Einführung zu PSPICE

Hochschule München (FH)
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
Prof. Dr. G. Meyer, Prof. Dr. W. Tinkl
Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik:
Gleichstromnetze und Wechselstromnetze
Einführung zu PSPICE
1. Allgemeines
2. Ablauf einer Netzwerksimulation
3. Namen und Bezeichnungen
Dateiendungen: Werteeingabe:
Folgende Vorsätze kennt PSPICE:
Zehnerpotenzen
Kommastellen
Einheiten
4. Stromrichtungen
5. Analysearten:
Bias Point (Gleichstromarbeitspunktermittlung): AC- Sweep:
DC- Sweep:
Transient:
Parametric:
Sonstige:
Links:
1.Allgemeines
PSPICE ist ein Netzwerksimulationsprogramm das die Berechnung von elektrischen und
elektronischen Schaltungen ermöglicht. Vorläufer des Programmes waren
verschiedene Versionen von SPICE, das ursprünglich an der Berkley Universität von D.O.
Pederson, L. Nagel u. a. entwickelt wurde.
SPICE = Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
Von den vielen anderen SPICE- Versionen hat sich besonders die für PC geeignete
Version PSPICE der Firma Microsim Corp. in den vergangenen Jahren erheblich
verbreitet.
Auch von PSPICE gibt es mittlerweile mehrere immer weiter vervollkommnete Versionen.
Bezüglich der Eingabe von Schaltungen gibt es eine DOS-Version, bei der die Schaltung in
Form einer Netzwerkliste eingegeben werden muss und eine WINDOWS- Version, bei der
eine Schaltung über eine Zeichenoberfläche eingegeben werden kann. Die letztgenannte
Version wird in diesem Praktikum verwendet, wobei die grafische Oberfläche
SCHEMATICS verwendet wird.
Im Praktikum wird nicht die Vollversion verwendet, sondern eine Demoversion V9.1, die
von den Firmen OrCAD bzw. Hoschar und jetzt von der Firma CADENCE DESIGN SYSTEMS
i. a. kostenlos bezogen werden konnte. Alle von PSPICE benötigten Hilfsprogramme sowie
PSPICE selbst sind in einer Entwicklungsoberfläche zusammengefasst die sich DesignLab
nennt.
Für eine gezielte Einarbeitung und als Nachschlagewerk wird folgendes Buch empfohlen:
Robert Heinemann: PSPICE - Elektroniksimulation Hanser- Verlag; € 30,bis zur 6. Auflage beschreibt das Buch die im Praktikum verwendete Version V9.1
ab der 7. Auflage nur noch die fast aktuelle Version 16.0.
In diesem Buch befindet sich ebenfalls eine CD mit der Demoversion 16.0
früher auch die Version (V9.1) mit europäischen Schaltungssymbolen.
Das Rechenverfahren stützt sich auf die Knotenpotenzialanalyse (KPA). Für
Wechselstromschaltungen wird die KPA mit komplexer Rechnung durchgeführt. Für
nichtlineare Schaltungen wird das Newton- Raphson- Verfahren zur Lösung nichtlinearer
Gleichungssysteme verwendet und für transiente Vorgänge wird die Integration mithilfe
der Trapezregel durchgeführt.
2. Ablauf einer Netzwerksimulation
Gewünschte Aufgabenstellung klären
Schaltbild skizzieren
DesignLab oder gleich die Schaltungseingabe mit SCHEMATICS starten
SCHEMATICS aufrufen und Schaltung mit Schaltplansymbolen eingeben.
Bezugsknoten eintragen (Knotennummer 0  Element AGND)
Bauelementenamen eingeben
Bauelementewerte eingeben
Ggf. Spannungs- und Strommesser einbauen
Schaltbild abspeichern (dabei im Dateinamen keine Umlaute verwenden)
Gewünschte Analyseart wählen und entsprechende Voreinstellungen vornehmen
Simulation starten
Bei Fehlermeldungen die Schaltung korrigieren und erneut starten. Ergebnisse
entweder direkt oder mit dem Programm PROBE darstellen.
Ergebnisse dokumentieren (PROBE Ausdruck).
3. Namen und Bezeichnungen
Dateiendungen:
Wird eine Schaltung erstellt und simuliert so entstehen mehrere Dateien mit
demselben Namen aber mit verschiedenen Endungen. Für das Abspeichern eines
Schaltbildes genügt es, die Datei < >.sch anzulegen.
< >.sch ASCII-Datei des SCHEMATICS Schaltplanes
< >.out Output-File; Ausgabedatei die während der Simulation mit PSPICE
erstellt wird. Sie enthält die berechneten Arbeitspunkte, die
benötigte Simulationszeit und Simulationsergebnisse für
Empfindlichkeits-, Fourier-, Rausch-, Monte- Carlo-, Worst- Case- und
andere Analyseverfahren und Fehlerhinweise.
< >.net Netlist;diese Datei enthält die Netzlisteninformationen der Schaltung
einschließlich der Quelleneigenschäften. Sie wird beim Aufruf von
Analysis oder Create Netlist automatisch erstellt.
< >.cir
Circuit File; beinhaltet die Simulationsnetzliste einschließlich der
Steuerbefehle für die Simulation.
< >.als
Alias File; enthält die Zuordnung der Knotennummern zu sämtlichen
am Knoten angeschlossenen Bauelementen.
Werteeingabe:
Historisch bedingt gibt es einige unschöne Besonderheiten für die Vorsätze der
Maßeinheiten. Natürlich kann auch auf die Vorsätze verzichtet werden, wenn die
Eingabe mit Zehnerpotenzen erfolgt. Allerdings wird dadurch ein Stromlaufplan
meist etwas unübersichtlicher.
Folgende Vorsätze kennt PSPICE:
-15
1 f = 10
-12
; 1 p = 10
3
6
9
12
1 k = 10 ; 1 Meg = 10 ; 1 G = 10 ; 1 T = 10
-9
-6
;
-3
; 1 n = 10 ; 1 u = 10 ; 1 m = 10 .
Achtung:
PSPICE unterscheidet nicht zwischen Groß- und Kleinschreibung:
1M ist gleichbedeutend mit 1m und bedeutet also 1 milli !!
PSPICE kennt keine griechischen Buchstaben:
1μ darf nicht eingegeben werden, es führt zu einer unübersichtlichen Fehlermeldung.
Stattdessen wird 1u verwendet. Für 1  wird 1Ohm eingegeben.
Zehnerpotenzen
– 11
Sie werden in der Form 3 10
= 3e- 11 (auch: 3E- 11) eingegeben.
Kommastellen:
Sie werden durch Punkte
gekennzeichnet z. B. 3.11E9; 0.10 = .1
Achtung: Ein fälschlich eingegebenes Komma wird nicht sofort gemeldet.
Es führt ebenfalls zu einer unübersichtlichen Fehlermeldung.
Einheiten:
Wird keine Einheit angegeben, so wird automatisch die zum Bauelement passende SIEinheit verwendet. Also:
A
für Stromquellen,
V
für Spannungsquellen,
Ohm
für Widerstände,
F
für Kondensatoren,
H
für Induktivitäten,
Hz
für Frequenzen usw.
Aus Gründen der besseren Lesbarkeit eines Stromlaufplanes sollten aber die Einheiten
angegeben werden und zwar ohne Zwischenraum zu den vorhergehenden Zeichen.
Achtung: Dieser Fehler wird auch nicht sofort gemeldet, sondern führt ebenfalls zu
einer unübersichtlichen Fehlermeldung.
4. Stromrichtungen
Beim Aufruf eine Zweipols (R, L, C usw.) wird dieser in horizontaler Lage auf den
Bildschirm gebracht. Nun befindet sich der Anschluss 1 links und der Anschluss 2 rechts.
Leider sind die Anschlüsse nicht bezeichnet. Der Stromzählpfeil für Zweipole ist immer
von 1 nach 2 orientiert, d. h. er weist beim aufgerufenen Zweipol  von links nach
rechts .
Soll ein Bauelement senkrecht eingebaut werden, so kann es durch gleichzeitiges
Drücken der STRG- und der r- Taste um 90° nach links rotiert werden. Damit ist
Anschluss 2 oben und 1 unten, der Stromzählpfeil  zeigt von unten nach oben!
Will man dies vermeiden, so kann durch zwei weitere Rotationsvorgänge der Anschluss
1 nach oben gebracht werden. Nun würde der Stromzählpfeil  von oben nach
unten weisen.
Bei Bauelementen mit mehr als zwei Anschlüssen sind die Stromzählpfeile
grundsätzlich so orientiert, dass sie zum Bauelement hin weisen.
5. Analysearten:
PSPICE muss wissen, was berechnet werden soll. Je nach Wahl der Analyseart werden
unterschiedliche Rechenverfahren angewandt. Folgende Analysearten können
ausgewählt werden:
Bias Point (Gleichstromarbeitspunktermittlung):
Diese Analyse wird bei allen anderen Analysearten auch zuerst angewandt. Sie muss
nicht extra eingestellt werden. Mit ihr lassen sich Gleichspannungsanalysen
durchführen.
Bei der Schaltungseingabe ist darauf zu achten, dass keine unbestimmten
Gleichspannungsarbeitspunkte auftreten, d. h.- an jedem Knotenpunkt muss ein
definiertes Potenzial liegen. Gegebenenfalls sind zusätzliche ohmsche Widerstände
einzubauen (mit vernachlässigbarem Wert). Beispielsweise sind die nachfolgenden
Schaltungen nicht zulässig:
Iq
Uq
Uq
AC-Sweep:
In einer Wechselstromschaltung wird die Frequenz in einem wählbaren Bereich variiert.
Es können Frequenzgänge berechnet werden.
DC-Sweep:
Bis zu drei Parameter können in einer Gleichstromschaltung veränderlich gestaltet
werden, z. B. Widerstandswerte, Quellengrößen und darüber hinaus die Temperatur.
Transient:
Die Transienten- Analyse erlaubt die Berechnung von Schalt- und Übergangsvorgängen.
Parametric:
In einer Wechselstromschaltung können neben dem AC- Sweep oder der
Transienten- Analyse noch weitere Parameter variabel gestaltet werden,
Sonstige:
Darüber hinaus bietet PSPICE noch weitere Analysarten, die aber in diesem Praktikum
keine Verwendung finden:
Sensitivity, Temperature, Transfer Function, Monte- Carlo, Worst Case, Bias Point Detail,
Fourier Analyse.
Links:
PSPICE Homepage http://www.pspice.de
Robert Heinemann http://www.spicelab.de/
Bernhard Beetz
http://www2.hs-esslingen.de/~beetz/h_pspice2/index.html
Firma OrCAD
http://www.orcad.com
Firma Cadence
http://www.cadence.com/products/orcad/pspice_simulation/pages/
default.aspx