Fenster "New Simulation" vergeben Sie einen Namen für das Simulationsprofil. Verwenden Sie wie immer keine Umlaute. Dann auf den Knopf "Create" klicken.
3. Im Fenster "Simulation Settings" wählen Sie im Auswahlfenster "Analysis Type" den Begriff "Bias Point" und klicken dann auf "OK".  Anmerkung: Die Arbeitspunktanalyse bietet noch zusätzliche Analysemöglichkeiten, welche im Abschnitt "Erweiterte Arbeitspunktanalyse" aufgeführt sind.

Ein Ausschnitt der oberen Werkzeugleiste sieht dann wie folgt aus:

Leiste nach Anlegen des Simulaltionsprofils
Im linken Auswahlfenster erscheint der vollständige Name des Simulationsprofils. Die vier Knöpfe von links nach nach rechts: Neues Simulationsprofil anlegen, vorhandenes Simulationsprofil aufrufen, neue Simulation starten, bereits erfolgte Simulation erneut aufrufen.

Dort erscheint nun der vollständige Name unseres eben angelegten Simulationsprofils "SCHEMATIC1-arbeitspunkt". Dabei spiegelt "SCHEMATIC1" den Namen desjenigen Schaltbildes wieder, auf den sich das Simulationsprofil bezieht. "arbeitspunkt" ist der Name, den wir eben eingegeben hatten. Wenn mehrere Simulationsprofile angelegt worden wären, könnten wir in diesem Auswahlfenster das gewünschte Simulationsprofil aufrufen.

Starten der Simulation

In der vorangegangenen Abbildung entdecken Sie einen Knopf mit einem blauen Dreieck. Wenn Sie diesen betätigen oder F11 auf der Tastatur eintippen, wird die Simulation ausgeführt.

Starten der Simulation
Mit diesem Knopf der oberen Werkzeugleiste oder mit F11 auf Ihrer Tastatur starten Sie die Simulation. Tipp: Mit F12 würden Sie eine bereits berechnete Simulation erneut aufrufen.

Das nachfolgende Video zeigt, was passiert, wenn Sie diesen Knopf betätigen.

Die PSpice-Simulation wird gestartet und das Probe-Fenster öffnet sich (2ersimu.avi).

Die Simulation wird ausgeführt und es öffnet sich ein neues Fenster, das so genannte Probe-Fenster (kurz "Probe" oder "PSpice" genannt). Dabei handelt es sich um ein eigenständiges Programm (pspice.exe), das die eigentliche PSpice-Rechenarbeit leistet (PSpice) und die Ergebnisse grafische darstellt (Probe). Wie nachfolgend abgebildet, sollte sich dieses Fenster in drei große Bereiche aufteilen. Wenn nicht, sollten Sie die entsprechenden Einstellungen, welche in einer pspice.ini festgehalten werden, unter Menüleiste - View eintragen. Falls nach dem Starten der Simulation ein kleines Fenster mit einer "warning message" erscheint, so kann diese gerade bei der Lite-Version ignoriert werden.

Das Probe-Fenster
Das Probe-Fenster nach der Arbeitspunktanalyse.

Viel ist im Probe-Fenster leider noch nicht zu sehen. Im Fenster links unten steht "Simulation complete", was uns signalisiert, dass die Simulation erfolgreich abgelaufen ist. In dem großen dunkelgrauen Fenster sieht man im Normalfall eine grafische Anzeige. Da wir aber nur eine Arbeitspunktanalyse ausgeführt haben, finden wir dort nichts, denn es wurden nur Gleichsspannungs- und Gleichstromwerte für jeden Knoten (node) der Schaltung berechnet. Außerdem wurden noch die Verlustleistungen der Bauteile berechnet.

Anzeigen der Simulationsergebnisse

Dazu bestehen mehrere Möglichkeiten:

a) Anzeige in der Output-Datei

Nachfolgend zeigt Ihnen das Video, wie Sie die Ergebnisse der Ouput-Datei entnehmen können. Dabei handelt es sich um eine Datei mit der Endung "OUT". In dieser ASCII-Text-Datei finden Sie auch wichtige Hinweise, falls eine Simulation mal ein Fehlschlag war. Um die Output-Datei aufzurufen, klicken  Sie auf den folgenden Knopf  Knopf im Probe-Fenster für das Output-File  in der meist linken Werkzeugleiste des Probefensters, wie es das nachfolgende Video zeigt:

Etwas umständlich: Anzeige der Ergebnisse in der Output-Datei (3output.avi).

Bei der Anzeige in der Output-Datei erkennen Sie auch, dass es vorteilhaft war, den einzelnen Knoten (nodes) der Schaltung mit Net-Alias besondere Namen zu vergeben. Am Knoten "Aus" liegt also eine Spannung in Höhe von 4,5445 Volt an und am Knoten "Ein" eine Spannung von 5,0000 Volt.

b) Anzeige direkt im Schaltbild

Um sich die Spannungs-, Strom- und Leistungswerte direkt in der Schaltung anzeigen zu lassen, müssen Sie nur nach der erfolgten Simulation die nachfolgend abgbildeten Knöpfe, welche sich in der oberen Werkzeugleiste von Capture (ab Version 9.2) befinden, betätigen.

Knopf für V, I, W
Obere Werkzeugleiste von Capture: V=Spannungsanzeige, I=Stromanzeige, W=Leistungsanzeige.

Wenn Sie die entsprechenden Knöpfe betätigen, erscheinen die Anzeigen in der Schaltung eingeblendet. Um die Anzeigen wieder zu entfernen, klicken Sie einfach erneut auf diese Knöpfe. Das nachfolgende Video zeigt Ihnen, wie sich die Anzeigen einblenden lasssen.

Einblenden von Strom-, Spannung- und Leistungswerten in die Schaltung (4anzeige.avi).

Sie müssen nicht, wie im obigen Video gezeigt, das Probefenster schließen. Es reicht auch aus, wenn Sie dieses Fenster zur Seite schieben. Die Einblendungen können Sie übrigens mit linker, gedrückter Maustaste innerhalb des Schaltbildes verschieben.

Wie Sie die Einblendungen löschen und wiederherstellen zeigt Ihnen das folgende Video:

Löschen und Wiederherstellen von Strom-, Spannung- und Leistungswerten innerhalb des Stromlaufplans (anzeigeloeschen.avi).

Bei genauer Betrachtung der Ergebnisse fällt auf, dass die Spannungsquelle V1 einen negativen Leistungswert liefert. Das ist so, weil die Summe aller Leistungen Null ergibt. Außerdem fließt kein Strom durch den Kondensator. In der Arbeitspunktanalyse wird nicht im Zeitbereich analysiert. Kondensatoren existieren nicht. Induktivitäten werden wie Kurzschlüsse behandelt.

Hintergrundwissen zu den Netzlisten (vertiefend)

Design Rules Check

Als sie den Knopf mit dem kleinen, blauen Rechteck gedrückt hatten oder F11 ihrer Tastatur betätigten, um die Simulation zu starten, ist im Hintergrund eine Menge abgelaufen. Zuerst wurde ein "Design Rules Check" (DRC) durchgeführt, welche überprüft, ob Ihre Schaltung überhaupt bestimmten Regeln entspricht. Das Ergbnis wird in einer Datei mit der Endung DRC abgespeichert.

Verbindungs-Netzliste

Danach erzeugt Capture eine Verbindungs-Netzliste. Diese Netzliste führt in einer ASCII-Datei mit der Endung NET alle Bauteile auf und beschreibt die elektrischen Verbindungen der Schaltung. Für unser RC-Glied sieht die Netzliste wie folgt aus. Dabei stellen die roten Zeilen nur Anmerkungen dar.

* source MEINERSTESPROJEKT
* Die erste Kommentarzeile ist zwingend notwendig und wird mit einem * eingeleitet.

C_Cpar 0 AUS 10nF
* Der Kondensator Cpar wird mit den Knoten 0 und Aus verbunden und hat einen Wert von 10 nF
.

R_Ro EIN AUS 330
* Der Widerstand Ro befindet sich zwischen den Knoten Ein und Aus und hat 330 Ohm.

R_R2 0 AUS 3.3k
* Der Widerstand R2 befindet sich zwischen den Knoten 0 und Aus und hat 3,3 Kilo-Ohm.

V_V1 EIN 0 5V

* Die Spannungsquelle V1 hat liegt zwischen den Knoten Ein und 0 und liefert 5 Volt. Der Plus-Pol liegt am ersten Knoten.

Aus dieser Neztliste lassen sich alle Information beziehen, um diese Schaltung zu rekonstruieren. Allerdings nicht die Plazierung der Bauteile im Schaltbild. Dies ist auch für die Simulation unerheblich. Kommentare werden immer mit einem Asterix (*) eingeleitet. Die roten Zeilen sollen im obigen Beispiel nur verdeutlichen, wie die einzelnen Zeilen der Netzliste zu lesen sind. Interessant ist noch, dass statt "R2" "R_R2" geschrieben wird oder statt "Cpar" "C_Cpar" u.s.w. Dadurch wird sichergestellt, dass Kondensatoren in den Netzlisten immer mit C und Widerstände immer mit R u.s.w. anfangen. Diese Verbindungs-Netzliste, welche immer die Datei-Endung CIR besitzt, können Sie auch über Ihr Projektfenster aufrufen. Dazu klicken Sie direkt auf den grau hinterlegten Schriftzug, welcher sich im Projektfenster befindet.

Aufrufen der Netzliste über das Projektfenster
Aufrufen der Verbindungs-Netzliste über das Projektfenster. Es geht auch über Capture - Menüleiste - PSpice - View Netlist.

Es ist schwierig aus einer Verbindungsnetzliste eine zeichnerische Darstellung des Schaltbildes zu rekonstruieren. Unter http://www.concept.de/sv_index.html finden Sie im Internet dazu eine Problemlösung.

Eine Verbindungsnetzliste werden Sie auch in so genannten Unternetzwerken wiederfinden. Unternetzwerke sind im Prinzip Bauteile, in denen eine ganze Schaltungen - z.B. die eines Operationsverstärkers - zusammengefasst sind. Ein eigenes Kapitel behandelt dieses Thema ausführlich.

Simulations-Netzliste

Die Verbindungs-Netzlise enthält allerdings keine Anweisungen darüber, was und wie zu simulieren ist. Diese Daten, die dem Simulationsprofil entsprechen, finden Sie in einer Datei mit der Datei-Endung CIR und wird ebenfalls von Capture erzeugt. Diese Datei wird auch Simulations-Netzliste genannt:

** Profile: "SCHEMATIC1-arbeitspunkt" [ C:\Program Files\OrcadLite\Capture\projekte\projekt1\meinerstesprojekt-schematic1-arbeitspunkt.sim ]
*Kommentarzeilen werden immer mit * eingeleitet.

** Creating circuit file "meinerstesprojekt-schematic1-arbeitspunkt.sim.cir"
** WARNING: THIS AUTOMATICALLY GENERATED FILE MAY BE OVERWRITTEN BY SUBSEQUENT SIMULATIONS
*Libraries:
* Local Libraries :
* From [PSPICE NETLIST] section of C:\Program Files\OrcadLite\PSpice\PSpice.ini file:

.lib "nom.lib"

*Achten Sie darauf, dass diese Zeile wie alle Befehlszeilen mit einem Satzendepunkt eingeleitet wird. Der Befehl LIB verweist auf die zu ladenden PSpice-Bibliotheken. In diesem Falle ist es die nom.lib, die eine Verknüpfung auf alle mitgelieferten Bibliotheken enthält.
*Analysis directives:
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)

*Mit "Probe" wird das Probe- oder PSpice-Fenster aufgerufen und die PSpice-Simulation ausgeführt. Hier ist es nur die Arbeitspunktanalyse.

.INC ".\meinerstesprojekt-SCHEMATIC1.net"

*Der Include-Befehl INC sorgt dafür, dass die Verbindungsnetzliste, welche sich in einer gesonderten Datei befindet, geladen wird.

.END

*Die zwingend notwendige Ende-Anweisung durch den Befehl END.

Die Erklärungen finden Sie wieder in den roten Zeilen. Kommentare sind blau und die entscheidenden Befehlszeilen sind grün hervorgehoben Achten Sie darauf, dass Kommentarzeilen wieder mit * eingeleitet werden. Leerzeilen sind erlaubt. Jede Befehlszeile wird mit einem Satzendepunkt eingeleitet. Die Simulations-Netzliste wird ebenfalls von Capture erzeugt und zusammen mit der Verbindungs-Netzliste an das eigenständige PSpice-Programm (Probe) übergeben, das dann die eigentliche Simulation ausführt.

Zusammenfassung von Verbindungs- und Simulations-Netzliste

Sie können die Verbindungs-Netzliste auch direkt in die Simulations-Netzliste mit aufnehmen:

* Meine Eigene CIR-Datei
Cpar 0 AUS 10nF
Ro EIN AUS 330
R2 0 AUS 3.3k
V1 EIN 0 5V
.lib "nom.lib"
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
.END

Simulieren von Netzlisten ohne Capture und nur mit Probe

Wenn Sie die grünen Zeilen direkt in eine ASCII-Datei mit der der Datei-Endung CIR umkopieren, erhalten Sie eine einzige Datei, die Sie nur mit PSpice (Probe) und ohne Capture simulieren können. Achten Sie darauf, dass Sie die Kommentarzeile unbedingt mitkopieren. Für die Simulation rufen Sie PSpice als eigenständiges Programm mit Hilfe der Startleiste auf:

Aufrufen von PSpice (Probe) über die Startleiste
Aufrufen von PSpice (Probe) über die Startleiste.

Das nachfolgende Video zeigt die Vorgehensweise:

Simulieren einer CIR-Datei direkt mit PSpice (cir.avi).

In diesem Beispiel wurde eine "meineeigenecir.cir" im Ordner "CIR" bereits abgelegt und dann aufgerufen. Auch hier in PSpice (Probe) betätigen Sie einen Knopf mit einem blauen Dreieck als Symbol, um die Simulation zu starten. Im Internet finden Sie oft viele Simulationsbeispiele, die nur als CIR-Dateien abgespeichert sind.

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