Analoge Schaltungssimulation: Fünf Analysearten erklärt
Wählen Sie in DigiSim Analog Lab zwischen Arbeitspunkt-, Transienten-, AC-, DC-Sweep- und Live-Analyse – und verstehen Sie die Grenzen jeder Analyseart.
Die wichtigste Entscheidung bei einer analogen Simulation betrifft oft nicht das Bauteil, sondern die Analyseart. Dieselbe Schaltung kann sehr unterschiedliche Fragen beantworten – je nachdem, ob Sie einen stationären Arbeitspunkt berechnen, eine Spannung über der Zeit verfolgen, eine Quelle durchstimmen oder den Frequenzgang untersuchen.
DigiSim Analog Lab befindet sich in der Betaphase. Der aktuelle Produktdaten-Snapshot erfasst 50 Komponenten, davon 25 kostenlose Komponenten, sowie 8 simulationsgeprüfte Beta-Einstiegsbeispiele in 4 Gruppen, darunter 3 öffentliche Beispiele. Diese Beispiele sind keine Lektionen; der formale Analog-Kurs hat noch nicht begonnen. Das Labor bietet fünf Analysearten: Arbeitspunkt, Transientenanalyse, AC-Analyse, DC-Sweep und Live-Analyse.
Produktangaben geprüft: 31. August 2026. Dieser Artikel wurde am 1. September abgeglichen. Zahlen und Funktionen sind an versionierte DigiSim-Eingaben gebunden. Beta-Verhalten und die Planverfügbarkeit zur Laufzeit können sich ändern.
Erst die Frage wählen, dann die Analyseart
Formulieren Sie die Frage zunächst in Alltagssprache:
- Auf welche Spannung und Stromstärke stellt sich diese Schaltung ein?
- Was geschieht unmittelbar nach dem Umschalten eines Schalters oder einer Quelle?
- Welche Frequenzen werden durchgelassen oder gedämpft?
- Wie ändert sich der Ausgang, wenn sich ein Gleichspannungseingang ändert?
- Kann ich die Schaltung anpassen und beim Erkunden schnell eine Reaktion sehen?
Diese Fragen gehören zu unterschiedlichen Analysen. Ein Ergebnis aus einer Analyseart darf nicht so dargestellt werden, als beantworte es alle fünf.
1. Arbeitspunktanalyse
Eine Arbeitspunktanalyse berechnet den stationären Gleichstromzustand der Schaltung. Sie ist die richtige erste Prüfung für Vorspannungsbedingungen: Knotenspannungen, Zweigströme und die Frage, ob sich ein aktives Bauteil in einem plausiblen Betriebsbereich befindet, bevor Sie eine zeit- oder frequenzabhängige Frage stellen.
Nutzen Sie sie, um grundlegende Aufbaufehler zu finden. Ein schwebender Bezugsknoten, ein verpoltes Bauteil oder eine unmögliche Vorspannung kann jede nachfolgende Analyse ungültig machen. Eine Arbeitspunktanalyse zeigt bewusst weder den Einschwingvorgang noch den Frequenzgang.
2. Transientenanalyse
Eine Transientenanalyse berechnet, wie sich Schaltungsgrößen über der Zeit entwickeln. Verwenden Sie sie für Lade- und Entladevorgänge, Schaltvorgänge, das Anlaufen eines Oszillators, Impulsantworten und anderes Verhalten, bei dem der Weg von einem Zustand zum nächsten entscheidend ist.
Wählen Sie eine Zeitspanne und Schrittweite, die fein genug sind, um das relevante Verhalten sichtbar zu machen. Eine zu grobe Schrittweite kann ein schnelles Ereignis verbergen; eine unnötig kleine Schrittweite kann einen Lauf verteuern, ohne nützliche Erkenntnisse hinzuzufügen. Die Grafik ist das Ergebnis eines numerischen Modells. Prüfen Sie deshalb, ob das Ergebnis stabil bleibt, wenn Sie die Zeiteinstellungen verändern.
3. AC-Analyse
Eine AC-Analyse untersucht den Kleinsignal-Frequenzgang um einen berechneten Arbeitspunkt. Sie eignet sich für Filter, Verstärkung, Bandbreite, Resonanz und Phase. Die horizontale Achse zeigt die Frequenz und nicht die Zeit.
Diese Analyseart bedeutet nicht, dass eine beliebige große Wechselspannung abgespielt und beobachtet wird. Eine Kleinsignal-Linearisierung und eine transiente Wellenform beantworten unterschiedliche Fragen. Wenn amplitudenabhängige Verzerrungen wichtig sind, führen Sie zusätzlich eine geeignete Transientenuntersuchung durch.
4. DC-Sweep
Ein DC-Sweep wiederholt eine stationäre Lösung, während eine ausgewählte Gleichspannungsquelle oder ein Parameter über einen Bereich verändert wird. Das Ergebnis ist beispielsweise eine Kurve der Ausgangs- über der Eingangsspannung.
Verwenden Sie diese Analyse für Übertragungsverhalten, Schwellwerte und Kennlinien. Sie ist besonders hilfreich, wenn ein einzelner Arbeitspunkt zwar den aktuellen Zustand angibt, aber nicht zeigt, wie sich die Schaltung über einen Bereich verändert.
5. Live-Analyse
Die Live-Analyse unterstützt eine interaktive Rückkopplungsschleife, während Sie den Laboraufbau bearbeiten oder einstellen. Sie hilft beim Lernen von Zusammenhängen und dabei, schnell einen Bereich zu finden, der mit einer ausdrücklich konfigurierten Arbeitspunkt-, Transienten-, AC- oder Sweep-Analyse näher untersucht werden sollte.
Behandeln Sie Live-Rückmeldungen als Erkundung und nicht als Ersatz für das Protokollieren der Analyseeinstellungen. Ein reproduzierbares Ergebnis sollte Schaltung, Analyseart, Parameter und die beobachtete Größe angeben.
Kompakte Auswahltabelle
| Analyseart | Unabhängige Achse | Beste erste Frage | Weist allein nicht nach |
|---|---|---|---|
| Arbeitspunkt | ein stationärer Zustand | „Worauf stellt sich die Schaltung ein?“ | Einschwing- oder Frequenzverhalten |
| Transientenanalyse | Zeit | „Was ändert sich nach einem Ereignis?“ | Kleinsignal-Frequenzgang |
| AC-Analyse | Frequenz | „Wie verändern sich Verstärkung und Phase?“ | Großsignal-Zeitverhalten |
| DC-Sweep | durchgestimmter Gleichstromwert | „Wie verändert sich der Ausgang mit dem Eingang?“ | dynamisches Verhalten |
| Live-Analyse | interaktive Änderungen | „Was sollte ich als Nächstes untersuchen?“ | eine vollständig protokollierte, reproduzierbare Untersuchung |
Konvergenz und Modellgrenzen
Analoge Löser bestimmen numerische Lösungen für Modelle. Manche Schaltungen besitzen unter den gewählten Annahmen keine gültige Lösung, haben keinen guten Bezug oder sind für einen iterativen Löser schwer zur Konvergenz zu bringen. Wenn ein Lauf fehlschlägt oder unplausibel aussieht:
- Prüfen Sie, ob die Schaltung einen Bezugsknoten und einen vollständigen Pfad besitzt.
- Untersuchen Sie den Arbeitspunkt vor einer komplexeren Analyse.
- Reduzieren Sie die Schaltung auf die kleinste Variante, die das Problem noch zeigt.
- Prüfen Sie Quellenwerte, Bauteileinheiten und Analysebereich.
- Vergleichen Sie das Ergebnis mit einer Überschlagsrechnung oder einem einfacheren Grenzfall.
Ein konvergiertes Ergebnis ist nicht automatisch eine physikalisch vollständige Antwort. DigiSim verwendet pädagogische Bauteilmodelle; sie ersetzen weder ein Herstellermodell oder Datenblatt noch Toleranzanalyse, thermische Auslegung oder Hardwarevalidierung.
Projekt- und Netzlistenformate
Analog Lab verwendet das versionierte Projektformat .analog.json und kann, sofern es die aktive Planregelung erlaubt, eine SPICE-ähnliche .cir-Netzliste erzeugen. Die .cir-Ausgabe ist eine Textnetzliste für Interoperabilitätsaufgaben. DigiSim Analog ist weder selbst ngspice noch ein Versprechen, dass jeder externe SPICE-Dialekt jedes Modell unverändert akzeptiert.
Gastarbeit verwendet einen einzelnen Browserentwurf. Der Export von Analog-Projekten und Netzlisten ist funktionsabhängig freigeschaltet. Im geprüften Produktzustand war keine öffentliche Freigabe- oder Einbettungsoberfläche für Analog ausgewiesen. Prüfen Sie die aktuelle Matrix der Formate und Exporte, bevor Sie sich auf einen Datei- oder Übergabeablauf verlassen.
Eine praktische Lernfolge
Öffnen Sie das Analog Lab und beginnen Sie mit einem ohmschen Spannungsteiler:
- Schätzen Sie seine Arbeitspunktausgangsspannung von Hand.
- Prüfen Sie das stationäre Ergebnis.
- Durchlaufen Sie die Eingangsquelle und untersuchen Sie die Übertragungskennlinie.
- Ergänzen Sie einen Kondensator und beobachten Sie den Ladevorgang mit der Transientenanalyse.
- Untersuchen Sie mit der AC-Analyse den frequenzabhängigen Verlauf.
Bei dieser Folge bleibt die Schaltung vertraut, während sich die Analysefrage ändert. Die Kursstatusseite unterscheidet die drei veröffentlichten Kurse von den Analog-Beta-Einstiegsbeispielen, und die Analog-Dokumentation fasst die fünf Analysearten, das Projektformat und bekannte Grenzen in einer Referenz zusammen.
Für eine allgemeinere Auswahl zwischen Arbeitsbereichen lesen Sie DigiSim-Labore vergleichen. Wenn Sie statt eines netzlistenorientierten Analyseablaufs für Analogschaltungen Batterien, Messgeräte und Schul-Laborausstattung benötigen, beginnen Sie mit dem Electricity Lab.