vorhergehende Seite nächste Seite Inhaltsangabe

14. Untersuchung der Frequenzabhängigkeit (AC-Sweep)

Kleinsignalverhalten
Eingabe und Vorbereitung der Schaltung
Die Wechselspannungsquelle VAC
Der Property- oder Eigenschaften-Editor
Off-Page-Verbindungselemente (Off-Page-Connectoren)
Netznamen als Alternative zu Off-Page-Connectoren
Den Operationsverstärker vertikal spiegeln
Nichtmodellierte Anschlüsse
Anlegen eines Simulationsprofils für die AC-Analyse
Anzeigen der Gruppenlaufzeit,  des Phasen- und Frequenzgangs
Marker für besondere Anwendungen
   Spannungsmarker für eine Anzeige in dB
   Marker für das Bode-Diagramm
Logarithmische Einstellung für die X- und Y-Achse wählen
Anzeigen von Ortskurven
   Variable der X-Achse ändern

Mit dem AC-Sweep (AC-Analyse) sind Sie in der Lage, Schaltungen nach ihrer Frequenzabhängigkeit zu untersuchen. Da PSpice die Schaltungen im komplexen Bereich nach Betrag und Phase untersucht, ist nicht nur die Darstellung des Frequenzgangs möglich. Sie können darüber hinaus zusätzlich den Phasenverlauf darstellen und erhalten somit ein Bode-Diagramm. Außerdem lassen sich z. B. noch die Gruppenlaufzeiten und Ortskurven darstellen.

Kleinsignalverhalten

In der AC-Analyse werden keine nichtlinearen Effekte wie Begrenzung berücksichtigt. Wenn Sie z.B. einen aktiven Filter, der eine Verstärkung von 50 besitzt, mit 10 Volt ansteuern, erhalten Sie an seinem Ausgang eine Spannung von unrealistischen 500 Volt, obwohl die Speisespannung bei nur 10 Volt liegt. Ein AC-Sweep untersucht immer nur das Kleinsignalverhalten.

Eingabe und Vorbereitung der Schaltung

Die AC-Analyse soll am Beispiel eines nachfolgend abgebildeten aktiven Filters (bandpass, bandpass.zip), das ein Bandpass darstellt, untersucht werden:

aktiver Bandpass
Aktiver Bandpass mit Operationsverstärker.

Die Wechselspannungsquelle VAC

Die Spannungsquelle VAC (V3) speist die Schaltung für die AC-Analyse. Sie finden Sie in der Bibliothek SOURCE.OLB. Die Quelle VAC eignet sich ausschließlich nur für die AC-Analyse. Eine Untersuchung im Zeitbereich funktioniert damit nicht. Wenn diese Quelle 1Vac liefert, können Sie unmittelbar die Verstärkung ablesen. Vdc hat nur Bedeutung für die Arbeitspunktanalyse. Vac und Vdc können Sie ändern, indem Sie im Schaltbild direkt auf Vac bzw. Vdc klicken. Es gibt übrigens noch eine Quelle IAC. Dies ist eine Wechselstromquelle für die AC-Analyse.

Der Property- oder Eigenschaften-Editor

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, die Eigenschaften von Bauteilen, worunter auch Quellen gehören, zu ändern. Aktivieren Sie dazu durch einmaliges Anklicken per linke Maustaste das Bauteil, damit es sich rosa verfärbt. Dann klicken Sie erneut mit der rechten Maustaste. Es öffnet sich ein kleines Auswahlfenster:

Auswahlfenster
Bauteil per linker Maustaste anklicken, dann mit der rechter Maustaste das Auswahlfenster aufrufen.

Wenn Sie nun im Auswahlfenster "Edit Properties" auswählen, erscheint das Eigenschaften- oder Property-Fenster:

Eigenschaften-Fenster
Das Eigenschaften- oder Property-Fenster.

Damit nicht zu viele Spalten sichtbar sind, sollten Sie den Filter auf "Orcad-PSpice" stellen, wie es in der gelben Umrahmung sichtbar ist. Sollten Sie noch zusätzlich eine gelbe Zeile sehen, können Sie diese entfernen, indem Sie auf das rot umrahmte Symbol klicken. In der Spalte ACMAG können Sie den Pegel der Wechselspannung eintragen. Unter ACPHASE können Sie noch die Phase eingeben, was bei Verwendung mehrerer Quellen interessant sein kann. Unter DC geben Sie die Gleichspannung ein, die nur für die Arbeitsuntersuchung von Bedeutung ist. Es handelt sich hier nicht um einen Gleichspannungsanteil der Wechselspannungsquelle. Das Property-Fenster können Sie übrigens auch direkt aufrufen, indem Sie doppelt auf das entsprechende Bauteil klicken.

Off-Page-Verbindungselemente (Off-Page-Connectoren)

In der Schaltung sind die beiden Spannungsquellen für die Stromversorgung nicht direkt mit dem Operationsverstärker verbunden, sondern über so genannte Off-Page-Connectoren, die wie Doppelpfeile aussehen. Dieses Element finden Sie in der rechten Werkzeugleiste von Capture:

Off-Page-Verbindungselemente aufrufen
Aufrufen der Off-Page-Connectoren über die rechte, senkrechte Werkzeugleiste von Capture.

Wenn Sie diesen Knopf betätigen, öffnet sich das folgende Fenster:

Fenster
Zwei Symbole stehen zur Auswahl.

Sie haben zwei Doppelpfeil-Symbole in der Bibliothek CAPSYM zur Auswahl, um die Signalrichtung kennzeichnen zu können. Sie müssen aber nicht zwingend Rücksicht auf die Pfeilrichtung nehmen.

Unabhängig von der Pfeilrichtung sind immer solche Netze verbunden, welche Place-Off-Connectoren mit gleichen Bezeichnungen enthalten. Um die Bezeichnung dieser Doppelpfeile zu ändern, klicken Sie doppelt in Ihrem Schaltbild auf "OFFPAGELEFT-R" oder "OFFPAGELEFT-L". Es öffnet sich dann das folgende Fenster:

Fenster
Hier vergeben Sie den Off-Page-Connectoren einen anderen Namen.

Netznamen als Alternative zu Off-Page-Connectoren

Wer nicht gerne mit den Off-Page-Connectoren arbeitet, kann stattdessen mit Netznamen (Net-Alias) arbeiten:

Netznamen
"Drähte" mit gleichen Netznamen sind ebenfalls immer elektrisch verbunden, auch wenn diese Verbindungen nicht optisch sichtbar sind.

Sowohl mit Netznamen als auch Off-Page-Connectoren können Sie auch Verbindungen zwischen verschiedenen Seiten (Pages) einer Schaltung ziehen.


Den Operationsverstärker vertikal spiegeln

Den Operationsverstärker uA741 finden Sie entweder in der EVAL.OLB oder in der OPAMP.OLB:


Operationsverstärker
Der Operationsverstärker uA741.

Achten Sie darauf, dass Sie das Symbol vertikal verdrehen, damit der invertierende Eingang mit dem nichtinvertierenden Eingang vertauscht ist. Das Verdrehen erreichen Sie mit der Taste "V" ihrer Tastatur.

Nichtmodellierte Anschlüsse

Der Operationsverstärker besitzt zwei Anschlüsse OS1 und OS2 an den Pins 1 und 5, die das Modell nicht unterstützt. Wie erkenne ich das? Ob diese Anschlüsse nun eine Bedeutung für die Simulation haben oder nicht, finden Sie wie folgt heraus: Rufen Sie dazu - wie bereits beschrieben - den Eigenschaften-Editor auf:

Eigenschaften-Editor
Eigenschaften-Editor: Ansicht der Registerkarte "Pins".

Wählen Sie dann die Registerkarte "Pins" (rote Umrahmung). In der Spalte "Float" (blaue Umrahmung) erkennen Sie, dass die Anschlüsse OS2 und OS1 (grün umrahmt) jeweils mit "Unmod" gekennzeichnet sind. "Unmod" besagt, dass diese Anschlüsse nicht modelliert sind und damit für die Simulation keine Rolle spielen.


Anlegen eines Simulationsprofils für die AC-Analyse

Ein neues Setup für die Simulation rufen Sie immer nach der gleichen Methode auf, wie Sie diese z.B. von der DC-Analyse bereits kennen (z.B. Menüleiste von Capture - PSpice - New Simulation Profile):

Setup der Simulation
Die Simulationseinstellungen für die AC-Analyse.

Unter der Registerkarte "Analysis" wählen Sie in "Analysis type" "AC Sweep/Noise" aus. Unter "AC Sweep Type" können zwischen linearer und logarithmischer Darstellung wählen. Unter "Start Frequency" und "End Frequency" legen Sie den zu untersuchenden Frequenzbereich fest. Mit "Total Points" legen Sie die Anzahl der von der Simulation zu berechnenden Punkte fest, welche dann in der grafischen Darstellung durch eine lineare Interpolation verbunden werden.

Wenn Sie große Frequenzbereiche überstreichen möchten, sollten Sie der logarithmischen Darstellung den Vorzug geben.

Anzeigen der Gruppenlaufzeit,  des Phasen- und Frequenzgangs

Nachdem PSpice die Simulation durchgerechnet hat, können wir das Verhalten des Filters mit Hilfe von Probe genauer untersuchen:

Bode-Diagramm
Gruppenlaufzeit und Bode-Diagramm des Filters.

Für die Filteruntersuchung haben Sie im "Add Traces"-Fenster z.B. Zugriff auf folgende mathematische Funktionen:

DB = Anzeige in dB. Achten Sie dabei darauf, dass Ihre AC-Quelle als Bezugswert 1Vac liefert.
P = Die Phase in Altgrad
G = Die Gruppenlaufzeit in Sekunden (-d Phase / d Frequenz)

Beispiele zur Schreibweise: DB(V(AUS)) bedeutet die Spannung am Knoten mit dem Netznamen AUS in dB angezeigt. P(V(AUS)) bedeutet die Phase der Spannung am Knoten AUS.

Weitere Hinweise zu den zur Verfügung stehenden Funktionen finden Sie im PSpice User´s Guide (pspug.pdf oder pdf ) Seite 565. Auf dieser Seite finden Sie eine Tabelle. Funktionen, die mit "YES" gekennzeichnet sind, können auch von ABM-Modellen genutzt werden.


Marker für besondere Anwendungen

Neben Spannungs-, Leistungs- und Strommarkern gibt es noch eine Reihe von vorgefertigten Markern für besondere Anwendungen:

Spannungsmarker für eine Anzeige in dB

Zum Beispiel können Sie über "Menüleiste von Capture - PSpice - Advanced - dB Magnitude of Voltage" einen Marker aufrufen, der Ihnen die Spannung in dB anzeigt:

DB-Marker aufrufen
So rufen Sie den Spannungsmarker für eine Anzeige in dB auf.

Über "Menüleiste von Capture - PSpice - Markers - Advanced - dB Magnitude of Voltage" erhalten Sie den Spannungsmarker für Anzeigen in dB. Der Aufruf funktioniert nur dann, wenn Sie bereits ein Simulationsprofil für die AC-Analyse angelegt haben.

db-Spannungsmarker
Der Spannungsmarker für die Anzeige in dB.

Marker für das Bode-Diagramm

Es gibt verschiedene Marker, mit denen Sie sich das Bode-Diagramm anzeigen lassen können, ohne dass Sie dazu das Probefenster mühsam konfigurieren müssen:

Bode-Diagramm mit Marker
So rufen Sie über die Menüleiste verschiedene Marker für ein Bode-Diagramm auf.

Gehen Sie auf die Menüleiste von Capture und schlagen Sie dort den Wege "PSpice - Markers - Plot Window Templates..." ein. Es öffnet sich dann ein weiteres Auswahlfenster:


So rufen Sie z.B. ein Bode-Diagramm mit getrennten Y-Achsen für eine Darstellung in dB auf.

Wenn Sie in diesem Fenster z.B. "Bode Plot dB - dual Y axes" wählen, erhalten Sie ein Bode-Diagramm mit getrennter Darstellung der Y-Achsen. Die Anzeige erfolgt dabei in dB.


Der Marker für das Bode-Diagramm.

Damit der Aufruf mit Hilfe des Markers funktioniert, müssen Sie darauf achten, dass in der Registerkarte "Probe Window" Ihres Simulationsprofils "All markers on open schematics" ausgewählt ist.

Logarithmische Einstellung für die X- und Y-Achse wählen

Betätigen Sie dazu die folgenden , rot eingekreisten Knöpfe  in der Werkzeugleiste von Probe, um zwischen einer linearen und logarithmischen Darstellung umzuschalten. Der Bereich der X- bzw. Y-Achse darf dann aber nicht den Wert Null enthalten. Das nachfolgende Video zeigt den Vorgang:

So schalten Sie beliebig zwischen logharithmischer und linearer Darstellung um (logo.avi).



Anzeigen von Ortskurven

Um eine Ortskurve zu erhalten, müssen Sie auf der Y-Achse den Imaginärteil und auf der X-Achse den Realteil einer Größe darstellen:

Ortskurve
Ortskurve des aktiven Filters.

Um auf der Y-Achse den Imaginärteil der Ausgangsspannung darzustellen, müssen Sie IMG(V(AUS)) in das "Add-Traces"-Fenster eintragen. Die Abkürzung IMG sorgt dafür, dass nur der Imaginärteil angezeigt wird.

Variable der X-Achse ändern

Nun müssen Sie es noch schaffen, dass auf der X-Achse, auf der ja bisher die Frequenz angezeigt wird, der Realteil steht. Dazu klicken Sie mit der rechten Maustaste exakt auf eine senkrechte Gitterlinie:

Settings
Klicken Sie mit der rechten Maustaste exakt auf eine senkrechte Gitterlinie. Dann mit der linken Maustaste auf Settings klicken.

Dann öffnet sich das nachfolgend abgebildete Fenster, wenn Sie vorher mit der linken Maustaste auf Settings geklickt haben:


Wählen Sie die Registerkarte "X-Axis" aus. Dann klicken Sie auf den Knopf "Axis Variable..."

Nachdem Sie die Registerkarte "X Axis" ausgewählt haben, klicken Sie auf den Knopf "Axis Variable...", um das "Add-Trace"-Fenster aufzurufen. In diesem Fenster tragen Sie unter "Trace Expression:" den Ausdruck R(V(AUS)) ein. "R" steht für den Realteil:


Ausschnitt des "Add-Traces"-Fensters: Tragen Sie dort den neuen Ausdruck ein. Vorher stand dort "Frequency"

Nachdem Sie mit "OK" bestätigt haben, erhalten Sie die Ortskurve.

Noch einfacher geht es mit der Funktion Nyquist, welche Sie im "Add-Traces-Fenster" unter "Plot Window Templates" finden:


Geben Sie unter "Trace Expression" "Nyquist Plot(V(AUS))" ein, um sich eine Ortskkurve anzeigen zu lassen. Siehe dazu auch das Beispiel nyquist oder nyquist.zip.

Wenn Sie nicht mit dem Add-Traces-Fenster arbeiten wollen, können Sie auch für die Nyquist-Funktion auch einen Marker im Schaltbild einsetzen. Diesen Marker rufen Sie in bereits erklärter Weise über die Menüleiste auf:


So rufen Sie Marker mit besonderen Funktionen über "Menüleiste - Markers - Plot Window Templates..." auf.

Im sich dann öffnenden Fenster wählen Sie dann die Nyquist-Funktion aus:


So wählen Sie den Marker für die Ortskurve aus. Im grauen Fenster erscheinen die Beschreibungen der auswählbaren Funktionen und Informtionen darüber, für welche Analyse-Arten diese verwendet werden können.

Wer Nyquist war, erfahren Sie übrigens unter http://www.geocities.com/bioelectrochemistry/nyquist.htm im Internet.

Zum nächsten Abschnitt.