Simulation der Schaltungsteile des µBitX V5 mit LTspice

Dies ist eine alte Version des Dokuments!

Diese Seite beschreibt die Simulation der Schaltungsteile des µBitX V5 mittels LTspice und geht bei Bedarf auf die notwendigen oder hilfreichen Einstellungen ein.

Wir orientieren uns an den gekennzeichneten Funktionsgruppen im Schaltplan.

Passive Schaltungsteile sind Schaltungen, die das Signal nicht verstärken und / oder ohne eine zusätzliche Spannungsversorgung auskommen.

Im µBitX gibt es eine Handvoll passiver, mehrpoliger LC-Filter, die sich für einen Einstieg in die Simulation sehr gut eignen.

Zum Warmwerden beginnen wir mit dem 30(nbsp)MHz Tiefpass-Filter, welches bidirektional arbeitet, also gleichwohl für den Empfang, als auch fürs Senden verwendet wird.

Die Schaltung wird in LTspice erstellt und als Datei 30mhz_lowpass.asc abgespeichert. Dabei werden zur besseren Übersicht die Ports mit den Namen der Testpunkte (TPs) (sofern vorhanden) und die Bauteile mit den gleichen Nummern (reference designator), wie im Schaltplan bezeichnet.

Hierarchische Modelleierung

Der Schaltplan wird als hierarchisches Symbol exportiert und nach einigen kosmetischen Anpassungen als 30mhz_lowpass.asy gespeichert.

Tipp: So lange Schaltplan und Symbol gleiche Namen haben und selben Verzeichnis abgelegt sind, kann im übergerordneten Schaltplan (TOP) das Symbol plaziert werden und es wird bei der Simulation der dahinterligende Schaltplan eingebunden. Das macht die Schaltung übersichtlicher.

<figure label> Oben: Schaltplan des 30(nbsp)MHz Tiefpass-Filters 30mhz_lowpass.asc; Unten: Hierarchisches Symbol 30mhz_lowpass.asy

Dateidownloads:

</caption> </figure>

Erste Simulation

Mit diesen beiden Dateien können wir nun unseren eigentlichen Schaltplan (das so genannte TOP-File) für die Simulation erstellen und als Datei µBitX_V5_30MHz-LPF_Test_manual.asc speichern. Der Abschluss des Mischers wird rein ohmsch angenommen (AC-mäßig sind die Ports des Synthesizers kurzgeschlossen) und wird durch das Netzwerk R103 || ( R102 + R101 || R100) nachgebildet.

Simulationsschaltung ubitx_v5_30mhz-lpf_test_manual.asc und mittels Plotfile ubitx_v5_30mhz-lpf_test_manual.plt erstellte Diagramme.

Dateidownloads:

</figure>

Hinweis: LTspice normiert die Bodediagramme auf die Amplitude der Klemmenspannung mit 1(nbsp)Volt (nicht etwa auf den Effektivert¹⁾) der AC-Quelle! Es empfiehlt sich, die AC-Quelle mit einem Innenwiderstand Rser (in der HF-Technik üblicherweise 50(nbsp)Ω), und einer AC-Amplitde 2 einzutragen, da im Falle der Leistungsanpassung die halbe Spannung über dem Innenwiderstand abfällt und somit die Klemmenspannung 1(nbsp)V bzw. 0(nbsp)dB(V) beträgt.

Die Simulation wird als AC-Analyse mit einem Frequenzsweep über den Bereich 100(nbsp)kHz bis 100(nbsp)MHz durchgeführt.

Nachfolgend wird die Erstellung der Diagramme besprochen, jedoch erfolgt noch keine Diskussion der Ergebnisse.

Frequenzgang

Ein Klick mit dem Tastkopf (probe) auf das Signal TP12 im Schaltplan plottet den Frequenzgang (frequency response) der Schaltung, die sich sofort als ein Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von ca. 35(nbsp)MHz entpuppt.

Abschlussimpedanz des Mischers

Es können weitere Diagrammkacheln (panes) eingefügt werden. Auf dem zweiten Pane (LTspice fängt mit dem Zählen der Panes immer unten an, so ist das zweite das darüberliegende usf.) wird die Abschlussimpedanz (Load Impedance) des Mischers als Quotient

V(tp12)/(-Ix(X1:TP1))

der Spannung über dem Testpunkt TP12 und den Strom in das Abschlussnetzwerk geplottet.
Da es sich um ein rein ohmsches Netzwerk, weißt dieses einen flachen Frequenzgang von ca. 42.9(nbsp)Ω. Eine Kontrolle mit dem Taschenrechner bestätigt diesen Wert, so dass wir in Zukunft den Abschluss mit einem Widerstand mit diesem Wert nachbilden können, was die Übersicht weiter vereinfacht.

Eingangsimpedanz

Nach dem gleichen Schema können wir die Eingangsimpedanz des Filters bestimmen (also gewissermaßen die Abschlussimpedanz der AC-Quelle).
Die Input Impedance ist der Quotient

V(v_tp2)/Ix(x1:TP2)

der Spannung am TP2 dividiert durch den in das Filter fließenden Strom.

Reflexionsfaktor

Mit der Lastimpedanz und der Generatorimpedanz lässt sich der Reflexionsfaktor Γ (engl. reflection coefficient) errechnen und als Funktion

(V(v_tp2)/Ix(x1:TP2)-50)/(V(v_tp2)/Ix(x1:TP2)+50)

plotten.

Stehwellenverhältnis (VSWR)

Aus dem Reflexionsfaktor lässt sich dann das Stehwellenverhältnis (engl. voltage standing wave ratio) berechnen und als Funktion

(1+abs((V(v_tp2)/Ix(x1:TP2)-50)/(V(v_tp2)/Ix(x1:TP2)+50)))/(1-abs((V(v_tp2)/Ix(x1:TP2)-50)/(V(v_tp2)/Ix(x1:TP2)+50)))

plotten.

¹⁾

Der geneigte Leser möge hierzu eigene Untersuchungen anstellen.