Visualisierung analoger Schaltungen durch 3-D Animation von transienten SPICE-Simulationen
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Adv. Radio Sci., 5, 335–339, 2007
www.adv-radio-sci.net/5/335/2007/
Advances in
© Author(s) 2007. This work is licensed Radio Science
under a Creative Commons License.
Visualisierung analoger Schaltungen durch 3-D Animation von
transienten SPICE-Simulationen
J. Becker and Y. Manoli
Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK, Lehrstuhl für Mikroelektronik, Freiburg, Germany
Zusammenfassung. Für das Zeichnen analoger Schaltpläne besondere Neulinge im Gebiet der elektronischen Schaltun-
wird oft versucht, die Potentialverteilung in der entsprechen- gen von Anfang an bei der Bildung eines wissenschaftlich
den Schaltung auszunutzen, um eine Platzierung der Bau- korrekten Verständnisses zu unterstützen, wird im folgenden
teile nach abfallendem Potential vorzunehmen. Mit Hilfe die Darstellungsmethodik nach Becker and Manoli (2006b)
von Computerunterstützung gelingt es, eine verallgemeinerte vorgestellt, mit der es durch so genannte potentialäquiva-
dreidimensionale Platzierungsstrategie anzuwenden, die al- lente Platzierung gelingt, Strom/Spannungsdarstellung und
lein auf Grund der Potentialwerte einer Schaltung die auto- Schaltplan in einer einheitlichen Abstraktion konsistent zu
matische Generierung einer technisch exakten Potentialdar- vereinen.
stellung erlaubt. Somit ist es möglich, die Ergebnisse von
transienten SPICE-Simulationen in jedem Zeitschritt darzu-
stellen und eine Animation des zeitlichen Verhaltens zu er- 2 Darstellungsmethodik
zeugen. Die Umsetzung dieser Methode zur Einbettung in
eine webbasierte Lern – und Arbeitsplattform wird im Fol- Durch den Einsatz moderner Computergraphik ist es in einer
genden erläutert. interaktiven Lernumgebung möglich, analoge Schaltungen in
einem zweidimensionalen Editor einzugeben und diese mit
zusätzlichen Informationen für eine Platzierung im dreidi-
mensionalen Raum zu versehen. Dabei wird die Position ei-
1 Einleitung
nes Bauteils wie in Abb. 1 durch eine Koordinate auf der
Durch die stetig zunehmende Präsenz von Computern in (x,y)-Ebene vom Benutzer festgelegt.
Forschung und Lehre ist es nunmehr selbstverständlich, Abbildung 2 verdeutlicht die Methode der potentialäquiva-
dass Vorlesungen und Kurse über elektronische Schaltungen lenten Platzierung, bei der Simulationswerte der Spannungen
durch die Benutzung von Simulationsprogrammen bereichert innerhalb einer Schaltung benutzt werden, um Netze auf ei-
werden. Diese sind meist auf die Benutzung durch Exper- nem vertikalen Potentialraster einzuordnen und die Bauteile
ten in professionellen Bereichen ausgerichtet und überstei- dazwischen zu skalieren. Netze sind per Definition in der Si-
gen weit sowohl die Anforderungen als auch den Aufwand, mulation als ideale Leiter angenommen und somit isopoten-
der für eine reibungslose Nutzung in der Lehre angemessen tial. Damit erscheinen sie in einer solchen Darstellung immer
ist. Darüber hinaus werden Ergebnisse von Transientsimu- als horizontale Linien oder Punkte. Über Bauteilen hingegen
lationen üblicherweise als waveform-plots der Spannungs- besteht eine Spannung, die als die Differenz der angeschlos-
verläufe dargestellt, welche unter Umständen schwierig zu senen Potentiale sofort graphisch als Höhe sichtbar wird.
interpretieren sind. Der Benutzer muss eine Abstraktion der Abbildung 3 zeigt eine Beispielschaltung im Editor der
Schaltung entwickeln, indem er ein analytisches Verständ- Lernsoftware, wobei hier sowohl Bauteile als auch Netz-
nis der Spannungsverläufe mit einem graphischen Verständ- punkte (p01, p02 und gnd) individuell verschiebbar sind.
nis des Schaltplans vereint, was zu subjektiven und teilwei- Die x-Koordinate wird durch die Platzierung auf einer ho-
se falschen Modellbildungen beim Lernenden führt. Um ins- rizontalen Spalte bestimmt und die y-Koordinate durch ei-
ne Eingabe der Reihennummer in den viereckigen Mar-
Correspondence to: J. Becker kern an jedem Objekt. Reihe 0 ist die Grundeinstellung und
(jmbeck@imtek.de) Objekte können entweder in positiver Richtung (aus der
Published by Copernicus Publications on behalf of the URSI Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V.
zusätzlichen Informationen für eine Platzierung im dreidi-
tial. Damit
4 zeigt erscheinen
eine aus sie in einerberechnete
diesen Angaben solchen Darstellung
3D-Ansicht immer
des In der
mensionalen Raum zu versehen. Dabei wird die Position ei-
N4 als horizontale Linien oder Punkte. Über Bauteilen
gleichen Schaltplans, wobei zu erkennen ist, dass das Volt- hingegen terstütz
nes Bauteils wie in Abbildung 2V
M1 1 durch eine Koordinate auf besteht
der (x,y)-Ebene vom Benutzer festgelegt. meter x01,eine Spannung,
Netzpunkt p02die
undals
diedie Differenz der angeschlos-
Spannungsquelle vin in der trachtu
336 senen Potentiale
Visualisierung sofort
analoger graphisch
Schaltungen:
gleichen Reihe liegen, der Kondensator als
J.Höhe
c01sichtbar
Becker Y.wird.
and Netzpunkt
samt Manoli Darste
R2 p01 aus der Zeichenebene hervortreten, und Widerstand r01
utern in V2 1V und Netzpunkt gnd um eine Reihe nach hinten verschoben
z
ändlich, sind.
altungen
Die Anordnung der Objekte in z-Richtung, also der Höhe,
ereichert
N0 erfolgt wiederum durch potentialäquivalenten Platzierung.
h Exper- 0V Netz p02 spannt in Abbildung 4 zwischen den Verbindungs-
überstei-
stellen der angeschlossenen Bauteile eine Potentialebene auf,
ufwand, y
Abbildung 2. Beispiel einer potentialäquivalenten Darstellung.
emessen 4
die im gezeigten Beispiel auf der 2.5 Volt zugeordneten Höhe
entsimu- 3 liegt. Um Netzpunkt p01 herum deutet die Ecke von Rei-
nnungs- 2 he +1 zu Reihe 0 die Potentialebene für 5 Volt an, während
ierig zu 1 gnd mit 0 Volt die Referenzfläche markiert. Bei einer pla-
tion der Abbildung 2 verdeutlicht die Methode der potentialäquiva- nen Projektion der 3D-Darstellung auf die Zweidimensiona-
erständ- lenten Platzierung, bei der Simulationswerte der Spannungen lität der Abbildung 4 müssten c01 und r01 senkrecht unter-
1
innerhalb einer Schaltung benutzt werden, um Netze auf ei-
erständ- einander stehen, da sie in Abbildung 3 in der selben Spalte
2
teilwei- nem vertikalen Potentialraster einzuordnen und die Bauteile platziert wurden. Der Schaltplan in Abbildung 4 erscheint
3
Um ins- dazwischen zu skalieren. Netze sind per Definition in der Si- hier leicht im Uhrzeigersinn um die Mittelachse gedreht, da-
4
chaltun- mulation als ideale Leiter angenommen und somit isopoten- mit die Räumlichkeit für den Betrachter verständlich wird.
chaftlich x
tial. Damit erscheinen sie in einer solchen Darstellung immer In der interaktiven Lernsoftware ist es durch Computerun-
lgenden als horizontale Linien oder Punkte. Über Bauteilen hingegen terstützung möglich, dem Benutzer eine freie Wahl des Be-
Abb. 1. Anordnung
Abbildung
besteht eine von die
Bauteilen
1. Anordnung
Spannung, von dieinDifferenz
x-Spalten
alsBauteilen und
dery-Reihen.
in x-Spalten und y-Reihen.
angeschlos- Abb. 3. Bauteilplatzierung
trachtungswinkels
Abbildung im 2D-Editor.
zu geben,
3. Bauteilplatzierung wodurch das Verständnis der
im 2D-Editor. Abbild
k.de) senen2 Potentiale sofort graphisch als Höhe sichtbar wird. Darstellung sehr vereinfacht wird. :
5V
N1 Abbildung 3 zeigt eine Beispielschaltung im Editor der
Lernsoftware, wobei hier sowohl Bauteile als auch Netz-
punkte (p01, p02 und gnd) individuell verschiebbar sind. Die
R3 x-Koordinate wird durch die Platzierung auf einer horizonta-
4V
len Spalte bestimmt und die y-Koordinate durch eine Einga-
R1 be der Reihennummer in den viereckigen Markern an jedem
N2 Objekt. Reihe 0 ist die Grundeinstellung und Objekte können
3V
entweder in positiver Richtung (aus der Zeichenebene her-
aus) oder in negativer Richtung (in die Zeichenebene hin-
V1 N3 ein) um ganze Zahlenwerte verschoben werden. Abbildung
4 zeigt eine aus diesen Angaben berechnete 3D-Ansicht des
N4 2V gleichen Schaltplans, wobei zu erkennen ist, dass das Volt-
M1
meter x01, Netzpunkt p02 und die Spannungsquelle vin in der
gleichen Reihe liegen, der Kondensator c01 samt Netzpunkt
R2 p01 aus der Zeichenebene hervortreten, und Widerstand r01
V2 1V und Netzpunkt gnd um eine Reihe nach hinten verschoben
sind.
Die Anordnung der Objekte in z-Richtung, also der Höhe,
N0 erfolgt wiederum durch potentialäquivalenten Platzierung.
0V Netz p02 spannt in Abbildung 4 zwischen den Verbindungs-
Abbildung 3. Bauteilplatzierung im 2D-Editor. Abbildung
stellen der 4. 3D-Darstellung
Abb. 4. 3D-Darstellung
angeschlossenen des Schaltkreises
des Schaltkreises
Bauteile in der in
eine der Animation.
Animation.
Potentialebene auf,
Abbildung
Abb. 2. Beispiel
2. Beispiel einer potentialäquivalenten
einer potentialäquivalenten Darstellung.
Darstellung. die im gezeigten Beispiel auf der 2.5 Volt zugeordneten Höhe
liegt. Um Netzpunkt p01 herum deutet die Ecke von Rei-
he +1 zu Reihe 0 die Potentialebene für 5 Volt an, während
gndDie mitAnordnung
0 Volt die der Objekte in z-Richtung,
Referenzfläche markiert. Bei alsoeiner
der Höhe,
pla-
Abbildung heraus)
Zeichenebene 2 verdeutlicht
oder indie MethodeRichtung
negativer der potentialäquiva-
(in die Zei- erfolgt wiederum durch potentialäquivalenten
nen Projektion der 3D-Darstellung auf die Zweidimensiona- Platzierung.
lenten Platzierung,
chenebene hinein) umbei der Simulationswerte
ganze der Spannungen
Zahlenwerte verschoben wer- Netzder
lität p02Abbildung
spannt in 4Abb. 4 zwischen
müssten c01 undden r01Verbindungsstellen
senkrecht unter-
innerhalb
den. einer 4Schaltung
Abbildung zeigt einebenutzt werden,
aus diesen um Netze
Angaben auf ei-
berechnete der angeschlossenen Bauteile eine Potentialebene
einander stehen, da sie in Abbildung 3 in der selben auf,Spalte
die im
nem vertikalen
3D-Ansicht Potentialraster
des gleichen einzuordnen
Schaltplans, wobeiund die Bauteile
zu erkennen ist, gezeigtenwurden.
platziert Beispiel
DeraufSchaltplan
der 2.5 Vinzugeordneten
Abbildung 4 Höhe liegt.
erscheint
dazwischen
dass zu skalieren.
das Voltmeter Netze sindp02
x01, Netzpunkt per und
Definition in der Si-
die Spannungs- Um leicht
hier Netzpunkt p01 herum um
im Uhrzeigersinn deutet die Ecke von
die Mittelachse Reiheda-+1
gedreht,
mulation
quelle alsder
vin in ideale LeiterReihe
gleichen angenommen undKondensator
liegen, der somit isopoten-
c01 mit die Räumlichkeit
zu Reihe für den Betrachter
0 die Potentialebene für 5 V an, verständlich
während gnd wird.
mit
tial. Netzpunkt
samt Damit erscheinen
p01 aussieder
in einer solchen Darstellung
Zeichenebene immer
hervortreten, und In
0 Vderdieinteraktiven Lernsoftware
Referenzfläche markiert. ist
Beieseiner
durch Computerun-
planen Projektion
als horizontale
Widerstand Linien
r01 und oder Punkte.
Netzpunkt gnd Über Bauteilen
um eine hingegen
Reihe nach hin- terstützung möglich, auf
der 3D-Darstellung demdieBenutzer eine freie Wahlder
Zweidimensionalität desAbb.
Be- 4
besteht
ten eine Spannung,
verschoben sind. die als die Differenz der angeschlos- trachtungswinkels
müssten c01 und r01 zu geben,
senkrechtwodurch das Verständnis
untereinander stehen, da dersie
senen Potentiale sofort graphisch als Höhe sichtbar wird. Darstellung sehr vereinfacht wird.
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: 3
Abbildung
Abb. 5. Übersicht
5. Übersicht über dieüber die gesamte
gesamte Oberfläche
Oberfläche der Lernsoftware
der Lernsoftware.
in3 Abb.
Animationsdarstellung
3 in der selben Spalte platziert wurden. Der Schalt- 3zeige von Spannungen Voltmeter. Durch die Verwendung
Animationsdarstellung
plan in Abb. 4 erscheint hier leicht im Uhrzeigersinn um die des de-facto Standards SPICE für die Simulation, sind die
Mittelachse Möglichkeiten
Abbildung der verwendbaren
5 zeigt Bauteile
eine Übersicht leicht
über die erweiterbar
gesamte gra-
Abbildung gedreht, damit
5 zeigt eine die Räumlichkeit
Übersicht über die für den Betrach-
gesamte graphi-
ter verständlich wird. In der auf alle Arten,
phische die durch SPICE-Modelle
Benutzeroberfäche beschrieben
der Lernsoftware, werden
wie sie nach
sche Benutzeroberfäche der interaktiven Lernsoftware
Lernsoftware, wie sie nachistBe-
es
durch Computerunterstützung möglich, demAlleBenutzer können. and
Becker Das System
Manoli ist somit nicht
(2006a) beschränkt
umgesetzt auf Alle
wurde. den jetzi-
Mo-
cker and Manoli (2006a) umgesetzt wurde. Moduleeine
der
freie Wahl deswieBetrachtungswinkels zu geben, wodurch das gen Funktionsumfang
dule der Anwendung, sondern kann 3D-Animation,
wie Editor, mit den Anforderungen
2D-Plot
Anwendung, Editor, 3D-Animation, 2D-Plot und andere
Verständnis der Darstellung sehr vereinfacht wird. der Benutzer
und wachsen.
andere sind in separaten Fenstern implementiert, die
sind in separaten Fenstern implementiert, die frei verschoben
und skaliert werden können. Links unten ist ein Ausschnitt freiFür
verschoben und skaliert
die aktiven Bauteile, werden
denen können.
in SPICE Links unten
Modellbeschrei-
des Editors zu sehen, in dem der Benutzer Schaltungen nahe- ist ein Ausschnitt des Editors zu sehen, in dem
bungen für die Simulation hinzugefügt werden können, derexis-
Be-
zu beliebiger Komplexität frei verdrahten kann. Als Bautei- nutzer Schaltungen nahezu beliebiger Komplexität frei
tiert ein Eingabefenster zur Verwaltung der Modelle. So kann ver-
le stehen bisher zur Verfügung: Strom- und Spannungsquel- drahten kann. Als
falls gewünscht Bauteile
jedem Bauteilstehen bisher zurSimulations-
ein individuelles Verfügung:
len, gesteuerte Quellen, Widerstände, Kondensatoren, Di- modell beliebiger Komplexität zugeordnet werden, wie es
oden, Bipolar-Transistoren, MOS-Transistoren und zur An-
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44 : :
Abbildung
Abbildung 6.6.Transistorverstärker
Transistorverstärkerim
imArbeitsbereich.
Arbeitsbereich. Abbildung
Abbildung
Abb. 7.7.
Transistorverstärker ausserhalb
Transistorverstärker
7. Transistorverstärker desdes
ausserhalb
ausserhalb Arbeitsbereiches.
des Arbeitsbereiches.
Arbeitsbereiches.
Abb. 6. Transistorverstärker im Arbeitsbereich.
4 4 Hilfestellungen
Hilfestellungen
Strom- und Spannungsquellen,
Abbildung
Abbildung 55rechts
rechtsunten zeigtgesteuerte
untenzeigt den VerlaufQuellen,
denVerlauf der
derSpannun-Wi-
Spannun- gen der Bauteile in der potentialäquivalenten Darstellung
derstände,
gen innerhalb Kondensatoren,
der Schaltung, Dioden,
wie sie Bipolar-Transistoren,
nach
gen innerhalb der Schaltung, wie sie nach einer Transientsi-einer Transientsi- verständlich
Neben wird. Um das Verständnis von Wirkprinzipien
Nebender dereigentlichen
eigentlichen Applikation
Applikation zurzurDarstellung
Darstellung vonvon
MOS-Transistoren
mulation
mulationtraditionell
traditionell und zur
inineinem
einem Anzeige von Spannungen
waveform-plot
waveform-plot dargestellt Volt-
dargestelltwer-
wer- zu unterstützen
Schaltplänen
Schaltplänen ist es die
beinhaltet
beinhaltet außerdem möglich,
dieLernplattform
Lernplattform auch die Operations-
ausführliche
auch ausführliche
meter.
den. Durch die Verwendung des de-facto
den. Die Besonderheit der vorgestellten Software bestehtnun
Die Besonderheit der vorgestellten Standards
Software SPICE
besteht nun punkte von aktiven
Hilfestellungen.
Hilfestellungen. Bauteilen
EsEsexistiert
existierteinefarblich
eine reiche zuAnzahl
reiche kennzeichnen.
Anzahlvon vonlehr-Di-
lehr-
darin,
für
darin, dass
dass für
die Simulation, für jeden
sindZeitschritt
jeden Zeitschritt der
derSimulation
die Möglichkeiten Simulation die
diePoten-
der verwendbarenPoten- buchartigen
oden können
buchartigen Artikeln,
je nachdie
Artikeln, dieinineinem
einemeigenen
Stromrichtung eigenen Fenster
grün (leitend)
Fenster darge-
oder rot
darge-
tiale
tiale den
Bauteile entsprechenden
leicht erweiterbarBauteilen zugeordnet
auf alle Arten, werden
die durch und
SPICE- stellt
den entsprechenden Bauteilen zugeordnet werden und stelltwerden
(sperrend)
werden (Abbildung
dargestellt
(Abbildung 5,5,rechts
werden und
rechts oben)
oben)und
Transistoren undthematisch
rot (aus), gelb
thematisch
aus
aus der Abfolge von daraus generierten 3D-Ansichtenein
Modelle der Abfolge
beschrieben von daraus
werden generierten
können. Das 3D-Ansichten
System ist somitein aufeinander
(linear), aufbauen.
grün ZuZujedem
(Sättigung). Wenn Themengebiet
beispielsweisekönnen vor-
ein Transi-
aufeinander aufbauen. jedem Themengebiet können vor-
zeitlich
nicht
zeitlich animierter
beschränkt
animierter aufFilm
Film entsteht.
den jetzigen Dieser
Dieserkann
kannim
entsteht.Funktionsumfang imAnimati-
sondern
Animati- definierte Schaltplän
storverstärker geladen,
wie in Abb. animiert
6 an die und
Grenzenund eigenständig
seines dimensio-
definierte Schaltplän geladen, animiert eigenständig
onsfenster
kann mit den(hier links
linksoben)
Anforderungen oben)gesteuert und
der Benutzer undbetrachtet
wachsen.werden. verändert werden.
onsfenster (hier gesteuert betrachtet werden. nierten
verändert werden.DurchDurchinteraktives
Arbeitsbereiches ausgesteuert
interaktives Ausprobieren
wird, kannund
Ausprobieren diedie
beobach-
und
Über die
Für die
Über Regler
dieaktiven an
an den
ReglerBauteile, den Fensterkanten
denen in SPICE
Fensterkanten können Zoom,
Zoom,Ver-
Modellbeschrei-
können Ver- Möglichkeit,
tet werden wie vorhandene Schaltungen
gleichzeitig mit
der Transistor eigenen Ideen
die Farbe zuzu
wech-
Möglichkeit, vorhandene Schaltungen mit eigenen Ideen
schiebung
bungen
schiebungfür und
die Betrachtungswinkel
undSimulation stufenlos
hinzugefügt
Betrachtungswinkel werden
stufenlos eingestellt
können,wer-
eingestellt exi-
wer- bereichern, wird ein spielerisches Lernen und Experimentie-
selt und einewird
bereichern, Verzerrung des Ausgangssignals
ein spielerisches auftritt. Ein
Lernen und Experimentie-
den, wodurch der
der Betrachter zur eine
eineräumliche derWahrnehmung ren
stiert
den, ein Eingabefenster
wodurch Betrachter Verwaltung
räumliche Modelle. So
Wahrnehmung rengefördert.
Vergleich Die
mit
gefördert. Speicherung
Abb.
Die 7 zeigt der
Speicherung die erstellten
der Schaltungen
Farbänderung
erstellten aufauf
des Transi-
Schaltungen
der Schaltung
der falls
kann Schaltung erhält.
gewünscht Ein
erhält.jedem weiterer
Ein weiterer Regler
Bauteil Regler bestimmt
bestimmtden
ein individuelles denZeit-
Zeit-
Simula- dem Web-Server ermöglicht den einfachen Austausch zwi-
stors
dem und die Potentialänderung
Web-Server ermöglicht dender Netze. Statische
einfachen AustauschBilder
zwi-
punkt der Simulation, der dargestellt werden soll und dieser schen
punkt der Simulation,
tionsmodell der dargestellt
beliebiger Komplexität werden soll
zugeordnet und dieser
werden, wie schenStudenten
können und
hier leider
Studenten undsomit
nur einein
sehr
somit ortsunabhängiges
rudimentär Zusammen-
wiedergeben,
ortsunabhängiges wie ei-
Zusammen-
wird auch durch eine
eineHaarlinie
Haarlinieim im2D-Plot
2D-Plotangezeigt.
angezeigt.Durch arbeiten und Diskutieren.
eswird
von auch
SPICE durch
bekannt ist. Durch ne flüssige
arbeiten undAnimation
Diskutieren. wirkt, und ein wesentlicher Bestand-
die
die gleiche
gleicheFarbgebung
Farbgebung der
derKurven
Kurven und Netzknoten wird
wirdei-ei-
Abbildung 5 rechts unten zeigt denund Netzknoten
Verlauf der Spannun- teil der Perzeption ist sicherlich der interaktive Umgang mit
ne der Zusammenhang
ne innerhalb
der Zusammenhang zwischen
zwischen diesen beiden Darstellun-
gen
gen verdeutlicht.
der Schaltung, wie siediesen
nach beiden Darstellun-
einer Transientsi- 5derZusammenfassung
Applikation.
gen verdeutlicht.
mulation traditionell in einem waveform-plot dargestellt wer- 5 Zusammenfassung
den.Eine
Die automatische
Eine Besonderheit
automatische der
Abspielfunktion
vorgestelltenschließlich
Abspielfunktion
erlaubt nun
Software besteht
schließlich
die
erlaubt die Es wurde eine Lernsoftware vorgestellt, die eine neuartigen
flüssige Animation der 3D-Ansicht im zeitlichen Ablauf, wo- Es wurde eine Lernsoftware vorgestellt, die eine neuartigen
darin, dass
flüssige für jedender
Animation Zeitschritt
3D-Ansicht derimSimulation die Poten-
zeitlichen Ablauf, wo- Darstellungsmethode für analoge Schaltungen implemen-
durch
tiale den die FunktionsweiseBauteilen
entsprechenden der Schaltung
zugeordnet
durch die Funktionsweise der Schaltung durch Bewegun-
durchwerden
Bewegun-und 4Darstellungsmethode
tiert. Hilfestellungen für analoge Schaltungen implemen-
Durch gleichzeitige Visualisierung von Spannungen
gen der Bauteile in der potentialäquivalenten Darstellung tiert. Durch gleichzeitige Visualisierung von Spannungen
ausgenderderAbfolge
Bauteilevon in daraus generierten 3D-Ansichten
der potentialäquivalenten ein
Darstellung durch potentialäquivalente Platzierung und Operationsberei-
verständlich wird. Um das Verständnis von Wirkprinzipien durch potentialäquivalente Platzierung und Operationsberei-
zeitlich animierter
verständlich wird.Film Um entsteht. Dieser von
das Verständnis kannWirkprinzipien
im Animati- chen
Neben durchderFarben entstehtApplikation
eigentlichen eine Hervorhebung der Funkti-von
zur Darstellung
zu unterstützen ist es außerdem möglich, die Operations- chen durch Farben entsteht eine Hervorhebung der Funkti-
onsfenster (hier links
zu unterstützen ist oben) gesteuert
es außerdem und betrachtet
möglich, werden.
die Operations- onsprinzipien
Schaltplänen elektrischer
beinhaltet Schaltungen.
die LernplattformDie auch
Animation von
ausführliche
punkte von aktiven Bauteilen farblich zu kennzeichnen. Di- onsprinzipien elektrischer Schaltungen. Die Animation von
Über
punktedie von
Regler an den
aktiven Fensterkanten
Bauteilen farblich zu können Zoom, Ver-
kennzeichnen. Di- Simulationsergebnissen
Hilfestellungen. liefert zudem eine Abstraktion der
oden können je nach Stromrichtung grün (leitend) oder rot Simulationsergebnissen liefert zudem eine Abstraktionlehr-
Es existiert eine reiche Anzahl von der
schiebung
oden können und Betrachtungswinkel
je nach Stromrichtung stufenlos eingestellt
grün (leitend) wer-
oder rot elektrischen
buchartigen Wirkprinzipien,die indieeinem
wesentlich zum Verständ-
(sperrend) dargestellt werden und Transistoren rot (aus), gelb elektrischen Artikeln,
Wirkprinzipien, eigenen
die wesentlich Fenster
zum darge-
Verständ-
(sperrend)
den, wodurch dargestellt
der werdeneine
Betrachter und räumliche
Transistoren rot (aus), gelb
Wahrnehmung nis, vorwerden
stellt allem auch bei Anfängern, beitragen kann. aufeinan-
(linear), grün (Sättigung). Wenn beispielsweise ein Transis- nis, vor allem(Abb.
auch 5,beirechts oben)
Anfängern, und thematisch
beitragen kann.
der(linear),
Schaltung
torverstärkergrünerhält.
(Sättigung).
wie in Ein Wenn6 Regler
weiterer
Abbildung beispielsweise
bestimmt
an die Grenzen ein Transis-
den
seines Zeit-
di- der aufbauen. Zu jedem Themengebiet können vordefinier-
torverstärker
punkt der wie
Simulation, in Abbildung
der 6
dargestellt an die
werden
mensionierten Arbeitsbereiches ausgesteuert wird, kann be- Grenzen
soll seines
und di-
dieser te Schaltplän geladen, animiert und eigenständig verändert
Literatur
mensionierten
wird auch durch Arbeitsbereiches
eine Haarlinie imausgesteuert
2D-Plot
obachtet werden wie gleichzeitig der Transistor die Farbe wird,
angezeigt. kann be-
Durch Literatur
werden. Durch interaktives Ausprobieren und die Möglich-
dieobachtet
gleicheund
wechselt werdeneine wie
Farbgebung gleichzeitig
der Kurven
Verzerrung der Netzknoten
und Transistor die
des Ausgangssignals wirdFarbe
ei-
auftritt. keit, vorhandene
Becker, J. and Manoli, Schaltungen
Y.: An Onlinemit eigenen Ideen zu with
Learning-Environment berei-
wechselt und miteineAbbildung
Verzerrung des Ausgangssignals auftritt. Becker,
Embedded J. and
3D Manoli, Y.: Anand
Visualization Online Learning-Environment
Animation with
neEinderVergleich
Zusammenhang zwischen diesen beiden Darstellun-
7 zeigt die Farbänderung des chern, wird ein spielerisches Lernen undof Experimentieren
Electronic Cir-
Einverdeutlicht.
Vergleich Embedded 3D Visualization and Animation of Electronic Cir-
gen
Transistors undmit dieAbbildung 7 zeigt die
Potentialänderung der Farbänderung
Netze. Statische des cuits, World
gefördert. DieConference
cuits,Healthcare,
Speicherung
World Conference
on E-Learning in Corporate,
der erstellten
onEducation
E-Learning
Govern-
Schaltungen
in Corporate,
auf
Transistors und die Potentialänderung der Netze. Statische ment, and Higher (eLearn), 2006a. Govern-
Eine automatische Abspielfunktion schließlich
Bilder können hier leider nur sehr rudimentär wiedergeben, erlaubt die dem Web-Server
ment, Healthcare, ermöglicht den einfachen Austausch zwi-
Bilder können Becker, J. and Manoli, and Higher Education
Y.: Computer-aided 3D(eLearn),
animation2006a.
of analog
flüssige
wie eine flüssigehier
Animation leider
der
Animation nur
3D-Ansicht sehrim
wirkt, rudimentär
und zeitlichen wiedergeben,
Ablauf, Be-
ein wesentlicher wo- schen
Becker,Studenten
J. and und
Manoli, somit
Y.: ein ortsunabhängiges
Computer-aided 3D
circuits, 6th European Workshop on Microelectronics
Zusammen-
animation of analog
Education
wie eine
durch
standteil flüssige
die der Animation
Funktionsweise
Perzeption derwirkt,
ist sicherlich und
Schaltung eindurch
wesentlicher
der interaktive Bewegun-
Umgang Be- arbeiten und
circuits, 6thDiskutieren.
European Workshop on Microelectronics Education
(EWME), 2006b.
standteil
mit der Perzeption ist sicherlich der interaktive Umgang
der Applikation. (EWME), 2006b.
mit der Applikation.
Adv. Radio Sci., 5, 335–339, 2007 www.adv-radio-sci.net/5/335/2007/Visualisierung analoger Schaltungen: J. Becker and Y. Manoli 339
5 Diskussion Literatur
Es wurde eine Lernsoftware vorgestellt, die eine neuartigen Becker, J. and Manoli, Y.: An Online Learning-Environment with
Darstellungsmethode für analoge Schaltungen implemen- Embedded 3D Visualization and Animation of Electronic Cir-
tiert. Durch gleichzeitige Visualisierung von Spannungen cuits, World Conference on E-Learning in Corporate, Govern-
durch potentialäquivalente Platzierung und Operationsberei- ment, Healthcare, and Higher Education (eLearn), 2006a.
Becker, J. and Manoli, Y.: Computer-aided 3D animation of analog
chen durch Farben entsteht eine Hervorhebung der Funkti-
circuits, 6th European Workshop on Microelectronics Education
onsprinzipien elektrischer Schaltungen. Die Animation von (EWME), 2006b.
Simulationsergebnissen liefert zudem eine Abstraktion der
elektrischen Wirkprinzipien, die wesentlich zum Verständ-
nis, vor allem auch bei Anfängern, beitragen kann.
www.adv-radio-sci.net/5/335/2007/ Adv. Radio Sci., 5, 335–339, 2007Sie können auch lesen
