Analogsimulation mit Workview und PSPICE - Alice

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Analogsimulation mit Workview und PSPICE - Alice
Fraunhofer Gesellschaft
Institut für Integrierte Schaltungen
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Ein Praktikum
Autor:
Robert Henke
Ansprechpartner:
Dipl. Ing. Dieter Peer
B. S. E. E. Carol Hovenga
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Inhalt
0.
Einleitung ................................................................................................1
0.1. Übersicht über die Übungen.................................................................................. 1
0.2. Übersicht über die Beispiele.................................................................................. 1
1.
Die Bedienung der Analog-Umgebung ..................................................2
1.1. Die NAUI-Menüs .................................................................................................. 2
1.2. Komponenten hinzufügen und parametrisieren..................................................... 2
1.2.1. Einfache Elemente.......................................................................................... 2
1.2.2. Komponenten mit vielen Sub-Typen ............................................................. 3
1.2.3. Parameter hinzufügen und editieren............................................................... 3
2.
Die beteiligten Dateien............................................................................4
2.1. Workview: Schaltpläne, Netzlisten, Symbole, Modelle........................................ 4
2.2. SPICE: CIR, OUT, TXT, LIB............................................................................... 4
3.
Organisation der Dateien: Modelle, Libraries, Schaltpläne,
Symbole...................................................................................................6
3.1. Der Informationsfluß............................................................................................. 6
3.2. Modelle.................................................................................................................. 7
3.3. Libraries................................................................................................................. 7
3.4. Symbole................................................................................................................. 8
4.
Der Netlister WSPICE: Vom Schaltplan zur CIR-Datei ........................9
4.1. Die Kommandozeilenargumente ........................................................................... 9
4.2. Vordefinierte Instrumente, Quellen und Komponenten ...................................... 10
4.2.1. Instrumente................................................................................................... 10
4.2.2. Quellen ......................................................................................................... 11
4.2.3. Komponenten ............................................................................................... 12
4.3. Eigene Komponenten .......................................................................................... 12
4.3.1. Zwingend nötige Attribute ........................................................................... 13
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
4.3.2. Wichtige Attribute........................................................................................ 13
4.3.3. Sinnvolle eigene Symbole............................................................................ 14
4.3.3.1.
4.3.3.2.
Ein Library-Symbol ............................................................................ 14
Das geänderte CSDF-Symbol CSDFPINS ......................................... 15
4.3.4. Tips zum Anlegen der Symbole ................................................................... 17
4.4. Parameterübergabe: das ORDER-Attribut .......................................................... 17
4.4.1. Flache Netzliste ............................................................................................ 18
4.4.1.1.
Beispiel: Parametrisierung bei flacher Netzliste................................. 19
4.4.2. Hierarchische Netzliste (Subcircuits)........................................................... 21
4.4.2.1.
4.4.2.2.
Beispiel: Parametrisierung bei hierarchischer Netzliste ..................... 21
Verhaltensbeschreibung...................................................................... 24
4.5. Eigene und geänderte SPICE-Modelle in Workview.......................................... 26
4.5.1. Vorgehen bei geänderten und neuen Symbolen ........................................... 26
4.5.2. Gekoppelte Induktivitäten ............................................................................ 26
4.5.2.1. Aus Standardsymbolen abändern........................................................ 26
4.5.2.2. Aus Standardsymbolen zusammensetzen ........................................... 27
4.5.2.3. Als SPICE-Modell .............................................................................. 31
4.5.2.3.1. Beispiel: Relais als SPICE-Modell.............................................. 32
4.6. Anfangsbedingungen für die Simulation............................................................. 35
4.6.1. Anfangsbedingungen über einzelne Komponenten...................................... 35
4.6.1.1.
Beispiel: Anfangsbedingung am Kondensator.................................... 36
4.6.2. Anfangsbedingungen an Knoten .................................................................. 36
4.6.2.1.
5.
Beispiel: Anfangsbedingung am Knoten ............................................ 37
Auswertung der Simulationsergebnisse: ein Beispiel ..........................38
5.1. Vorbereitung einer Schaltung zur Analogsimulation .......................................... 38
5.2. Simulatoraufruf ................................................................................................... 40
5.3. Signaldarstellung mit VIEWtrace ....................................................................... 40
5.3.1. Signale ein- und ausblenden......................................................................... 41
5.3.2. Signalselektion im Schaltplan per PROBE .................................................. 42
5.3.3. Signalselektion im Schaltplan mittels CSDFPINS ...................................... 42
5.3.4. Verschiedenene Achsen-Skalierungen ......................................................... 42
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5.3.5. Weitere Achsen-Einstellungen ..................................................................... 43
5.4. Weitere Messungen und Analysen ...................................................................... 45
5.4.1. Messungen im Zeit- und Frequenzbereich ................................................... 46
5.4.2. Backannotation von Spannungen ................................................................. 48
5.4.3. Überblick über weitere Funktionen.............................................................. 49
5.4.3.1.
5.4.3.2.
5.4.3.3.
6.
Mathematische Umformungen............................................................ 49
Bildgestaltung ..................................................................................... 50
Signale abspeichern weiterverwerten.................................................. 51
Anhang ..................................................................................................52
6.1. BASIC-Programm zur Erzeugung einer PWL-Datei .......................................... 52
6.2. Verbessertes NAUI Menü für VIEWdraw .......................................................... 53
7.
Literaturverzeichnis...............................................................................54
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
0. Einleitung
Dieses Dokument soll den Leser befähigen, analoge Schaltungen mit dem Schaltplaneditor
VIEWdraw des CAE-Systems Workview einzugeben, mit einem SPICE-Analogsimulator zu
simulieren, und sie mit dem Programm VIEWtrace graphisch auszuwerten und ggf.
mathematisch zu analysieren. Besonderer Wert wird auf das Verständnis des Zusammenspiels
beider Programmsysteme und auf die Einbindung eigener Modelle in das System gelegt.
Voraussetzungen sind eine installierte Workview-Version 4.0b oder höher, PSPICE, dieses
Dokument und die im aktuellen Projekt-Verzeichnis installierten Übungsbeispiele der Begleitdiskette. Der Leser sollte Grundkenntnisse in der Bedienung von Workview und Kenntnisse der Schaltungsmodellierung mit SPICE haben, wie sie in [7] und [3] vermittelt werden.
Weitere Informationen sind in der Studienarbeit zu diesem Thema enthalten [1].
0.1. Übersicht über die Übungen
Definition eines projektbezogenen LIB-Symbols ............................................................. 14
Modifikation des CSDF-Symbols zum CSDFPINS-Symbol............................................ 15
8-fach Pulldown-Netzwerk mit Parameterübergabe........................................................ 20
Denkfrage: Ist die Modellierung des VCO ohne NO_PINS-Attribut möglich? ............ 24
Gekoppelte Induktivitäten - ein eigener Transformator durch Modifikation
eines Modells............................................................................................................... 26
Denkfrage: Welchen Sinn haben das &- und $-Zeichen im ORDER-Attribut? ........... 30
Simulation und Selektierung der Signale in VIEWtrace................................................. 40
Messung des 3 dB-Frequenzgangs ..................................................................................... 45
Mathematische Auswertung der Simulationsergebnisse ................................................. 48
0.2. Übersicht über die Beispiele
Generierung eines LIB-Symbols ........................................................................................... 14
Parameterübergabe bei flachen Netzlisten........................................................................ 19
Parameterübergabe bei hierarchischen Netzlisten........................................................... 21
Komponentendefinition mittels ORDER-Attribut: ein VCO.......................................... 23
Gekoppelte Induktivitäten über ein Ersatzschaltbild definieren.................................... 27
Modellierung per SPICE-Modell: ein einfaches Relais-Modell ....................................... 31
Anfangsbedingung am Kondensator ..................................................................................... 35
Anfangsbedingung am Knoten .............................................................................................. 36
NF-Verstärker als Testobjekt für VIEWdraw-Auswertungen ....................................... 38
Signale selektieren und deselektieren ................................................................................ 40
Verschiedene Achsen-Skalierungsarten ............................................................................ 41
Analysen im Zeitbereich ..................................................................................................... 45
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
1. Die Bedienung der Analog-Umgebung
1.1. Die NAUI-Menüs
Die "New Analog User Interface"-Menüs ersetzen die Standard-Menüs von Workview1, mit
denen zwar auch eine Analogsimulation möglich ist, jedoch nicht so komfortabel. Die
Vorteile der NAUI-Menüs liegen vor allem in den vielen Untermenüs zum Hinzufügen von
Komponenten, Instrumenten und Quellen.
Die Aufteilung der Funktionen zum Hinzufügen und Ändern von Labels und Texten, die Benennung der Editierfunktionen für alle Elemente ist anders als die der Standard-Menüs. Ändern kann man mit den Menüeinträgen Change oder Edit, Elemente fügt man in den
Schaltplan durch die Kommandos Add oder Create ein.
Eine leicht zu installierende, bequemer zu bedienende Version der Menüs ist im Anhang unter
"6.2. Verbessertes NAUI Menü für VIEWdraw", S. 51 angeführt. Dort ist die Zahl der
Menüebenen verringert, und die Einträge in den längeren Menüs sind alphabetisch sortiert und
damit leichter zu erlernen. Die Hilfe im HELP-Kommando und die Handbücher treffen allerdings immer noch für die Bezeichnung der Befehle zu. Wegen des letzten Punktes konnten die
Menüs nicht allgemein ganz neu angeordnet werden.
1.2. Komponenten hinzufügen und parametrisieren
1.2.1.
Einfache Elemente
Alle Elemente werden mit dem Kommando Add hinzugefügt. Für häufig benötigte Bauelemente existieren eigene Menüeinträge, die sich für Kondensatoren zum Beispiel in polar und
unpolar, und dann wiederum in horizontale oder vertikale Ausrichtung gliedern. Einfache
Bauelemente, wie Widerstände und Kondensatoren, müssen anschließend per Dialog
Spice mit den Werten im Feld VALUE versehen werden.
1Wie in [8] , Band 6 beschrieben durch Setzen von WDIR: SET WDIR=C:\WORKVIEW\NAUI;C:\WORKVIEW\STANDARD
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
1.2.2.
Komponenten mit vielen Sub-Typen
Für Elemente wie Transistoren, Dioden und Operationsverstärker gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Typen. Für jede Art von Anschlußbelegung existiert jedoch nur ein graphisches
Symbol. Im Attribut MODEL muß deshalb der Name des gewünschten Bauelements, ohne die
MOD-Endung, angegeben werden. Die dazugehörigen MOD-Dateien befinden sich in den
Workview-Analog-Libraries2.
1.2.3.
Parameter hinzufügen und editieren
Im allgemeinen ist es am einfachsten, Elemente per Dialog All mit Attributen zu versehen, vorhandene Attribute zu ändern oder zu löschen. Das Dialogfenster von Dialog
Spice ist durch eine reduzierte Auswahl an angezeigten Attributen übersichtlicher als Dialog All, verbirgt aber unter Umständen notwendige Attribute vor dem Benutzer.
Sollen Attribute komplett gelöscht werden, dann müssen Name und Wert aus der Dialogbox
entfernt werden.
Wenn Attributdefinitionen einen Level tiefer vorgenommen wurden, steht der Wert in einem
dreispaltigen Dialogmenü in der Mitte und kann nicht gelöscht werden, sondern nur durch
einen neuen Wert in der rechten Spalte überschrieben werden. Es kann jedoch sinnvoller sein,
nach einem Level Push ... Kommando das Original zu editieren. Bibliothekssymbole
lassen sich nur dann unter ihrem Namen speichern, wenn Schreibzugriff auf sie erlaubt ist. Sie
können jedoch, am besten mit einem anderen Namen, in das aktuelle Projekt-Verzeichnis
geschrieben werden.
2S. auch den Überblick über die Libraries S. 7.
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2. Die beteiligten Dateien
Der Signalfluß zwischen Workview und PSPICE (oder einem anderen der möglichen auf
SPICE basierenden Analog-Simulatoren) läßt sich leichter verstehen, wenn man sich eine
einfache Tatsache vor Augen hält:
Zwei eigenständige Entwicklungssysteme mit ihren eigenen Dateien, Verzeichnisstrukturen
und Suchpfaden arbeiten getrennt voneinander, und werden nur durch drei Dateitypen miteinander verbunden: Die auf CIR endenden Dateien (kurz: CIR-Dateien), und die OUT- und
TXT-Dateinen. Alle Dateien sind Textdateien, lassen sich also über einen Texteditor betrachten und ändern.
2.1. Workview: Schaltpläne, Netzlisten, Symbole, Modelle
In der Verzeichnisstruktur von Workview befinden sich unter dem jeweiligen Projekt-Verzeichnis drei Unterverzeichnisse für die Schaltpläne (SCH), die Netzlisten (WIR, Wirelists)
und die Symbole (SYM). Die Dateien in diesen Verzeichnissen enden mit einer Zahl als Extension. Sie hat den Wert 1 bei einseitigen Plänen, bei Schaltplänen mit mehreren Seiten Umfang sind die Seiten aufsteigend durchnummeriert.
Im SYM-Verzeichnis können auch benutzerdefinierte SPICE-Modelle liegen. Sie werden im
jeweiligen Symbol angegeben und bestehen aus einer SPICE-Beschreibung einer einzelnen
Komponente als ".model". Sie haben die Endung MOD.
2.2. SPICE: CIR, OUT, TXT, LIB
Die Dateien von SPICE werden bei der Einbindung in Workview genauso benutzt, wie im
Stand-Alone-Betrieb, nur daß sie jetzt automatisch generiert bzw. ausgewertet werden. Manuelle Eingriffe in die CIR-Dateien sind unnötig.
CIR:
Circuit Description File
Wird vom Netlister WSPICE generiert, kann auch nach der Generierung betrachtet und, falls es sinnvoll erscheinen sollte, bearbeitet werden. Beeinflußt
wird diese Generierung von Kommandozeilenparametern und vor allem von
speziellen Attributen der Komponenten im Schaltplan, sowie durch spezielle
"Instrumente".
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OUT:
Standard Output File
Wird standardmäßig von SPICE generiert. Es ist für Menschen verständlich,
enthält Fehlermeldungen und SPICE-Analyseergebnisse, die nicht von
VIEWtrace geliefert werden (z.B. Sensitivity-Analyse). Es kann auch für
VIEWtrace als Input dienen. Die Simulationsergebnisse werden als Tabelle mit
gleichen Zeitabständen ausgegeben; durch die dazu nötige Interpolation entstehen allerdings Fehler. Beim Einlesevorgang benötigt VIEWtrace deutlich
länger (beim Beispiel NFSTUFE z.B. 87s statt 3s). Deshalb ist das folgende
Format schneller und genauer:
TXT:
CSDF Output File
Durch das Symbol CSDF (Common Simulation Data Format) wird die
Ausgabe der berechneten Werte in voller Genauigkeit erzwungen, statt nur
interpolierter Werte im OUT-Format. Es ist für Menschen schwer verständlich,
da es nur Zahlenkolonnen enthält. Dieses Dateiformat ist mit VIEWtrace sehr
schnell einzulesen und genau und bequem auswerten. Es enthält keine
Auswertungen wie z.B. die Sensitivity-Analyse.
LIB:
Library File
In Bibliotheken (Libraries) sind Gruppen von Modellen definiert. Mit
Workview können weitere Workview - Modelle (MOD-Dateien) in die CIRDatei aufgenommen werden, ohne daß sie in den Standard-Libraries vorhanden
sein müssen. Modelle, die für Workview nicht definiert sind, müssen in einer
SPICE-Library definiert sein.
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3. Organisation der Dateien: Modelle, Libraries, Schaltpläne, Symbole
3.1. Der Informationsfluß
Das folgende Diagramm gibt einen groben Überblick über die Herkunft und den Fluß der
Informationen zwischen den verschiedenen Programmen:
Abb. 1: Signalfluß bei der Analogentwicklung
Der gesamte Prozeß wird in der Workview-Umgebung durchlaufen, die Kopplung der Programme erfolgt im allgemeinen ohne Intervention des Benutzers. Vor der ersten Simulation
müssen für beide Programme die Suchpfade getrennt angegeben werden; dies geschieht bei
der Standard-Installation des jeweiligen Programms. Bei Workview werden die Pfade durch
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das Programm VIEWfile definiert, bei PSPICE durch Setzen der Umgebungsvariablen
PSPICELIB, bzw. durch die Sammel-Bibliothek NOM.LIB, wie Abb. 1 angedeutet.
3.2. Modelle
Es gibt dreierlei Arten von Modellen im Gesamtsystem Workview-PSPICE:
❍
Modelle, die als Attribut nur in einem Symbol definiert sind, z. B. die
Induktivität IND.1, die zu den Workview Standardbauteilen gehört.
❍
Modelle, die zusammen mit den Symbolen in den Library-Verzeichnissen von
Workview als PSPICE-Modelle mitgeliefert wurden: MOD-Dateien in den
jeweiligen SYM-Verzeichnissen, z.B. für Transistoren und Dioden. Das jeweilige Modell muß im Attribut MODEL angegeben werden. Modelle finden sich
z.B. auch im Verzeichnis AMODELS.
❍
Modelle, die sich auf SPICE-Modelle beziehen. Sie sind nicht in den
Workview-Libraries enthalten, sondern müssen für PSPICE durch die
Suchpfade auffindbar sein.
3.3. Libraries
Auch Libraries existieren sowohl für Workview, wie auch für SPICE. Die analogen
Workview-Libraries untergliedern sich wie folgt:
ANALOG
Grundelemente und Instrumente für die Simulation einfacher analoger
Schaltungen, einschließlich spezieller Komponenten wie CSDF oder
O'SCOPE.
AMODELS
Einfache PSPICE-Modelle (MOD-Dateien).
EXTENDED
Weitere, von VIEWlogic gelieferte, komplexe Modelle für die
Simulation.
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PSPICE hat seine Libraries normalerweise im Unterverzeichnis LIB unter dem PSICEVerzeichnis. Die verwendeten Libraries sind in NOM.LIB angeführt. Dieser Suchpfad für die
Libraries muß vor Beginn der Simulationen in der Variablen PSPICELIB3 angegeben sein.
3.4. Symbole
Workview sucht Symbole zuerst im SYM-Verzeichnis unter dem aktuellen ProjektVerzeichnis. Anschließend werden die "Project Search" Pfade aus der VIEWDRAW.INI Datei
abgesucht.
3Beispielsweise durch folgenden Befehl auf der DOS-Ebene: SET PSPICELIB=C:\PSPICE\LIB
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4. Der Netlister WSPICE: Vom Schaltplan zur
CIR-Datei
WSPICE ist das Programm, das die CIR-Datei für SPICE aus den Workview-Netzlisten zusammenstellt. Es wird durch den Befehl SIM ... oder durch WINDOW OPEN UTILITY
ANALOG WIRELIST PSPICE HIER/FLAT aufgerufen, nachdem die Netzlisten überprüft
wurden. Es läßt sich jedoch auch mit dem SYS-Befehl aufrufen, falls bestimmte
Ausgabeformate gewünscht werden.
4.1. Die Kommandozeilenargumente
Kommandozeilenargumente werden nach einem Minuszeichen "-" angegeben, mehrere
Schalter können so zusammengefaßt werden: -#pfd (ohne Leerzeichen). Dies aktiviert die
Schalter #, p, f, d; das sind übrigens die Standard - Einstellungen. Es folgt die Liste aus dem
Analog User's Guide der Version 4.1.1, die aber auch schon für die Version 4.0b zu gelten
scheint.
#
Ziffern statt Namen für die Knoten verwenden (Standard)
a
fremder Simulator, Warnungen für spezielle SPICE-Probleme werden unterdrückt
b
keine Warnung für parametrierte Attribute
cnn
Maximal nn Zeichen in einem Namen
d
Dictionary (Namens-Übersetzungstabelle) ausgeben (Standard)
e
Dracula - Netzliste
f
flache Netzliste (Standard)
g Datei
Name der Datei, die am Anfang eingefügt wird
h
hierarchische Netzliste
i
PRINT - Befehle ignorieren
k Datei
Konfigurationsdateiname (Sammlung dieser Schalter). Standard: WSPICE.INI
lxx
Zusätzlich xx als LEVEL=wert benutzen
m
Metasofts HSPICE Netzliste
n
Knotennamen, nicht Ziffern benutzen
oxx
xx als erste Wahl für ORDER=attr_name
p
PSPICE Netzliste (Standard)
q
kein Dictionary ausgeben (quiet)
r
Rating-Werte in Datei ausgeben
s
Berkley SPICE Netzliste
t
AT&T Netzliste
u Datei
OAT/DTB Dateiname
v
Ausführliches DIctionary
x
Cross-Reference Datei schreiben
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yxx
xx als erste Wahl für PREFIX=attr_name
z
Keine MOD-Dateien einlesen
Eine sinnvolle Anwendung der Liste ist die Abänderung des SIM PSPICE - Kommandos in
einen Simulatoraufruf mit einer hierarchischen Netzliste, oder die Anpassung an einen anderen SPICE-ähnlichen Simulator.
4.2. Vordefinierte Instrumente, Quellen und Komponenten
Viele analoge Symbole in Workview (in den Untermenüs Add SOURCE / PROBE /
INSTRUMENT) sind keine realisierbaren Komponenten. Sie werden auf dem Schaltplan plaziert, ähnlich wie man Meßinstrumente und Testpunkte an eine Schaltung anschließt. Sie sind
vordefiniert, können aber leicht bearbeitet werden.
Diese Symbole bewirken alle, daß eine oder mehrere Zeilen in die CIR-Datei eingefügt werden, genauso wie man diese Zeilen per Hand in die CIR-Datei schreiben würde. Der Beginn
der SPICE-Zeile ist im Attribut GENERATOR angegeben, die weiteren Argumente werden als
Pins oder über das ORDER-Attribut übergeben.
4.2.1.
Instrumente
Fast alle unter SPICE üblichen Instrumente sind als Symbole vorhanden. Die Parameter (z.B.
TSTEP und TFINAL beim Oszilloskop (.TRAN)) werden mit Attributen angegeben. Gut
geeignet sind dafür die Befehle DIALOG SPICE oder DIALOG ALL. Beispiele für solche
komplexen Meßinstrumente und ihre Namen im Menü (Aufruf per Add INSTRUMENT) sind:
❍
Arbeitspunkt-Übersicht (BIAS-PT), Bodeplot (BODE), Oszilloskop
(O'SCOPE) zur Angabe der Simulationszeiten und -Schritte, Spannungs- oder
Strommesser, Spektrumanalyzer, Monte für eine Monte-Carlo-Analyse,
NOISE für eine Berechnung des Rauschens, SENSTVTY (=sensitivity) gibt die
linearisierte Gleichspannungsempfindlichkeit am Arbeitspunkt an, STEP um
beliebige Eingangssignale durchzuwobbeln, SWEEP läßt Gleichstrom- oder
Modellparameter in einem Bereich einen Wertebereich durchstreifen, TEMP
setzt eine bestimmte Temperatur, WCASE steht für Sensitivity-Analyse und
Worst Case Simulation.
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
❍
Hilfsinstrumente, die bestimmte Simulationsparameter einstellen, wie das
CSDF, (Common Simulation Data Format), OPTIONS wie der gleichlautende
Befehl in der SPICE Quelldatei, WIDTH, der die Zeilenbreite in der OUTAusgabedatei angibt.
❍
Spezielle Analysefunktionen: XFER für die im Arbeitspunkt linearisierte
Übertragungsfunktion (Transfer Function) an einem Knoten, FOURIER für
eine Fourier-Analyse in die OUT-Datei (nicht zu verwechseln mit der FFT in
VIEWtrace).
Am Beispiel OPTIONS-Instrument erkennt man, daß dieses Symbol einfach nur verschiedene
Werte in die CIR-Datei einträgt. In den Attributen sind die Simulations-Standardwerte angegeben, die sich über dieses Instrument leicht ändern lassen. Zwei zulässige Attribute sind zum
Beispiel:
LIMPTS
Begrenzt die Simulation auf die gegebene Zahl von Datenpunkten.
Standard sind 2000 Punkte. Muß bei Simulationen mit vielen
Datenpunkten entsprechend erhöht werden, da die Simulation sonst abgebrochen wird; der Wert 0 steht für unendlich viele Datenpunkte.
NUMDGT
Gibt die Genauigkeit der Simulationswerte in der *.OUT Datei an.
Standard ist 6 Fließkommastellen.
4.2.2.
Quellen
Auch Quellen werden über die Attribute definiert; es sind Strom- oder Spannungsquellen vorhanden, mit Frequenzen ab 0 Hz, mit unterschiedlichen Verläufen (sinusförmig, exponentiell,
logarithmisch, pulsierend, frequenzmoduliert oder abschnittweise linear beschrieben
(piecewise linear = PWL)). Speziell für PWL-Quellen gilt zusätzlich, daß man bei mehr als 10
Wertepaaren eine Datei mit den Datenpaaren angeben kann, für beliebig umfangreiche
Signale. Diese Datei wird vom Netlister in die CIR-Datei eingefügt, was natürlich den
Umfang sehr vergrößern kann.
Zur Erzeugung von PWL-Dateien findet sich im Anhang, S. 50, ein Beispielprogramm in der
Programmiersprache BASIC (GWBASIC, QBASIC). Es erzeugt ein komplexes Signal: es
wird das Läutsignal auf einer Telefonleitung simuliert, wenn nach dem Zustandekommen der
Verbindung noch eine weitere "0" gewählt wird. Kombiniert ist hier eine
Gleichspannungsquelle mit einer getakteten Sinusspannung, wobei das gesamte Signal wiederum durch die Wählimpulse unterbrochen wird.
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4.2.3.
Komponenten
Für Standardbauteile liegen Symbole vor, die automatisch die Modelle aus der VIEWlogicBibliothek aufrufen. Bei Bauteilen mit vielen Typen (z.B. Transistoren) muß die gewünschte
MOD-Datei im Attribut MODEL angegeben werden, sonst wird ein Standard-Typ angenommen.
Werden oft Bauelemente benötigt, die nicht direkt im Menü enthalten sind, dann sollte die
Dialogbox für Dateioperationen mit dem Tastaturbefehl DBOXON aktiviert werden. Nach dem
Befehl Add Component Other lassen sich diese Komponenten dann aus einer
Auswahlliste selektieren.
4.3. Eigene Komponenten
Das Erzeugen eigener Symbole und Komponenten läßt sich am leichtesten durch Betrachten
eines Beispieles nachvollziehen. Als Beispiel diene das Symbol eines NFET mit den dazugehörigen Attributen:
Abb. 2: NFET-Standardsymbol mit allen Attributen
Viele dieser Attribute sind für die Simulation unwichtig. Sie werden für Stücklisten benötigt
(REFDES, PARTS), für Layout-Programme (PINTYPE, PARTS, PKG_TYPE, #), oder für
beliebige andere Zwecke. Manche Attribute, wie REFDES, werden von verschiedenen
Programmen ausgewertet. In diesem Beispiel werden die Attribute ORDER, PREFIX, MODEL
und REFDES für die Analogsimulation genutzt.
Die Funktion der Attribute wird im folgenden erläutert, wobei dem ORDER-Attribut wegen
seiner überragenden Bedeutung ein Abschnitt "4.4. Parameterübergabe: das ORDER-Attribut",
S. 17, gewidmet ist.
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4.3.1.
Zwingend nötige Attribute
Folgende Attribute werden auf jeden Fall benötigt, um eine eigene Komponente zu definieren:
MOD
Verweist auf ein Modell in SPICE-Libraries, die mit .LIB angegeben
wurden. Bei der Verwendung von SPICE-Modellen sollte MOD statt
MODEL eingesetzt werden, selbstverständlich auch im ORDER-Attribut.
Der Netlister versucht dann nicht, die Datei selbst zu finden, sondern
delegiert die Suche an SPICE.
MODEL
Verweist auf ein Modell in der Workview -Library, (z.B. SYM oder
ANALOG, AMODELS, EXTENDED). WSPICE sucht nach einer
Modelldatei mit dem angegebenen Namen und der Endung MOD und
fügt sie in die CIR-Datei ein. Falls Modelle der SPICE-Bibliothek benutzt werden sollen, muß MOD verwendet werden, wie eben erklärt
wurde.
ORDER
Definiert das oder die Argumente nach dem Bauteil-Bezeichner in der
CIR-Datei. Dieses Attribut ist so wichtig, daß es im Abschnitt
"4.4. Parameterübergabe: das ORDER-Attribut" genau besprochen wird.
PREFIX
Gibt den Kennbuchstaben des Bauteil-Bezeichners für SPICE an. Muß
laut SPICE-Handbuch gewählt werden.
REFDES
Gibt den Bauteil-Bezeichner (Reference Designator) für Workview an.
Ein oder mehrere Buchstaben, dann ein Fragezeichen.
4.3.2.
Wichtige Attribute
NO_PINS
Ist als Wert die Zahl 1 angegeben, dann fügt der Netlister vor dem String
durch das ORDER-Attribut nicht die Liste der Netze an den Pins des
Bauteils an. Hinter der Bauelement-Referenz steht also nur das, was
durch das ORDER-Attribut erzeugt wird.
Eine 0 bewirkt, daß das NO_PINS Attribut keine Funktion hat, und genauso gut fehlen könnte.
PINORDER Gibt an, in welcher Reihenfolge die Liste der Netze an den Pins übergeben werden soll.
TYPE
Für Quellen gibt dieses Attribut an, welche Datei das Modell enthält.
Beispiel: TYPE=SIN spezifiziert die Datei SIN.MOD.
PARNAM
Gibt bei einem hierarchischen Entwurf an, mit welchen Argumenten ein
.subckt aufgerufen wird. Ein Beispiel dazu befindet sich auf Seite 22.
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4.3.3.
Sinnvolle eigene Symbole
Sinnvoll sind in erster Linie Symbole, für die eigene Modelle oder Modelle in SPICEBibliotheken existieren, und denen kein Symbol zugeordnet ist.
Häufig benutzte Bauteile, die man in Workview als Standardbauteil + MOD-Datei jedesmal
neu mit Attributen angeben muß (z.B. ein bestimmter NFET), sollten als eigene Symbole abgelegt werden.
4.3.3.1.
Ein Library-Symbol
Zu SPICE Funktionen, für die keine Symbole existieren, müssen ebenfalls eigene Symbole
angelegt werden, z.B. für den Aufruf eigener Bibliotheken, die nur in einem bestimmten
Projekt verwendet werden sollen. Die Attribute für ein neu zu schaffendes Symbol
MEINELIB wären
GENERATOR =.LIB
ORDER
=LIB$
LIB
=Datei.LIB
Für Datei wäre die Library mit Pfad anzugeben, die man am häufigsten benötigt. Bei der
Benutzung einer anderen Library wird das Symbol MEINELIB auf den Schaltplan plaziert
und der Wert von LIB mit DIALOG ALL geändert. Mehrere Libraries lassen sich durch
mehrere Symbole oder ein Symbol mit einer Sammel-LIB vergleichbar mit NOM.LIB angeben. Die durch dieses Symbol erzeugte Zeile in der CIR-Datei wird von WSPICE folgendermaßen generiert:
.LIB Datei.LIB
Achtung:
Man sollte für die Variable in den beiden unteren Zeilen den Namen LIB nehmen, und nicht
den Namen FILE verwenden. Bei FILE setzt der Netlister selbst die gesamte Datei ein, und
vergrößert so die CIR-Datei unnötig.
Übungsvorschlag 1:
Legen Sie ein Symbol für eine Bibliothek an. Es soll auf eine Library
C:\WORKVIEW\UEBUNG\Meine.lib verweisen, und so die Angabe einer projektbezogenen Library auf Schaltplanebene ermöglichen. Die Form des Symbols ist Ihnen überlassen.
Was für einen "Blocktype" hat das Symbol? Wie geben Sie die Attribute an ?
Stop! Wie lautet die Antwort?
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Lösungsvorschlag:
Zeichnen Sie ein Symbol, definieren Sie es mit Blocktype Module, definieren Sie LIB als
C:\WORKVIEW\UEBUNG\Meine.lib (vgl. Beispiel MEINELIB, dritten Zeile). Benutzen
Sie DIALOG All zur Definition der Attribute. Sie sollten die Attribute unsichtbar machen.
Nach einem File Write können Sie es im Schaltplan einsetzen. Eine Musterlösung liegt
als Symbol Mylib vor. Beachten Sie bitte den Hinweis auf S. 13 über den Einsatz des
Attributes MOD statt MODEL.
Eine bereits angedeutete Abwandlung dieses Symbols ermöglicht das Einbinden eines
Standardtextes, z.B. des Firmennamens und Bearbeiters in die generierten CIR-Dateien. Statt
der Variablen LIB wird einfach FILE eingesetzt. Die Zeilen in der einzulesenden Datei sollten
Kommentare sein. Beispiele dafür finden sich im Symbol KOPF und der Logo-Datei
MEIN.LGO.
4.3.3.2.
Das geänderte CSDF-Symbol CSDFPINS
Ein weiteres, sinnvolles Symbol ist eine Verbesserung des CSDF-Symbols. Das normale
Symbol bewirkt die Speicherung aller Signale in der Ausgabedatei. Durch ein neues
CSDFPINS-Symbol, das nur bestimmte, hier maximal sechs Signale in die TXT-Datei ausgeben läßt, lassen sich die Datenmengen und damit die Simulations- und Auswertezeiten auf
deutlich weniger als ein Zehntel reduzieren, je nach Komplexität der Schaltung auch mehr.
Übungsvorschlag 2:
Das normale CSDF-Symbol soll um Pins erweitert werden. Bearbeiten Sie das
Standardsymbol, so daß es wie in Abb. 3 aussieht. Speichern Sie es unter dem Namen
CSDFPINS ab. Müssen Attribute geändert werden? Wenn ja, welche?
Abb. 3: Aussehen des CSDF-Symbols mit 6 Pins
Stop! Wie lautet die Antwort?
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Lösungsvorschlag:
Das ORDER-Attribut muß nicht angepaßt werden, sondern es müssen nur Pins zum Anschluß
der gewünschten Signale an das Symbol angebracht werden. Sie müssen eindeutige Labels
erhalten. Ein Lösungsvorschlag liegt als Symbol CSDFP vor. Bei einem FILE WRITE sollten
ungefähr folgende Informationen gelistet werden:
SYMBOL NAME: CSDFPINS.1
BLOCK TYPE: MODULE
UNATTACHED ATTRIBUTES:
Attribute PREFIX=*
Attribute ORDER=
Attribute GENERATOR=.PROBE/CSDF
PIN INFORMATION:
Pin
Pin
Pin
Pin
Pin
Pin
Label:
Label:
Label:
Label:
Label:
Label:
A
F
B
C
E
D
Die Namen der Netze an den Anschlüssen werden hinter den Text durch das GENERATORStatement gesetzt. Wenn also drei Signale VIN, VOUT, VNIX an beliebigen Pins des
Symbols anliegen (oder kurze Netze mit entsprechenden Labels), dann steht in der CIR-Datei
folgende Zeile
.PROBE/CSDF VIN VNIX VOUT
Sind keine Signale am Symbol angeschlossen, dann wirkt es demnach genau wie das original
mitgelieferte Symbol, der Netzlister gibt jedoch eine Warnung aus, daß kein Pin angeschlossen ist. Für die Zahl der Pins gibt es keine praktisch interessierende Grenze.
Anstatt über Pins, oder zusätzlich zu Pins, könnten Signale auch per ORDER-Attribut
angeben werden, falls dies der Übersichtlichkeit wegen günstiger erscheint.
Beispiel: Ein- und Ausgangssignal sollen in jeder Simulation protokolliert werden und sind
im ORDER-Attribut definiert, weitere Meßpunkte werden an die Pins angeschlossen.
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
4.3.4.
Tips zum Anlegen der Symbole
Folgende Punkte sind beim Anlegen eines Symbols wichtig:
❍
Erst das Symbol zeichnen, dann mit LEVEL PUSH SCHEMATIC auf die
dazugehörige Schaltplanseite wechseln. Beide haben so den gleichen Namen
und sind in den richtigen Verzeichnissen.
❍
Die Pins am Symbol mit CREATE PIN anlegen, die anderen Linien mit
CREATE LINE/BOX/CIRCLE/.... Pins anschließend mit Labels versehen.
❍
Symbole ohne darunterliegenden Schaltplan mit CHANGE .. BLOCKTYPE
MODULE zu einem Grundmodule machen.
❍
Bei nachträglichen Fehler-Verbesserungen jeweils den neuen Stand mit FILE
WRITE sichern, sonst ist u.U. im übergeordneten Schaltplan noch das alte
Symbol (vor der Änderung) eingetragen.
4.4. Parameterübergabe: das ORDER-Attribut
Das komplexeste Thema beim Zusammenspiel von Workview und SPICE ist die Übergabe
von Parametern aus der Schaltplanebene in die CIR-Datei-Ebene. Das ORDER-Attribut mit
sechs Sonderzeichen ermöglicht komplizierte Parameterübergaben.
Das ORDER-Attribut kann feste, variable und formelhafte Argumente übergeben. Im einfachsten Beispiel, dem Widerstand, werden die beiden Anschlüsse und der Wert übergeben:
R1
VOUT 0 100
würde durch
ORDER=VALUE$
VALUE=100
angegeben. Der erste Pin muß dabei im Schaltplan an GND (0) angeschlossen sein, der zweite
an ein Netz mit der Bezeichnung VOUT.
Das PREFIX-Attribut erzeugt die Zeichen "R1", der Netlister fügt die Liste der Netze ein (0
VOUT), und das ORDER-Attribut erzeugt den gesamten Text nach der Liste aller angeschlossenen Netze, hier also nur "100", in anderen Fällen aber Zeichenketten, die leicht eine
Schreibmaschinenzeile einnehmen können.
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17
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Die speziellen Zeichen, die in einem ORDER-Attribut auftreten können, haben folgende
Bedeutung: Ein
$
am Ende des Parameters bewirkt eine Wertübergabe: Nur der Wert des
Attributes wird in die Netzliste übergeben (im Beispiel ist das "100").
=
bewirkt die Übergabe des vollständigen String des Attributes. Dabei wird der
Name des Attributes und sein Wert gemeinsam in die Netzliste übergeben (im
Beispiel wäre das "VALUE=100").
&
wird benutzt, um andere Komponenten mit ihrem internen Namen (z.B. $1I33
für einen Transistor QEINGANG) anzugeben. QEINGANG würde dann in der
CIR-Datei erscheinen. Dies ist äußerst wichtig, sobald von einem Symbol
mehrere Instanzen in einer Schaltung übergeben werden. Ein Beispiel dazu
findet sich auf Seite 27 ff. Der eigene Name wird mit . übergeben.
[
am Ende eines Pin-Labels gibt an, daß das an dem jeweiligen Pin anliegende
Netz (sein Label) übergeben werden soll. Es wird also ein Knoten in die
Netzliste eingefügt. Dies kann zusammen mit dem NO_PINS=1 Attribut verwendet werden, um spezielle Anordnungen der Pins zu übergeben.
"
umschließt Zeichenketten, die unverändert übergeben werden, womit sich z.B.
SPICE-Funktionen definieren lassen.
\
vor einem " " " ermöglicht es, Anführungszeichen ebenfalls zu übergeben.
Für die weiteren Betrachtungen müssen die flache Netzliste (Standard) und die hierarchische
Netzliste unterschieden werden:
4.4.1.
Flache Netzliste
Folgende Überlegungen gehen von einem selbst definierten Symbol für ein Potentiometer aus.
Standardmäßig hat es einen Widerstand von 1kΩ, und steht in der Mitte: Position = 0,5. Die
Position gibt an, wieviel des Gesamtwiderstandes auf die obere Potentiometerhälfte (zwischen
IN2 und OUT) entfällt. Die Schaltung soll mit verschiedenen Werten simuliert werden, es soll
dabei nur den Wert für die Position geändert werden müssen, nicht die der beiden
Teilwiderstände.
Nach dem Befehl SIM PSPICE wird eine flache Netzliste (Wirelist) erzeugt. In ihr müssen
die Variablen mit einem @ beginnen, z.B. @POS für die Position.
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18
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
4.4.1.1.
Beispiel: Parametrisierung bei flacher Netzliste
In Abb. 4 ist eine Testschaltung4 gegeben, die aus einer Quelle und dem Potentiometer
besteht. Das Attribut @POS wurde im Schaltplan auf den Wert 0.9 geändert. Für die
VIEWtrace-Auswertung wurden die Symbole CSDF und OSCILLOSCOPE hinzugefügt.
Abb. 4: Schaltplan mit einem parametrisiertem Potentiometer
Wird nun das Potentiometer selektiert und ein LEVEL PUSH SCHEMATIC durchgeführt,
dann erscheint folgender Schaltplan:
Abb. 5: Schaltplanebene des Potentiometers für flache Netzlisten
Die VALUE-Attribute der beiden Teilwiderstände wurden auf die oben angegebenen Werte
gesetzt. Der Anteil .001 ist als Schleiferkontaktwiderstand zu verstehen. Er sorgt dafür, daß
SPICE auch bei Werten von 1 oder 0 für die Position Widerstandswerte mit Zahlen ungleich
Null rechnet. Ein Wert von 0 als Widerstandswert ist verboten.
4Schaltung PARAF1
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19
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
In der darüberliegenden Symbol-Ebene müssen die Attribute für das Symbol in diesem Fall
folgendermaßen aussehen, damit die geforderten Standard-Werte definiert sind:
@RPOT=1000
@RPOS=0.5
REFDES=P?
@RPOT gibt den Standardwert für den Potentiometer-Gesamtwiderstand an, @RPOS den Wert
für die Schleifer-Stellung. Die resultierende CIR-Datei ist dann:
* Project PARAF1
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
VIN
N10 0
SIN ( 0V 100MV 100KHZ 0 0 0 )
R1
0
VAUSGANG 9.0000E+02
R2
VAUSGANG N10 1.0000E+02
.TRAN 1US 100US
.PROBE/CSDF
* DICTIONARY 2
* $1N10 = N10
* GND = 0
.PRINT TRAN V([VAUSGANG])
.END
Wegen der flachen Netzliste sieht man das Potentiometer nicht mehr als eine Einheit, sondern
in seine Komponenten zerlegt. Bei größeren Teilschaltungen kann dies schnell unübersichtlich
werden.
Übungsvorschlag 3:
Entwerfen Sie ein 8-fach Pull-down Widerstandsnetzwerk (8 Widerstände gleichen Wertes
sind zur Leitungsterminierung gegen Masse geschaltet). Es soll in der Schaltplanebene mit
einer einzigen Angabe seinen Widerstandswert zugewiesen bekommen. Zum Test des
Symbols sind in der einfachen Testschaltung PULLDT eine Spannungsquelle und acht
Kapazitäten gegeben, an der das kapazitive Verhalten eines Busses studiert werden könnte.
Schließen Sie ihr Widerstandsnetzwerk an und lassen sie eine SPICE-Netzliste generieren5.
Kontrollieren Sie die CIR-Datei mit einem Editor.
Stop! Wie lautet die Antwort?
5Über Menü per Window Open Utility Analog Wirelist PSpice Flat
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20
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Lösungsvorschlag:
Ein Symbol mit 8 Pins wird angelegt, ein Attribut REFDES und @RPULLD definiert, in
einem Schaltplan unter der Symbolebene wird ein Widerstand mit [email protected]
erzeugt, siebenfach kopiert, und alle Widerstände mit den Pins und mit GND verbunden. Die
Attribute werden unsichtbar gemacht. Ein Lösungsbeispiel liegt im Symbol PULLDWN8 und
der Schaltung PULLTEST vor.
4.4.2.
Hierarchische Netzliste (Subcircuits)
Hierarchische Netzlisten lassen sich generieren, indem man WINDOW OPEN UTILITY
ANALOG WIRELIST PSPICE HIER oder per Tastatur mex whpspice ausführt. Die
Simulation wird dann gestartet mit sys pspice schaltungsname.
4.4.2.1.
Beispiel: Parametrisierung bei hierarchischer Netzliste
Bei hierarchischen Netzlisten werden Teilschaltungen als Subcircuit (.SUBCKT) -Einträge in
der CIR-Datei definiert. Man benötigt hierfür mehr Attribute, gewinnt dafür auch mehr
Übersichtlichkeit in der CIR-Datei; die Schaltplanebene sieht jedoch ähnlich aus6
Abb. 6: Potentiometer für hierarchische Netzliste mit allen, sichtbar gemachten Attributen
6S. Datei PARAH1
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Neu hinzugekommene Attribute: PARNAM gibt die Argumente (in der eigentlichen SubcircuitDefinition) für den .SUBCKT Aufruf an, und ein geändertes ORDER-Attribut, das den Text
im Aufruf der Teilschaltung angibt:
ORDER=" PARAMS: " POS= RPOT=
PARNAM=PARAMS: POS=0.8 RPOT=2000
Im String innerhalb der Anführungszeichen (") steht das SPICE-Schlüsselwort PARAMS: mit
je einem Leerzeichen davor und dahinter. Sie sorgen dafür, daß das Word PARAMS: nicht mit
den anderen Einträgen der CIR-Zeile zusammenstößt. Dieses Wort PARAMS: weist PSPICE
an, die Parameter zu ersetzen; es sollte nicht mit dem Attribut PARNAM für den Netlister
verwechselt werden.
Das Attribut PARNAM gibt die erste Zeile der Definition des Subcircuits an, die angegebenen
Parameter sind die Standard-Werte, die durch ein entsprechendes ORDER-Attribut geändert
werden können. Zur besseren Unterscheidung von den durch das ORDER-Attribut bewirkten
Einträgen in die CIR-Datei sind in diesem Beispiel die Standardwerte für RPOT auf 2000 Ω
und für POS auf 0,8 festgelegt worden.
Unter der Symbolebene liegt eine gegenüber der flachen Netzliste geänderte Schaltplanebene:
Abb. 7: Schaltplanebene des Potentiometers für hierarchische Netzlisten
Das ganze ORDER-Attribut ist jeweils ein String, mit geschweiften Klammern um den
Ausdruck. Dieser Ausdruck erscheint so, wie angegeben als String in der CIR-Datei und wird
erst von SPICE evaluiert.
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22
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Die dazu gehörige CIR-Datei sieht folgendermaßen aus:
* Project PARAH1
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
* Definition for project POT2H
.SUBCKT POT2H IN1 IN2 OUT PARAMS: POS=.8 RPOT=2000
R1
IN1 OUT {.001+(RPOT*(1-POS))}
R2
OUT IN2 {.001+(RPOT*POS)}
* CROSS-REFERENCE 1
* GND = 0
.ENDS
VIN
N10 0
SIN ( 0V 100MV 100KHZ 0 0 0 )
X6
0
N10 VAUSGANG POT2H PARAMS: POS=.5 RPOT=1000
.TRAN 1US 100US
.PROBE/CSDF
* DICTIONARY 1
* GND = 0
.PRINT TRAN V([VAUSGANG])
.END
Die Zeile durch das PARNAM-Attribut ist fett hervorgehoben, die durch das ORDER-Attribut
ist fett und kursiv ausgezeichnet. Wie ersichtlich, wurden die im Schaltplan angegebenen
Werte eingesetzt.
4.4.2.2.
Verhaltensbeschreibung
Eine weitere Variante ist die rein mathematische Beschreibung einer Komponente und ihre
Definition in einem ORDER-Attribut. Als Beispiel ein spezieller VCO:
Abb. 8: VCO-Symbol mit dazugehörigen Attributen
Die äußere Beschaltung (Widerstände, Spannungsquelle, Meßgeräte) sieht in diesem
Übungsbeispiel7 so aus:
7S. Datei VCOTEST
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23
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Abb. 9: Testbeschaltung für VCO
Die Widerstände sind nötig, damit SPICE einen Strompfad von den jeweiligen Anschlüssen
zur Masse findet. Daraus ergibt sich dann folgende CIR-Datei:
* Project VCOTEST
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
G1
OUTV 1 VALUE={10MA*SIN(2*3.14*10KHZ*TIME*(10V+V( N3)))}
R1
OUTV 0
10MEG
R2
1
0
10MEG
VIN
N3 0
SIN ( 3 3 1KHZ 0 0 0 )
R3
0
N3 10MEG
.PROBE/CSDF
.TRAN 1US 1MS
*
*
*
*
*
*
*
*
DICTIONARY 4
OUTV- = 1
OUTV+ = OUTV
$1N3 = N3
GND = 0
PROBES 2
V(1)
V([OUTV])
.PRINT TRAN V(1) V([OUTV])
.END
Man sieht, wie die Anschlüsse IN, OUT+ und OUT- durch die Knotennamen ausgedrückt
wurden: IN wurde durch das Netz N3, OUT+ durch das Netz OUTV (statt OUTV+ im
Schaltplan) und OUT- durch 1 (OUTV- im Schaltplan) ersetzt. Die letzten Namen mußte der
Netlister ändern, da sie sonst nicht PSPICE-konform gewesen wären. Eine
Übersetzungstabelle steht ab DICTIONARY in der CIR-Datei; die Zahl nach DICTIONARY
gibt die Zahl der übersetzten Namen an.
Übungsvorschlag 4:
Denkfrage: Ist die Modellierung des VCO ohne NO_PINS-Attribut möglich? Hilft das
Attribut PINORDER dabei?
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24
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Stop! Wie lautet die Antwort?
Lösungsvorschlag:
Der VCO ist über das ORDER- und das PREFIX-Attribut definiert. Hinter der BauteileReferenz G1 steht nur der durch das ORDER-Attribut definierte Ausdruck. Ohne ein
NO_PINS=1 Attribut würde zwischen diesen beiden Teilen eine Liste der angeschlossenen
Netze eingefügt.
Die Aufgabe ließe sich nur durch eine Model-Datei mit einer entsprechenden SubcircuitDefinition lösen, wobei PINORDER zur Angabe der Argumenten-Reihenfolge dienen könnte.
Man bräuchte allerdings neben dem MODEL- auch das PARNAM-Attribut, damit die
Argumente auch an den Subcircuit richtig übergeben werden. Diese Lösung ist also viel zu
umständlich. Vergleichen Sie dazu die Beispiele auf Seiten 22 und 30.
4.5. Eigene und geänderte SPICE-Modelle in Workview
4.5.1.
Vorgehen bei geänderten und neuen Symbolen
Will man vorhandene Symbole nur abändern, dann sollte man sie zuerst in ein eigenes Projekt
kopieren, also die zusammengehörenden Dateien aus den Unterverzeichnissen SYM, SCH und
ggf. MOD-Dateien. Falls viele selbstdefinierte Symbole existieren, sollten sie zusammen in
ein eigenes Projekt gelegt werden, das dann im VIEWdraw-Suchpfad eingetragen werden
kann. Hier ist übrigens die Reihenfolge der Einträge identisch mit der Suchfolge.
Beim Kopieren sollte man andere Namen vergeben, und zwar sowohl für das Symbol, wie
auch für den Schaltplan. Bei FILE WRITE TO werden nicht automatisch beide Namen
geändert.
Für neue Symbole gilt das Gleiche, nur sollte man die "4.3.4. Tips zum Anlegen der
Symbole", S. 17 berücksichtigen.
4.5.2.
Gekoppelte Induktivitäten
Gekoppelte Induktivitäten gehören zu den Baugruppen, die auf jeden Fall in jeder Schaltung
anders definiert werden müssen. Für einfache Transformatoren kann man mit den
Standardsymbolen von Workview zurechtkommen, in komplexeren Fällen muß man sich ein
eigenes Symbol mit einer Beschreibung in einer selbstgeschriebenen MOD-Datei anlegen.
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25
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
4.5.2.1.
Aus Standardsymbolen abändern
Unterschiedlichste gekoppelte Induktivitäten lassen sich aus Standardsymbolen zusammensetzen. Für den einfachen Transformator existiert ein Symbol TRANSF.1, für einen
Transformator mit einer Mittenanzapfung heißt das Äquivalent TRANSFCT.1 (transformer
with coil tap). Zur Schaffung eines eigenen Transformators müssen die gleichnamigen MODDateien der ANALOG-Library unter einem anderen Namen gespeichert und geändert werden,
und im Schaltplan muß als MODEL dieser Name angeben werden.
Übungsvorschlag 5:
Entwerfen Sie eine einfache Testschaltung mit einer Signalquelle, einem StandardTransformator TRANSFCT mit Mittenanzapfung und Lastwiderständen. Einen einfachen
Schaltungsvorschlag finden sie in Abb. 11. Lassen sie eine CIR-Datei erstellen und speichern
Sie sie als Referenz ab. Ändern Sie Induktivitäten und Kopplungsfaktor in einer Kopie
TRANSNEU des Transformators im aktuellen Projekt und testen Sie die Schaltung mit ihrem
neuen Transformator: Hat sich die CIR-Datei wie erwartet geändert8?
Stop! Wie lautet die Antwort?
Lösungsvorschlag:
Abb. 11 ist ein Beispiel für eine Testschaltung. Falls Sie die Schaltungen simulieren wollen:
Die Simulationen müßten Sie mit zwei verschiedenen Schaltungen laufen lassen, oder, in einer
Schaltung, alle Spulen und Kopplungsfaktoren unterschiedlich benennen. Wie Sie das
automatisch erledigen lassen können, steht im nächsten Abschnitt. Kontrollieren Sie die OUTDatei mit einem Editor, oder das Simulationsergebnis mit VIEWtrace, wie später ab Seite 39
beschrieben9.
8Damit Sie die Datei TRANSFCT.MOD im ANALOG-Verzeichnis von Workview bearbeiten können, dürfen die Modelle nicht im
Megafile-Format vorliegen. Mit dem Programm SETUP können Sie das Format ändern. Denken Sie bitte daran, ggf. die VIEWdrawSuchpfade entsprechend zu ändern.
9Musterlösungen liegen in den Dateien TRSFCT und TRSFCT1 vor, mit dem Modell TRANSNEU.MOD im SYM-Verzeichnis
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26
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
4.5.2.2.
Aus Standardsymbolen zusammensetzen
Der rein graphische Weg, eigene Komponenten zu entwerfen, besteht darin, ein
Ersatzschaltbild aus Standardelementen anzulegen, und es einem eigenen Symbol zuzuordnen.
Zuerst wird ein geeignetes Symbol gezeichnet und mit den nötigen Attributen versehen. Bei
der Angabe der Spulennamen im Kopplungsfaktor TCORE ist eines zu beachten: daß die
Spulen nicht mit benutzerdefinierten Namen wie L1-L3 versehen werden, sondern daß die
jeweils von VIEWdraw vergebenen Namen (in diesem Fall $1I1-$1I3) angegeben werden.
Dies ermöglicht, zusammen mit dem &-Zeichen im ORDER-Attribut des Kopplungsfaktors,
ein automatisiertes Durchnummerieren der Elemente in der CIR-Datei. Bei
benutzerdefinierten Namen ist dies nicht möglich, wie der Vergleich weiter unten zeigt.
Abb. 10: Ersatzschaltbild einer gekoppelte Induktivität mit &-Zeichen im ORDER-Attribut
Das Standard-Symbol IND.1 ist eine waagrechte Induktivität, IND.2 eine senkrechte,
TCORE ist der Kopplungsfaktor. In Abb. 11 wurden Ind.2 und TCORE benutzt. Die
Induktivitätswerte werden in die Attribute eingetragen. Man beachte vor allem die Attribute
für den Kopplungsfaktor:
ORDER=A& B& C& COEFFICIENT$
COEFFICIENT=0.99
A=$1I1
B=$1I2
C=$1I3
Nicht gesondert gezeigt ist das Symbol, das der Ersatzschaltung übergeordnet wurde; es sieht
ihr zwar ähnlich, ist aber nicht gleich!
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Abb. 11: Testschaltung für eine gekoppelte Induktivität
Mit der Testschaltung ergibt sich diese CIR-Datei:
* Project KOPL1TST
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
L1
P
0
300U
L2
S1 0
200U
L3
0
S2 100U
K1
L1 L2 0.999
C1
N7 P
1U
R1
0
S1 10K
R2
S2 0
10K
V3
N7 0
DC 15V
.TRAN 100NS 1MS
.PROBE/CSDF
* DICTIONARY 2
* $1N7 = N7
* GND = 0
.PRINT TRAN V([P]) V([S1]) V([S2])
.END
Man erkennt die generierten Spulennamen L1-L3 und den Kopplungsfaktor K1.
Bei zwei oder mehr dieser Bauelemente in einer Schaltung ist es jedoch entscheidend, ob man
mit dem &-Zeichen im ORDER-Attribut arbeitet, oder mit dem $. Wie ein Vergleich zeigt, ist
das &-Zeichen in diesem Fall zwingend nötig. In Anlehnung an Programmiersprachen wie
PASCAL könnte man sagen, das $-Zeichen bewirke einen call by value, das &-Zeichen einen
call by reference.
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Abb. 12: Zwei gekoppelte Induktivitäten, &-Zeichen
Die dazu gehörige CIR-Datei:
* Project KOPL2TST
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
L1
P1 0
300U
L2
S11 0
200U
L3
0
S12 100U
K1
L1 L2 L3 0.99
C1
N7 P1 1U
R1
0
S11 10K
R2
S12 0
10K
V3
N7 0
DC 15V
V43
N40 0
DC 15V
C2
N40 P2 1U
R3
0
S21 100K
R4
S22 0
100K
L541
P2 0
300U
L542
S21 0
200U
L543
0
S22 100U
K541
L541 L542 L543 0.99
.TRAN 100NS 1MS
.PROBE/CSDF
*
*
*
*
*
*
*
*
DICTIONARY 7
S2-2 = S22
S2-1 = S21
$1N40 = N40
$1N7 = N7
S1-2 = S12
S1-1 = S11
GND = 0
.PRINT TRAN V([P1]) V([S11]) V([S12]) V([P2]) V([S21]) V([S22])
.END
Man erkennt die jeweils drei Spulen L1-L3, L541-L543 und die Kopplungsfaktoren K1 und
K542. Im Gegensatz dazu das gleiche, mit $ statt des &-Zeichens im ORDER-Attribut des
Kopplungsfaktors:
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
* Project KOPL3TST
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
L1
P1 0
300U
L2
S11 0
200U
L3
0
S12 100U
K1
L1 L2 L3 0.99
C1
N7 P1 1U
R1
0
S11 10K
R2
S12 0
10K
V3
N7 0
DC 15V
V43
N40 0
DC 15V
C2
N40 P2 1U
R3
0
S21 100K
R4
S22 0
100K
L541
P2 0
300U
L542
S21 0
200U
L543
0
S22 100U
K541
L1 L2 L3 0.99
.TRAN 100NS 1MS
.PROBE/CSDF
*
*
*
*
*
*
*
*
DICTIONARY 7
S2-2 = S22
S2-1 = S21
$1N40 = N40
$1N7 = N7
S1-2 = S12
S1-1 = S11
GND = 0
.PRINT TRAN V([P1]) V([S11]) V([S12]) V([P2]) V([S21]) V([S22])
.END
Wie zu sehen ist, werden in den kursiven Zeilen jedesmal die Bezeichnungen L1, L2, L3 benutzt, obwohl eigentlich andere Spulen gemeint sind. Das &-Zeichen ermöglicht also die
Angabe einer anderen Instanz eines Bauelements in der CIR-Datei, während das $-Zeichen
nur den direkten Wert übergibt.
Übungsvorschlag 6:
Überlegen Sie sich: Welchen Sinn haben das &- und $-Zeichen im ORDER-Attribut? Sind die
Simulationsergebnisse der Variante in Abb. 11 verglichen mit der gleichen Schaltung und
dem $-Zeichen statt des &-Zeichens im ORDER-Attribut des Kopplungsfaktors gleich oder
unterschiedlich? Welche Rolle spielen die Kopplungsfaktoren ?
Stop! Wie lautet die Antwort?
Lösungsvorschlag:
Da in der zweiten Lösung kein Unterschied zwischen den Kopplungen der beiden Übertrager
gemacht wird, kann das Ergebnis nicht stimmen. Die Kopplungen der Spulen werden falsch
berechnet. Wertangaben, z.B. für die Induktivität, dagegen kann man problemlos per $Zeichen übergeben, da sie ja den unterschiedlichen Induktivitäten eindeutig zugeordnet sind.
4.5.2.3.
Als SPICE-Modell
SPICE-Modelle ähneln den vorgefertigten TRANSF.MOD Modellen, nur daß man hier bei der
Gestaltung nicht mehr an die gelieferten Grundmuster gebunden ist. Die gesamte Schaltung
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30
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
wird als .model-Statement für SPICE definiert und mit dem passenden MODEL-Attribut dem
Symbol (BLOCKTYPE=MODULE) zugeordnet.
Wie bei der Beschreibung des ORDER-Attributes mit einer hierarchischen Netzliste10 schon
geschildert, lassen sich Parameter, die in der obersten Schaltplanebene angegeben werden, als
Parameter dem Modell übergeben. Beispiele sind dabei die Zünd- und Brennspannung von
Funkenstrecken für ein allgemeines Funkenstrecken-Modell oder der Diodentyp in einem
Brückengleichrichter.
4.5.2.3.1.
Beispiel: Relais als SPICE-Modell
Als ein Übungsbeispiel mit Parameterübergabe sei ein Modell eines monostabilen Relais mit
einem Umschaltkontakt vorgestellt. Das Schaltverhalten ist nur grob angenähert, die
Impedanzen der Kontakte und der Spule sind im Modell berücksichtigt.
Zuerst wurde ein Symbol11 entworfen:
Abb. 13: Monostabiles Relais mit einem Umschaltkontakt, Symbol
Dem Symbol wurden folgende Attribute zugeordnet:
SYMBOL NAME: RELAY.1
BLOCK TYPE: MODULE
UNATTACHED ATTRIBUTES:
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
Attribute
LSP=50U
RSP=200
VOFF=6.8
VON=7
ROFF=1E7
RON=1E-1
ORDER=MODEL$ " PARAMS: " RON= ROFF= VON= VOFF= RSP= LSP=
MODEL=RELAY
REFDES=RY?
PREFIX=X
PINORDER=A1 A2 A I C
PIN INFORMATION:
Pin Label: A
Pin Label: A1
10S. Ausführungen zur Parameterübergabe, S. 17
11Symbol RELAY mit RELAY.MOD
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31
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Pin Label: A2
Pin Label: C
Pin Label: I
Lsp, Rsp sind die Spulenparameter, Ron, Roff die Kontaktwiderstände, Von, Voff die Einund Ausschaltspannung des Relais. Das Modell schaltet nicht mit Hysterese, sondern ist in
dem Bereich zwischen Von und Voff stetig. Bei unstetigem Verhalten kann SPICE keine
Lösung für den Arbeitspunkt der Schaltung finden. Das Listing des Modells, also die MODDatei aus dem SYM-Verzeichnis ist hier zu sehen:
* Einfaches Modell eines Relais
* R. Henke, 17.2.92
* Kontakte folgen verzoegerungslos dem Spulenstrom
.subckt RELAY Spule1 Spule2 Schalt Ruhe Gemein PARAMS: Ron=1e-2
+ Roff=1e7 Von=7 Voff=6.5 Rsp=100 Lsp=100uH
* Ruhekontakt
.model RKontakt VSWITCH (Ron={Ron} Roff={Roff} Von={Von} Voff={Voff})
* Schaltkontakt
.model SKontakt VSWITCH (Ron={Roff} Roff={Ron} Von={Von} Voff={Voff})
RSPULE
LSPULE
VSense
Hklick
Rdummy
ERel
SRuhe
SSchalt
SPULE1 1 {Rsp}
SPULE2 2 {Lsp}
1 2 DC 0V
3 0 VSense 1
3 0 100Meg
4 0 Value = {ABS(V(3)) * Rsp}
Gemein Ruhe 4 0 RKontakt
Gemein Schalt 4 0 SKontakt
.ENDS
Nach .subckt folgt der Modellname, die Pins in der Reihenfolge wie im PINORDERAttribut und die Übergabeparameter mit den Standardwerten. Das Modell besteht aus zwei
spannungsgesteuerten Schaltern SRuhe und SSchalt und der Spule aus Induktivität und
Widerstand. Es reagiert auf den Strom durch die Spule, der mit der Spannungsquelle VSense
gemessen wird und durch die Quellen Hklick.und ERel mathematisch umgeformt wird, so daß
das Modell auf den Betrag des Spulenstroms reagiert.
Mit einer Testschaltung12 läßt sich das Modell testen und immer weiter verfeinern. Der
Übersicht wegen ist die Testbeschaltung minimal gehalten, zudem verkürzt eine sparsame
Beschaltung die Simulationszeiten.
12Datei RELTEST
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32
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Abb. 14: Testbeschaltung für das Relais-Modell
Die dazu gehörige CIR-Datei zeigt, daß die MOD-Datei von WSPICE komplett in die CIRDatei kopiert wurde. Die Parameter wurden entsprechend dem Schaltplan gesetzt:
* Project RELTEST
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
R1
VA N22 10K
R2
VI N22 10K
V20
N22 0
DC 15V
VIN
N11 0
SIN ( 0V 20V 1000 0 0 0 )
X5
0
N11 VA VI 0
RELAY PARAMS: RON=1E-1 ROFF=1E7 VON=7
+ VOFF=6.8 RSP=200 LSP=50U
.PROBE/CSDF
.TRAN 1US 1MS
*
*
*
*
*
*
*
*
DICTIONARY 3
$1N11 = N11
$1N22 = N22
GND = 0
PROBES 3
V([VI])
V([VA])
V([N11])
.PRINT TRAN V([VI]) V([VA]) V([N11])
* Einfaches Modell eines Relais
* R. Henke, 17.2.92
* Kontakte folgen verzoegerungslos dem Spulenstrom
.subckt RELAY Spule1 Spule2 Schalt Ruhe Gemein PARAMS: Ron=1e-2
+ Roff=1e7 Von=7 Voff=6.5 Rsp=100 Lsp=100uH
* Ruhekontakt
.model RKontakt VSWITCH (Ron={Ron} Roff={Roff} Von={Von} Voff={Voff})
* Schaltkontakt
.model SKontakt VSWITCH (Ron={Roff} Roff={Ron} Von={Von} Voff={Voff})
RSPULE
LSPULE
VSense
Hklick
Rdummy
ERel
SRuhe
SSchalt
SPULE1 1 {Rsp}
SPULE2 2 {Lsp}
1 2 DC 0V
3 0 VSense 1
3 0 100Meg
4 0 Value = {ABS(V(3)) * Rsp}
Gemein Ruhe 4 0 RKontakt
Gemein Schalt 4 0 SKontakt
.ENDS
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33
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
.END
4.6. Anfangsbedingungen für die Simulation
Anfangsbedingungen sind oft nötig, damit die Bestimmung des Arbeitspunktes erfolgreich ist,
oder um die Simulationszeiten zu verringern.
Sie lassen sich auf zweierlei Art angeben: als Zustand an einem Knoten oder als Zustand einer
Komponente. In beiden Fällen muß PSPICE jedoch mitgeteilt werden, daß
Anfangsbedingungen berücksichtigt werden sollen. Dazu muß das ORDER-Attribut des
Instrumentes OSCILLOSCOPE erweitert und ein weiteres Attribut hinzugefügt werden:
ORDER=TSTEP$ TFINAL$ INIT$
INIT=UIC
Durch
INIT=
(kein Argument)
wird wieder eine Simulation ohne Anfangsbedingungen eingestellt. Das geänderte Instrument
sollte man unter einem anderen Namen abspeichern. Das Schlüsselwort UIC (Use Initial
Conditions) veranlaßt SPICE, die Anfangsbedingungen in der Schaltung zu verwenden.
4.6.1.
Anfangsbedingungen über einzelne Komponenten
Wieder müssen zwei Änderungen vorgenommen werden: Das ORDER-Attribut wird um IC=
erweitert, und ein Attribut IC wird z.B. so hinzugefügt: IC=0V. Bei Kondensatoren wird eine
Spannung, bei Spulen ein Strom angegeben.
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34
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
4.6.1.1.
Beispiel: Anfangsbedingung am Kondensator
Abb. 15: 0V Anfangsbedingung am Kondensator
Die resultierende CIR-Datei sieht dann so aus:
* Project IC2
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
V2
N8 0
DC 15V
R1
N8 VAUSGANG 15K
C1
VAUSGANG 0
15PF IC=0V
.TRAN 0.25NS 100NS UIC
.PROBE/CSDF
* DICTIONARY 2
* $1N8 = N8
* GND = 0
.PRINT TRAN V([VAUSGANG])
.END
4.6.2.
Anfangsbedingungen an Knoten
Ähnlich sind die Änderungen beim Knoten: hier werden zwei Attribute hinzugefügt, es muß
jedoch selbstverständlich kein ORDER-Attribut geändert werden:
LABEL=VAusgang
IC=0V
Es handelt sich also um ein Label für den Knoten und um ein Attribut für die
Anfangsbedingung, wobei das Label nicht zwingend ist.
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35
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
4.6.2.1.
Beispiel: Anfangsbedingung am Knoten
Abb. 16: 0V Anfangsbedingung am Knoten Vausgang
Die resultierende CIR-Datei sieht folgerichtig so aus:
* Project IC1
* WorkVIEW Wirelist Created with Version 3.11
V2
N8 0
DC 15V
R1
N8 VAUSGANG 15K
C1
VAUSGANG 0
15PF
.TRAN 0.25NS 100NS UIC
.PROBE/CSDF
.IC V([VAUSGANG])=0V
* DICTIONARY 2
* $1N8 = N8
* GND = 0
.PRINT TRAN V([VAUSGANG])
.END
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36
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
5. Auswertung der Simulationsergebnisse: ein
Beispiel
Die Ergebnisse der Simulation werden von SPICE auf zwei Formaten geliefert: das TXT- und
das OUT-Format13. Das OUT-Format benötigt man nur zur Auswertung von SPICEFehlermeldungen und einiger SPICE-Analysen, die nicht mit VIEWtrace ausgewertet werden
können (Arbeitspunkt, Sensitivity-Liste, Worst-Case-, Monte Carlo-, ÜbertragungsfunktionsAnalysen usw.).
Für alle Auswertungen der Schaltungen im Zeit- und Frequenzbereich sollte das TXT-Format
benutzt werden (es wird durch das CSDF-Instrument gewählt), um die Signale mit VIEWtrace
grafisch darzustellen und auszuwerten. Bei der Auswertung mit VIEWtrace läßt sich die
Schaltung außerdem zu verschiedenen Zeitpunkten per Backannotation der Spannungen in
den Schaltplan untersuchen.
5.1. Vorbereitung einer Schaltung zur Analogsimulation
Der Schaltplan stellt bei der Simulation nicht nur die eigentliche Schaltung dar, sondern den
gesamten "Versuchsaufbau". Er vereint die Signalquellen, die Meßinstrumente und die
Meßpunkte und -leitungen. Zudem wird im Schaltplan definiert, welche Bauteile in welcher
Modellierung verwendet werden, und welche Eigenschaften sie dabei haben sollen. Aus dieser
Aufzählung ergibt sich die folgende Checkliste für die analoge Simulation:
❍
Eingabe der kompletten Testschaltung, mit allen Nennwerten für die Bauteile.
❍
Falls nötig, Angabe der entsprechenden Modelle und Parametrisierungen durch
Bauteile-Attribute per Dialog All oder Dialog Spice.
❍
Angabe der Signalquellen mit allen Parametern.
❍
Vergabe von Labels für alle interessanten Signale.
❍
Plazierung von Meßpunkten (PROBEs) an wichtige Signale.
13Vgl. "3.1. Der Informationsfluß", S. 6
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37
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
❍
Hinzufügen des CSDF- oder CSDFPINS-Symbols für die Generierung des
TXT-Formates14 (versehen mit den Netzen und Labels der festzuhaltenden
Signale).
❍
Wahl eines Symbols für die gewünschte Analyse: O'SCOPE für die
Transientenanalyse, oder BODEPLOT, oder andere15, versehen mit den
Simulationsparametern.
❍
Angabe zusätzlicher Libraries für die Simulation durch LIB-Symbole16
Ein Beispiel für einen Schaltplan ist die Abb. 1717:
Abb. 17: Ein NF-Verstärker mit den Instrumenten zur Simulation
In den folgenden Abschnitten werden mit SPICE und VIEWtrace mögliche Auswertungen anhand dieser Schaltung durchgeführt.
14Vgl. "TXT: CSDF Output", S. 5
15Vgl. die Kurzübersicht über die Instrumente S. 10
16Vgl. "4.3.3.1. Ein Library-Symbol", S. 14
17Aus [4] S. 54
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38
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
5.2. Simulatoraufruf
Der normale Simulatoraufruf geschieht über das Menü durch SIM PSPICE. Workview prüft
den Schaltplan auf Korrektheit und erzeugt eine CIR-Datei. Diese Datei wird an PSPICE
durch einen Aufruf der Batchdatei PSPICE.BAT mit der CIR-Datei als Argument übergeben.
PSPICE gibt die Ergebnisse in den Dateien OUT und TXT aus. Beide Dateiarten können mit
VIEWtrace ausgewertet werden, jedoch ist das TXT-Format viel günstiger.
Falls hierarchische Netzlisten erzeugt werden sollen, muß die Netzlistengenerierung getrennt
von der Simulation gestartet werden. Werden hierarchische Schaltungen oft simuliert, dann
sollte man anhand des Simulatoraufrufs für flache Netzlisten einen weiteren Menüpunkt für
hierarchische Netzlisten anlegen18.
5.3. Signaldarstellung mit VIEWtrace
Bei einer Simulation der Schaltung mit dem CSDF-Instrument, aber ohne PROBEs (wie in
Abb. 17), werden alle anfallenden Signale mit einer linearen Achsenteilung dargestellt. Das
gilt auch für die Signale, die eventuell in Subcircuits anfallen. Wie zu erkennen ist, führt dies
schnell zu einem unübersichtlichen Bild.
Abb. 18: VIEWtrace direkt nach Laden der Simulationsergebnisse
18Der Aufruf ist genauer beschrieben auf Seite 21 im Kapitel "4.4.2. Hierarchische Netzliste (Subcircuits)"
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39
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Auf dem Computermonitor sind die Signale zusätzlich farblich unterschieden, und damit ist
das Diagramm leichter auszuwerten. Es stehen jedoch nur relativ wenige, sich mehrfach
wiederholende Farben zur Verfügung, so daß man die unwichtigen Signale ausblenden sollte.
Eine Verbesserungsmöglichkeit ist die Menüoption SIGNALS HIDE, die alle markierten
Signale unterdrückt, eine andere ist eine benutzerdefinierte Farbmarkierung der Signale, die
über das Menü SIGNALS COLOR erzielbar ist.
5.3.1.
Signale ein- und ausblenden
Mit der Maus können durch Klicken mit der linken Taste einzelne Signale selektiert werden,
durch ein zweites Klicken werden sie deselektiert. Bei vielen Signalen sollte man jedoch
Tastaturkommandos nutzen: Im folgenden Bild wurden mit dem Tastaturkommando
SELECT * zuerst alle Signale selektiert, danach mit HIDE vom Schirm entfernt. Mit dem
Auswahlmenü des Befehls SIGNALS SHOW wurden die interessierenden Signale anschließend wieder aktiviert.
Abb. 19: Die uninteressanten Signale sind ausgeblendet
Übungsvorschlag 7:
Simulieren Sie die Schaltung NFSTUFEB. Öffnen Sie das VIEWtrace-Fenster. Unterdrücken
Sie alle Signale bis auf Ug, Ue und Ua. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit Abb.19.
Sie können mit den danach vorliegenden VIEWdraw- und VIEWtrace-Fenstern die folgenden
Ausführungen nachvollziehen.
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40
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
5.3.2.
Signalselektion im Schaltplan per PROBE
Wenn schon vor der Simulation klar ist, welche Signale beim Start von VIEWtrace sichtbar
sein sollen, dann sollten an den interessierenden Netzen Probes installiert werden.
Dies kann man auch als Trick verwenden, um den Bildschirmaufbau beim Start von
VIEWtrace mit vielen Signalen und langen Simulationen deutlich zu verkürzen: Man läßt
anfangs ein einziges Signal darstellen, indem man in der Schaltung ein PROBE installiert, und
selektiert erst nach dem Start von VIEWtrace die weiteren interessierenden Signale. Dies
empfiehlt sich besonders dann, wenn die Schaltung durch zu viele PROBEs unübersichtlich
würde, man aber die Zahl der aufzuzeichnenden Signale nicht von vornherein beschränken
möchte.
5.3.3.
Signalselektion im Schaltplan mittels CSDFPINS
Bei komplexeren Schaltungen kann die Simulationszeit, und die Zeit, die benötigt wird, um
die Ergebnisse in VIEWtrace einzulesen, und damit die Dateigröße der TXT- und OUTDateien, so stark anwachsen, daß sinnvolles Arbeiten schwer möglich ist. In diesem Fall sollte
man sich ein CSDF-Symbol mit ausreichender Zahl von Pins generieren19, nur die interessierenden Netze anschließen, und auf diese Weise die Menge der Simulationsdaten direkt reduzieren.
Der Nachteil der Lösung liegt darin, daß unter Umständen interessante Simulationsdaten fehlen, und die Simulation nach Änderung des Schaltplans nochmals gestartet werden muß, um
diese Signale zu gewinnen. Im Gegensatz zur eben angesprochenen HIDE/SHOW-Lösung in
VIEWtrace wurden sie ja gar nicht aufgezeichnet.
5.3.4.
Verschiedenene Achsen-Skalierungen
Eine lineare Skala ist für die Frequenzgangmessung nicht sinnvoll; VIEWtrace stellt deshalb
unterschiedliche Achsenskalierungen und Darstellungen der Skalenwerte zur Verfügung. Als
erstes Beispiel sei in Abb. 20 eine der logarithmischen Skalen angeführt:
19Vgl. Abschnitt "4.3.3.2. Das geänderte CSDF-Symbol CSDFPINS", S. 15
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41
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Abb. 20: y-Achse in dB-Skala geändert
Man muß dazu die betreffende Achse markieren und mit AXIS TYPE die entsprechende
Skalierung einstellen. Hier sind noch ein paar Beispiele:
Abb. 21: Darstellung der Phasenverschiebung durch
Abb. 22: Darstellung der
Achsendarstellung in Radiant (Bogenmaß)
Imaginärteile
5.3.5.
Weitere Achsen-Einstellungen
Im Axis - Menü existieren weitere Einstellungen, von denen nur noch ein weiteres Beispiel
gezeigt werden soll: Die Wahl der Variablen für die x-Achse.
Nach einer Transienten-Analyse (INSTRUMENT O'SCOPE) ist die Zeit als x-Achse eingestellt. Mit Axis X-Variable läßt sich jedoch jedes Signal anwählen. In der Abb. 23 ist
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42
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
zur Anzeige der Linearität des Verstärkers UA über UG aufgetragen. Wie zu sehen ist, kann
man ab ca. 30-50 mVss nicht mehr von linearem Verhalten sprechen.
Abb. 23: Ug statt Zeit als x-Achse
Das Achsen-Menü bietet viele weitere Möglichkeiten, unter anderem:
❍
Achsen lassen sich hinzufügen, indem die Signale für die neue Achse markiert
werden und Axis Add aufgerufen wird. Ströme und Spannungen werden
automatisch auf zwei Achsen verteilt, aber es lassen sich weitere Achsen mit
jeweils eigenen Einstellungen für Notation, Typ, Beschriftung und Plazierung
einführen.
Split dupliziert die markierte Achse, Remove entfernt die markierte(n)
Achse(n).
❍
Notation gibt das Zahlenformat für die Achse an.
❍
Label ermöglicht die Änderung der Beschriftung.
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43
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
5.4. Weitere Messungen und Analysen
Die dargestellten Signale lassen sich genau vermessen, wie am Beispiel des 3dBVerstärkungsabfalls in Abb. 24 gezeigt:20
Abb. 24: Meßpunkte für 3dB-Punkt Messung
Die aktuellen Meßdaten werden in der Info-Box angezeigt. Diese muß mit Measure
Info_Box On eingeschaltet und mit Display Moveinfo an eine günstige Stelle verschoben werden.
Mit Measure SnapMode kann der Marker unter anderem so eingestellt werden, daß er zum
nächsten Gitterpunkt (Grid) oder dem nächsten Punkt des selektierten Signals (Closest)
springt.
Ein Referenzpunkt (Marker) wird auf folgende Weise gesetzt (in diesem Beispiel bei 1 kHz):
Das interessierende Signal VUA wird markiert und der Marker mit Measure Set_mark
bei 1 kHz positioniert.
20Die Info-Box besitzt auf dem Bildschirm einen schwarzen Hintergrund und ist gut ablesbar
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44
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Der Meßpunkt wird entsprechend mit Measure Set_point gesetzt. Durch fortwährendes
Klicken mit der mittleren Maustaste zum Setzen des "Points", und durch Zoomen des
fraglichen Bereiches mit der Taste F9 läßt sich die Stelle finden, wo der Abfall 3 dB beträgt;
die Zeile delta=31.0897k , -3.007230 in der Info-Box der Abb. 24 gibt die
gewünschten Werte an.
Übungsvorschlag 8:
Verwenden Sie dieselbe Schaltung wie in Übung 7, stellen Sie die y-Achse auf dB-Teilung
und aktivieren Sie die Info-Box. Bestimmen Sie die beiden Grenzen des -3dBFrequenzganges, und lassen Sie sich damit die Bandbreite des Verstärkers anzeigen.
TIP: Der Befehl Measure Exchange vertauscht Mark und Point .
Stop! Wie lautet die Antwort?
Lösungsvorschlag:
Der gefundene -3 dB-Punkt wird mit Measure Exchange zum Referenzpunkt. Wenn der
eine -3 dB-Punkt gefunden ist, läßt sich der zweite dadurch finden, daß man den zur
Bandmitte spiegelbildlichen Punkt sucht, bis die Differenz zwischen beiden Punkten 0 dB
beträgt. Dann gibt "delta" die Bandbreite und den Pegelunterschied 0 zwischen den Punkten
an, Mark und Point die Bandgrenzen. Die Frequenzgang sollte ungefähr wie folgt sein: von
26,8 Hz bis 32 kHz bei -3 dB Abfall.
5.4.1.
Messungen im Zeit- und Frequenzbereich
Nachfolgend werden zusätzlich zu der Analyse aus Abb. 23 einige Messungen von
Verzerrungen im Zeit- und Frequenzbereich vorgestellt. Dazu muß die Signalquelle von AC in
SIN gewechselt werden. Die Meßfrequenz soll hier 1 kHz, die Amplitude 100 mV betragen21.
Am Oszilloskop-Instrument wird die Zeitauflösung und die Zeitdauer angegeben. Die
Auflösung bleibt auf dem Standardwert von 1µs, die Dauer sei 10ms. Probes sind an UG, UE
und UA angeschlossen.
21Als Hinweis auf die eingeschränkte Gültigkeit der verwendeten Modelle können Sie die Schaltung mit 1 oder 2 V für das
ss
Eingangssignal UG simulieren und auf die Größe der Ausgangssignale achten.
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45
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Abb. 25: Zeitbereich-Analyse: eine Sinusquelle mit
Abb. 26: Zeitbereich-Analyse: das "Oszilloskop" mit
Frequenz- und Amplitudenangabe
der Angabe des Simulationsendes
Wird nun nach der Simulation VIEWtrace gestartet, dann erscheint das Simulationsergebnis
ähnlich wie auf einem Oszilloskop, nur daß es sich jetzt auf viele Arten auswerten läßt22:
Abb. 27: Zeitbereich: 1 kHz Meßfrequenz
Weitere Signale lassen sich mit Signal Show / Hide ein- und ausblenden und mit den
Zoomfunktionen vergrößern. Die Simulationspunkte werden mit Display Symbols On
eingeblendet und mit Signals Symbol kann für die markierten Signale die Form des
Simulationspunkt-Markers festgelegt werden.
22Die Schaltung befindet sich in der Datei NFSTUFE
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46
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
5.4.2.
Backannotation von Spannungen
Sobald man mit Measure Set_point einen bestimmten Zeitpunkt markiert hat, lassen
sich die Spannungswerte gegen GND in den Schaltplan zurückübertragen. Das Vorgehen
besteht aus folgenden Schritten:
❍
Marker auf den gewünschten Zeitpunkt setzten. Es ist dabei egal, welches
Signal markiert ist, da alle angezeigten Signale übertragen werden.
❍
Mit dem Befehl Measure To_Sch werden die Daten in eine VAL-Datei
übertragen
❍
Das Schaltplanfenster (VIEWdraw) aktivieren
❍
Werte mit Sim Values PSpice aus der VAL-Datei eintragen lassen.
Abb. 28: Backannotation
Möchte man Genaueres über die in Abb. 2723 deutlich sichtbaren Verzerrungen erfahren, dann
empfiehlt sich die Fourier-Analyse. Neben der PSPICE-Fourieranalyse24, die ihre Ergebnisse
in Textform in die OUT-Datei schreibt, bietet VIEWtrace eine FFT aller simulierten Signale.
Der Befehl dazu lautet CALC XFORM FFT und liefert ein weiteres VIEWtrace-Fenster.
23Die Werte sind auf dem Bildschirm problemlos zu erkennen, hier im Plot gibt es Überschneidungen mit anderen Zeichnungsobjekten.
24Per ADD INSTRUMENT FOURIER im Schaltplan
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47
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Abb. 29: FFT der Verzerrungen bei 1 kHz - mit
Abb. 30: FFT der Verzerrungen bei 1 kHz- mit
interpolierten Linien
Meßpunkten (Ausschnitt)
Die automatische Interpolation der Linien zwischen den Meßpunkten sollte man mit
DISPLAY LINE Off ausschalten, da man es ja mit Linienspektren zu tun hat, wie in der
Abbildung 30 gezeigt.
5.4.3.
5.4.3.1.
Überblick über weitere Funktionen
Mathematische Umformungen
VIEWtrace kann benutzt werden, um Signale einer Vielzahl von arithmetischen Operationen
zu unterwerfen. Das oder die Signale werden zu diesem Zweck markiert und mit Calc weiterverarbeitet. Einfache Operationen erscheinen im Calc-Menü, z.B. die Grundrechenarten,
Offset-Addition und Subtraktion, Verstärkung und Abschwächung eines Signals.
Komplexere Funktionen finden sich unter Calc Special, mit trigonometrischen, hyperbolischen, exponentiellen, komplexen, statistischen, Bessel- , und weiteren Funktionen.
Übungsvorschlag 9:
Die Schaltung NFSTUFEX wird betrachtet. Berechnen Sie aus Strom und Spannung am
Lastwiderstand RL die abgegebene Ausgangsleistung. Berechnen Sie daraus den zeitlichen
Mittelwert (RMS).
Stop! Wie lautet die Antwort?
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48
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
Lösungsvorschlag:
Nach Simulation und Start von VIEWtrace werden alle Signale bis auf UA und I[RL]
ausgeblendet. Beide Signale werden markiert und mit CALC * multipliziert. Mit HIDE
werden die Ausgangssignale unterdrückt, und mit F10 die Leistungskurve gezoomt. Sie wird
markiert und mit CALC SPECIAL RMS der zeitliche Mittelwert berechnet. Mit MEASURE
VALUES ON lassen sich die Meßwerte anzeigen, mit AXIS LABEL könnte man die AchsenBeschriftungen korrigieren: Watt statt Volt als Einheit.
Abb. 31: Leistung am Widerstand RL bis t=3ms durchschnittlich 241µ
µW
5.4.3.2.
Bildgestaltung
Im Menü Display Widths lassen sich die Breiten der einzelnen Bildregionen variieren
und Meßwerte sichtbar machen, Display Precision ändert die angezeigte Stellenzahl,
Zoom entspricht den Zoomfunktionen, die auch schon über die Funktionstasten möglich sind.
Die Werte für alle Signale an der Marker-Position lassen sich mit Measure Values On
sichtbar machen.
5.4.3.3.
Signale abspeichern, weiterverwerten
File Write ermöglicht es, die aktuellen Signale, also auch durch Berechnungen entstandene Signale, in verschiedenen Formaten zu speichern:
GEN
VIEWlogic-Format, um den aktuellen Stand für später zu sichern.
CSDF
CSDF-Format.
PWL
Piecewise linear-Format, kann mit einer PWL-Quelle im Schaltplan in
eine Schaltung wieder eingespeist werden.
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Analogsimulation mit Workview und PSPICE
6. Anhang
6.1. BASIC-Programm zur Erzeugung einer PWL-Datei
'Author:
Robert Henke
'
FhG Erlangen, ICD
' Date:
21. 8. 1991
'
' This is a BASIC program to simulate an incomming call on a
' telephone line.
'
DEFDBL T, V
'For Time and voltage
TimeStart# = 0
TimeEnd# = 30
Timesteps% = 3000
TimeStepped% = 0
Frequency# = 25
RingFrequency# = 1
RingRatio# = .5
DCVoltage# = 60
RingVoltage# = 120
DialFrequency# = 10
DialNumber# = 10
DialRatio# = .67
'resolution
'Timesteps passed
'25 Hz ring signal
'Ring frequency
'On-Time / Off-Time
'60 volts telephone supply
'Peak to Peak
'Frequency of the dial pulses
'Number after the *real* phone number
'On / Off
time# = 0
PhoneVoltage# = 0
RingOn# = 0
'Resulting Voltage
OPEN "Telsig.pwl" FOR OUTPUT ACCESS WRITE AS #1 'Generate this file
PRINT #1,
'First line in blank
RingVoltage# = RingVoltage# / 2 'We need only VSS/2
WHILE TimeStepped% <= Timesteps%
' First, generate the ring signal
IF (time# - FIX(time# * RingFrequency#) / RingFrequency#) < RingRatio# THEN
RingOn# = RingVoltage# * SIN(time# * Frequency#)
' Ring voltage is on
ELSE
RingOn# = 0
' Ring voltage is off
END IF
REM PRINT "Ringon:", RingOn#
' Then, add the dial pulses
IF ((time# - FIX(time# * DialFrequency#) / DialFrequency#) < DialRatio# / DialFrequency#)
AND (time# < DialNumber# / DialFrequency#) THEN
PhoneVoltage# = 0
ELSE
PhoneVoltage# = DCVoltage# + RingOn#
END IF
PRINT #1, "+ "; time#; " "; PhoneVoltage#
TimeStepped% = TimeStepped% + 1
time# = ((TimeEnd# - TimeStart#) / Timesteps%) * TimeStepped%
WEND
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50
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
6.2. Verbessertes NAUI Menü für VIEWdraw
Die NAUI-Menüs, die als Analogstandard bei Workview mitgeliefert werden, haben einige
Nachteile:
❍
Sie sind von der Systematik der Befehle anders als die Standard-Menüs für
Digitalentwicklungen.
❍
Sie sind unbequem in der Handhabung, da sie aus vielen kurzen, tief verschachtelten Menüs bestehen.
❍
Die einzelnen Befehle in den Menüs sind weder dem Sinne nach, noch sonst
irgendwie nach einer erkennbaren Logik angeordnet.
In Workview lassen sich die Menüs problemlos neu definieren, man könnte sie sogar ins
Deutsche übersetzen; dann allerdings wären die Handbücher und Tutorials und die bisherigen
Lehrgänge nur noch mit Mühe für die neuen Menüs verwendbar.
Ich habe mich deshalb zu einem Kompromiß für das wichtigste und bei weitem komplexeste
Menü, das VIEWdraw-Menü, entschlossen. Die Terminologie der englischen Unterlagen
bleibt erhalten, die Bedienung wird jedoch erleichtert:
❍
Die Menüs wurden zusammengefaßt, somit weniger tief verschachtelt (meist
statt dreier nur zwei Ebenen).
❍
In den Menüs wurden die Befehle alphabetisch angeordnet, sie sind somit
leichter, bzw. schneller zu lernen und aufzufinden.
Ein Listing des verbesserten VIEWdraw-Menüsystems findet sich in [1] und auf der
Begleitdiskette.
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51
Analogsimulation mit Workview und PSPICE
7. Literaturverzeichnis
[1]
Henke, Robert
Schaltungsentwurf mit VIEWlogic: Erstellung eines Praktikums
Studienarbeit Lehrstuhl und Laboratorium für technische Elektronik,
Prof. Dr.-Ing. D. Seitzer, 1992
[2]
Paul, R. Clayton
Analysis of Linear Circuits
McGraw Hill Book Co. Singapore, New York 1989
[3]
PSpice Circuit Analysis
Version 4.04, July 1990,
MicroSim Corporation, 20 Fairbanks, Irvine, California 92718, USA
[4]
Tietze, Ulrich, Schenk, Christoph
Halbleiter-Schaltungstechnik
Springer-Verlag Berlin 81986
[5]
Workview Analog User's Guide
For use with Workview 4.1
Version B, May 1991
VIEWlogic Systems Inc., 293 Boston Post Road West, Marlboro,
Massachusetts 01752, USA
[6]
Workview Analog Design Analysis Course
VIEWlogic Customer Training Group
VIEWlogic Systems Inc., 293 Boston Post Road West, Marlboro,
Massachusetts 01752, USA
[7]
Workview Analog Tutorial
Version A, Workview Release 4.0, December 1989
VIEWlogic Systems Inc., 313 Boston Post Road West, Marlboro,
Massachusetts 01752, USA
[8]
Workview Series I, Volume 1-7
For use with Workview 4.0,
Version A, December 1989
VIEWlogic Systems Inc., 313 Boston Post Road West, Marlboro,
Massachusetts 01752, USA
© 1992, Fraunhofer Gesellschaft, Institut für Integrierte Schaltungen
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