Симулация на верига с TINA Design Suite и TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

В този електронна книга, най-продаваният автор на Elektor, проф. д-р Доган Ибрахим има за цел да преподава дизайн и анализ на електрически и електронни вериги и да разработва печатни платки, използвайки TINA и TINACloud. Книгата е насочена към инженери по електротехника/електроника, студенти по електроника/електричество в технически колежи и университети, студенти следдипломна квалификация и изследователи, учители и любители. Предоставени са много тествани и работещи примери за симулация, покриващи повечето области на аналоговото и цифрово електрическо/електронно инженерство. Те включват AC и DC вериги, диоди, ценерови диоди, транзисторни вериги, операционни усилватели, стълбовидни диаграми, 3-фазни вериги, взаимна индуктивност, токоизправителни вериги, осцилатори, активни и пасивни филтърни вериги, цифрова логика, VHDL, MCU, превключващ режим захранвания, проектиране на печатни платки, редове на Фурие и спектър. Читателите не трябва да имат опит в програмирането, освен ако не желаят да симулират сложни схеми на MCU.

Съдържание:

Глава 1 ● Въведение

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Електронна симулация 14
1.3 ● SPICE моделиране на електронни схеми 15
1.4 ● Програма TINA 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Живо 3D Breadboard Инструмент 17
1.4.3 ● Дизайн на печатни платки 17
1.4.4 ● Проверка на електрическите правила (ERC) 17
1.4.5 ● Редактор на схематични символи 18
1.4.6 ● Мениджър на библиотека 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Редактор на текст и уравнения 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Анализ на преходни процеси 19
1.4.12 ● Автоматична конвергенция 19
1.4.13 ● Анализ на преходен шум 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● HDL симулация 20
1.4.17 ● Симулация на микроконтролер (MCU) 20
1.4.18 ● Редактор на блок-схеми и програма за отстраняване на грешки 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Символен анализ 21
1.4.23 ● Монте-Карло и анализ на най-лошия случай 21
1.4.24 ● Инструмент за проектиране 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Постпроцесор 22
1.4.27 ● Презентация 22
1.4.28 ● Интерактивен режим 22
1.4.29 ● Виртуални инструменти 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Обучение и изпит 23
1.4.32 ● Разширение за мехатроника 23

Глава 2 ● Версии на TINA

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Функции на версията 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Многофункционален инструмент за образование и обучение с локални и
възможности за дистанционно измерване 27

Глава 3 ● Процедура за инсталиране на TINA

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Инсталиране 29
3.3 ● Инсталиране на версията на хардуерен ключ (донгъл) на TINA 36
3.4 ● Оторизация на софтуерно защитената версия на TINA 37

Глава 4 ● Първи стъпки – Симулиране на прости вериги

4.1 ● Редактор на схеми 38
4.2 ● Симулация 1 – Последователни и паралелни резистори 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Симулация 3 – Резистор – верига индуктор-кондензатор 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Симулация 5 – Напрежение между компоненти – използване на волтметри 69
4.7 ● Симулация 6 – Ток през компоненти с използване на ампер метри 70
4.8 ● Симулация 7 – Измерване на импеданс с помощта на импеданс метър 71
4.9 ● Симулация 8 – Измерване на съпротивление с помощта на омметър 73
4.10 ● Симулация 9 – График на напрежението между компонентите с помощта на компонент на осцилоскоп 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Симулация 12 – Анализ на AC верига II 82
4.14 ● Симулация 13 – Анализ на AC верига III 84
4.15 ● Симулация 14 – Теорема на Тевенен – Анализ на AC верига 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● 3-фазни вериги 92
4.17.1 ● Симулация 16 – 3-фазен анализ на верига, свързана със звезда, с резистивен товар 93
4.17.2 ● Симулация 17 – 3-фазен анализ на веригата, свързана в звезда, с резистивни и
индуктивен товар 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Симулация 18 – Взаимна индуктивност 99

Глава 5 ● Проектиране и симулация на диодни вериги

5.1 ● Симулация 1 – Проста диодна верига 102
5.2 ● Симулация 2 – Схема на полувълнов токоизправител 103
5.3 ● Симулация 3 – Полувълнова токоизправителна верига с трансформатор 104
5.4 ● Симулация 4 – Пълновълнова токоизправителна верига с централен трансформатор 105
5.5 ● Симулация 5 – Пълновълнова мостова токоизправителна верига с трансформатор 107
5.6 ● Симулация 6 – Диодна клема 109
5.7 ● Симулация 7 – Характеристики на ценеров диод 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Симулация 10 – Верига за утрояване на напрежението 114

Глава 6 ● Проектиране и симулация на транзисторни вериги

6.1 ● Simulation 1 – Bipolar transistor characteristics 118
6.2 ● Simulation 2 – Common emitter transistor amplifier – Analysis 119
6.3 ● Simulation 3 – Common emitter transistor amplifier – Design 125
6.4 ● Симулация 4 – Многостъпален транзисторен усилвател с общ емитер – Използване на подсхеми в TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Симулация 5 – BJT транзистор Colpitts осцилатор 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Симулация 6 – JFET транзисторен усилвател с общ източник 142
6.9 ● Симулация 7 – Характеристични криви на JFET транзистор 146
6.10 ● Симулация 8 – BJT транзисторен ключ 147
6.11 ● Тиристори и триаци 149
6.11.1 ● Симулация 9 – Тиристорно фазово управление 149
6.11.2 ● Симулация 10 – Триак фазово управление 151
6.12 ● Аудио усилватели на мощност 153
6.12.1 ● Симулация 11 – аудио усилвател на мощност от клас AB 154

Глава 7 ● Проектиране и симулация на схеми на операционен усилвател

7.1 ● Ключови характеристики 161
7.2 ● Вериги на операционен усилвател 162
7.2.1 ● Инвертиращ усилвател 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Неинвертиращ усилвател 163
7.2.3 ● Повторител на напрежението 164
7.2.4 ● Усилвател на суматор на напрежение 165
7.2.5 ● Изваждане на напрежение 166
7.2.6 ● Интегратор на напрежение 167
7.2.7 ● Диференциатор на напрежението 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Симулация 1 – Инвертиращ усилвател 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Симулация 3 – Интегриращ усилвател на напрежението 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● Инструментът за проектиране 178
7.7.1 ● Симулация 5 – Примерен дизайн 178
7.8 ● Оптимизация 180
7.8.1 ● Симулация 6 – Примерен дизайн – AC верига 183
7.8.2 ● Симулация 7 – Примерен дизайн – DC верига 185
7.9 ● Синусоидални осцилатори . 187
7.9.1 ● Симулация 8 – Осцилатор с фазово отместване 187
7.9.2 ● Симулация 9 – Осцилаторът Wien Bridge 189
7.9.3 ● Симулация 10 – Осцилаторът Colpitts 192
7.10 ● Генератори на квадратни вълни 194
7.10.1 ● Симулация 11 – Генератор на правоъгълни вълни на операционен усилвател 194
7.10.2 ● Симулация 12 – 555 интегрална схема 196

Глава 8 ● Проектиране и симулация на филтърна верига

8.1 ● TINA филтри 199
8.2 ● Симулация 1 – Проектиране на нискочестотен активен филтър от 2-ри ред 201
8.3 ● Симулация 2 – Проектиране на нискочестотен активен филтър от по-висок порядък 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Симулация 4 – Проектиране на лентов активен филтър 209
8.6 ● Симулация 5 – Проектиране на нискочестотен пасивен филтър 210

Глава 9 ● Проектиране и симулация на цифрови логически схеми

9.1 ● Цифрова логическа симулация с помощта на TINA 212
9.2 ● Симулация 1 – Проста И врата 212
9.3 ● Симулация 2 – Половин суматор, използващ вентили 215
9.4 ● Симулация 3 – 2-битов синхронен брояч 216
9.5 ● Симулация 4 – 7-сегментен LED дисплей 217
9.6 ● Симулация 5 – 4-битов двоичен брояч с логически индикатори 218
9.7 ● Симулация 6 – 4-битов брояч на декади със 7-сегментен дисплей 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Симулация 8 – 4-битов брояч на декади и 7-сегментен дисплей – Използване на 4-битов генератор на данни 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Използване на езици за описание на хардуер (HDL) 225
9.11.1 ● Използване на VHDL симулация в TINA за анализ на цифрови схеми 226
9.11.2 ● Симулация 10 – Схема на половин суматор – VHDL 226
9.11.3 ● Симулация 11 – Схема на брояча – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Използване на симулация на Verilog в TINA за анализ на цифрови схеми 235

Глава 10 ● Инструмент за логически дизайн

Глава 11 ● Симулиране на микроконтролери

11.1 ● Преглед 246
11.2 ● Използване на редактора на блок-схеми 246
11.2.1 ● Simulation 1 – Alternately flashing 2 LEDs – PIC series microcontroller 246
11.2.2 ● Simulation 2 – 4-bit Up/Down counter with hex display – PIC series microcontroller 249
11.2.3 ● Дебъгване на блок-схема 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● Модифициране на asm код 255
11.3.3 ● Дебъгване на ASM код 256
11.4 ● Използване на C програмиране 257
11.4.1 ● Симулация 4 – Брояч – микроконтролер ATTINY13 258
11.4.2 ● Симулация 5 – Светофари – микроконтролер ATTINY13 261
11.4.3 ● Симулация 6 – LCD брояч – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Симулация 7 – Секвенсър на светофар – PIC микроконтролер 266
11.4.5 ● Симулация 8 – Мигаща светлина – микроконтролер STM32 268
11.5 ● Устройства с памет 272
11.5.1 ● Симулация 9 – 2-битов x 2-битов цифров умножител – ROM памет . 272
11.5.2 ● Симулация 10 – 4-битов двоичен брояч с два шестнадесетични дисплея – ROM памет. 275

Глава 12 ● Стълбовидни логически схеми

12.1 ● Общ преглед . 278
12.2 ● Симулация 1 – Стълба логика със светлина и двигател 278
12.3 ● Стълбовидни логически компоненти като цифрови логически компоненти 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Симулация 2 – Верига на блокиращ двигател 281
12.4.2 ● Симулация 3 – Управление на двигателя напред/назад 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

Глава 13 ● Захранващи вериги в превключващ режим (SMPS)

13.1 ● Общ преглед . 286
13.2 ● Симулация 1 – TPS61031 SMPS верига 286

Глава 14 ● Дизайн на печатни платки (PCB).

14.1 ● Преглед 293
14.2 ● Биполярен транзистор мултивибратор схема проект 293
14.2.1 ● Дизайнът 294
14.2.2 ● Симулация 294
14.2.3 ● Проверете имената на отпечатъците 295
14.2.4 ● Анализ на напрежението 297
14.2.5 ● Запазете вашата схема 297
14.2.6 ● Стартирайте програмата TINA PCB. 298
14.2.7 ● Gerber файл 302
14.2.8 ● GCode NC drill файл 302
14.2.9 ● Информация за PCB 303
14.2.10 ● Списък с компоненти 303
14.2.11 ● Netlist 304

Глава 15 ● Техники за проектиране на печатни платки

15.1 ● Преглед 307
15.2 ● Създаване на шини в Schematic Editor и PCB Designer на TINA 307
15.3 ● Множество единици в една и съща опаковка 310
15.4 ● Захранване на логически компоненти 313
15.5 ● Повтарящи се верижни блокове (с помощта на функцията за копиране на макроси) 316
15.6 ● Създаване на двуслойна, двустранна технологична платка за повърхностен монтаж 320
15.7 ● Създаване на PCB компоненти 325

Глава 16 ● Създаване на схематични символи и отпечатъци

16.1 ● Преглед 328
16.2 ● Пример 328
16.3 ● Използване на съветника за IC в редактора на схематични символи 332
16.4 ● Използване на редактора Footprint 335
16.5 ● IC Wizard в редактора на Footprint 339
16.5.1 ● Примерен дизайн 340
16.6 ● Добавяне на публични печатни платки към TINA 343
16.7 ● Добавяне на модели на публичен 3D отпечатък към TINA 346

Глава 17 ● Използване на TINACloud

17.1 ● Преглед 348
17.2 ● Започване на използване на TINACloud 349
17.3 ● Примерна симулация 350
17.4 ● Примерен дизайн на печатна платка 355
17.5 ● Споделяне на вашата TINA схема 357

Глава 18 ● Други полезни инструменти

18.1 ● Преглед 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Анализ на стрес (дим) 360
18.4 ● Проверка на електрически правила (ERC) 362
18.5 ● Сериен монитор 362
18.6 ● Изследовател на компоненти 362
18.7 ● Намерете компонент 363
18.8 ● Защитете верига 364
18.9 ● Експортиране 365
18.10 ● Импортиране 365
18.11 ● Редица на Фурие 365
18.12 ● Спектър на Фурие 367
18.13 ● Анализ на шума 367
18.14 ● Анализ на разсейването на мощността 369
18.15 ● Преводач 370
18.15.1 ● Пример 1 – RLC верига 371
18.15.2 ● Пример 2 – DC верига 373
18.15.3 ● Пример 3 – AC верига 374
18.15.4 ● Изчисляване на интеграли 375
18.15.5 ● Решаване на линейна система от уравнения 375
18.15.6 ● Чертане на диаграми 376
18.15.7 ● Боде диаграми 377
18.15.8 ● Дефиниция на сигнала 379
18.15.9 ● Поддържани функции 381
18.16 ● DC температурен анализ 382
18.17 ● Инструментът за извличане на параметри 382
18.18 ● Редактор на крайна машина 384

Глава 19 ● Мениджърът на библиотеката

Глава 20 ● Програмируеми на място гейт масиви (FPGA)

20.1 ● Преглед 391
20.2 ● Програмиране на FPGA платки с въвеждане на схематичен дизайн с помощта на TINA – Пример 1
391
20.3 ● Програмиране на FPGA платки с въвеждане на схематичен дизайн с помощта на TINA – Пример 2
400
20.4 ● Програмиране на FPGA платки във VHDL с TINA 404
20.5 ● Програмиране на FPGA платки във Verilog с TINACloud 407
20.6 ● Съхраняване на програмата в енергонезависима памет на Basys 3 платка 411
20.7 ● Брояч за секунди на 7-сегментната 4-цифрена Basys 3 FPGA платка, използваща TINA с
VHDL 415
20.8 ● Брояч на бутони на 7-сегментната 4-разрядна платка Basys 3 FPGA, използваща TINA с
VHDL 428

Глава 21 ● Допълнителна информация

21.1 ● Уебсайт на TINA 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Други полезни връзки 434
21.4 ● Помощни файлове на TINA 435
● Епилог 436
● Индекс 437