Simulace obvodů s TINA Design Suite a TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

V tomto e-knihy, nejprodávanější autor Elektoru, Prof. Dr. Dogan Ibrahim si klade za cíl učit návrh a analýzu elektrických a elektronických obvodů a vyvíjet desky plošných spojů pomocí TINA a TINACloud. Kniha je určena elektrotechnickým inženýrům, vysokoškolským studentům elektroniky a elektrotechniky na technických vysokých školách a univerzitách, postgraduálním a výzkumným studentům, učitelům a nadšencům. Je poskytnuto mnoho testovaných a funkčních simulačních příkladů pokrývajících většinu oblastí analogové a digitální elektrotechniky/elektroniky. Patří sem střídavé a stejnosměrné obvody, diody, zenerovy diody, tranzistorové obvody, operační zesilovače, žebříková schémata, 3fázové obvody, vzájemná indukčnost, usměrňovací obvody, oscilátory, aktivní a pasivní filtrační obvody, digitální logika, VHDL, MCU, spínací režim napájecí zdroje, návrh PCB, Fourierova řada a spektrum. Čtenáři nemusí mít žádné zkušenosti s programováním, pokud si nepřejí simulovat složité obvody MCU.

Obsah:

Kapitola 1 ● Úvod

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Elektronická simulace 14
1.3 ● SPICE modelování elektronických obvodů 15
1.4 ● Program TINA 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Živé 3D Breadboard Nástroj 17
1.4.3 ● Návrh PCB 17
1.4.4 ● Kontrola elektrických pravidel (ERC) 17
1.4.5 ● Editor schémat 18
1.4.6 ● Správce knihovny 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Editor textu a rovnic 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Analýza přechodných jevů 19
1.4.12 ● Automatická konvergence 19
1.4.13 ● Analýza přechodového šumu 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● Simulace HDL 20
1.4.17 ● Simulace mikrokontroléru (MCU) 20
1.4.18 ● Editor vývojových diagramů a ladicí program 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Symbolický rozbor 21
1.4.23 ● Monte-Carlo a analýza nejhoršího případu 21
1.4.24 ● Nástroj pro návrh 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Postprocesor 22
1.4.27 ● Prezentace 22
1.4.28 ● Interaktivní režim 22
1.4.29 ● Virtuální nástroje 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Školení a zkouška 23
1.4.32 ● Rozšíření mechatroniky 23

Kapitola 2 ● Verze TINA

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Funkce verze 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Multifunkční nástroj pro vzdělávání a školení s místními a
možnosti vzdáleného měření 27

Kapitola 3 ● Postup instalace TINA

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Instalace 29
3.3 ● Instalace hardwarového klíče (dongle) verze TINA 36
3.4 ● Autorizace softwarově chráněné verze TINA 37

Kapitola 4 ● Začínáme – Simulace jednoduchých obvodů

4.1 ● Editor schémat 38
4.2 ● Simulace 1 – Sériové a paralelní rezistory 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Simulace 3 – Rezistor – obvod induktor-kondenzátor 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Simulace 5 – Napětí mezi součástmi – pomocí voltmetrů 69
4.7 ● Simulace 6 – Proud skrz komponenty pomocí ampérmetrů 70
4.8 ● Simulace 7 – Měření impedance pomocí měřiče impedance 71
4.9 ● Simulace 8 – Měření odporu pomocí ohmmetru 73
4.10 ● Simulace 9 – Vykreslování napětí mezi součástmi pomocí součásti osciloskopu 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Simulace 12 – Analýza AC obvodu II 82
4.14 ● Simulace 13 – Analýza AC obvodu III 84
4.15 ● Simulace 14 – Theveninova věta – Analýza střídavého obvodu 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● 3-fázové obvody 92
4.17.1 ● Simulace 16 – analýza 3fázového obvodu zapojeného do hvězdy s odporovou zátěží 93
4.17.2 ● Simulace 17 – analýza 3fázového hvězdicového obvodu s odporovou a
indukční zátěž 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Simulace 18 – Vzájemná indukčnost 99

Kapitola 5 ● Návrh a simulace diodového obvodu

5.1 ● Simulace 1 – Jednoduchý obvod diody 102
5.2 ● Simulace 2 – Obvod půlvlnného usměrňovače 103
5.3 ● Simulace 3 – Obvod půlvlnného usměrňovače s transformátorem 104
5.4 ● Simulace 4 – Celovlnný obvod usměrňovače s transformátorem se středovou odbočkou 105
5.5 ● Simulace 5 – Obvod celovlnného můstkového usměrňovače s transformátorem 107
5.6 ● Simulace 6 – Obvod diodové svorky 109
5.7 ● Simulace 7 – Charakteristika Zenerovy diody 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Simulace 10 – obvod tripleru napětí 114

Kapitola 6 ● Návrh a simulace tranzistorového obvodu

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 ● Simulace 4 – Vícestupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem – Použití dílčích obvodů v TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Simulace 5 – BJT tranzistor Colpitts oscilátor 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Simulace 6 – JFET tranzistorový zesilovač společného zdroje 142
6.9 ● Simulace 7 – charakteristické křivky tranzistoru JFET 146
6.10 ● Simulace 8 – BJT Tranzistorový spínač 147
6.11 ● Tyristory a triaky 149
6.11.1 ● Simulace 9 – Tyristorové řízení fáze 149
6.11.2 ● Simulace 10 – Řízení fáze triaku 151
6.12 ● Zesilovače zvuku 153
6.12.1 ● Simulace 11 – zesilovač zvukového výkonu třídy AB 154

Kapitola 7 ● Návrh a simulace obvodu operačního zesilovače

7.1 ● Klíčové vlastnosti 161
7.2 ● Obvody operačního zesilovače 162
7.2.1 ● Invertující zesilovač 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Neinvertující zesilovač 163
7.2.3 ● Napěťový sledovač 164
7.2.4 ● Zesilovač sčítačky napětí 165
7.2.5 ● Odečítač napětí 166
7.2.6 ● Integrátor napětí 167
7.2.7 ● Napěťový diferenciátor 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Simulace 1 – Invertující zesilovač 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Simulace 3 – Napěťový integrační zesilovač 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● Nástroj pro návrh 178
7.7.1 ● Simulace 5 – příklad návrhu 178
7.8 ● Optimalizace 180
7.8.1 ● Simulace 6 – Příklad návrhu – AC obvod 183
7.8.2 ● Simulace 7 – Příklad návrhu – DC obvod 185
7.9 ● Sinusové oscilátory . 187
7.9.1 ● Simulace 8 – Oscilátor fázového posunu 187
7.9.2 ● Simulace 9 – oscilátor Wien Bridge 189
7.9.3 ● Simulace 10 – Colpittsův oscilátor 192
7.10 ● Generátory obdélníkových vln 194
7.10.1 ● Simulace 11 – Generátor obdélníkových vln operačního zesilovače 194
7.10.2 ● Simulace 12 – 555 integrovaný obvod 196

Kapitola 8 ● Návrh a simulace filtračního obvodu

8.1 ● Filtry TINA 199
8.2 ● Simulace 1 – Návrh dolnopropustného aktivního filtru 2. řádu 201
8.3 ● Simulace 2 – Návrh dolního aktivního filtru vyššího řádu 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Simulace 4 – Návrh pásmové propusti aktivního filtru 209
8.6 ● Simulace 5 – Návrh dolní propusti pasivního filtru 210

Kapitola 9 ● Návrh a simulace digitálních logických obvodů

9.1 ● Digitální logická simulace pomocí TINA 212
9.2 ● Simulace 1 – jednoduché AND hradlo 212
9.3 ● Simulace 2 – Poloviční sčítačka pomocí hradel 215
9.4 ● Simulace 3 – 2bitový synchronní čítač 216
9.5 ● Simulační 4 – 7segmentový LED displej 217
9.6 ● Simulační 5 – 4bitový binární čítač s logickými indikátory 218
9.7 ● Simulační 6 – 4bitový čítač dekády se 7segmentovým displejem 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Simulace 8 – 4bitový čítač dekád a 7segmentový displej – Použití 4bitového generátoru dat 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Používání jazyků popisu hardwaru (HDL) 225
9.11.1 ● Použití VHDL simulace v TINA k analýze digitálních obvodů 226
9.11.2 ● Simulace 10 – Obvod poloviční sčítačky – VHDL 226
9.11.3 ● Simulace 11 – Obvod čítače – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Použití simulace Verilog v TINA k analýze digitálních obvodů 235

Kapitola 10 ● Logic Design Tool

Kapitola 11 ● Simulace mikrokontrolérů

11.1 ● Přehled 246
11.2 ● Použití editoru vývojových diagramů 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 ● Ladění vývojového diagramu 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● Úprava kódu asm 255
11.3.3 ● Ladění kódu ASM 256
11.4 ● Použití programování v jazyce C 257
11.4.1 ● Simulace 4 – Počítadlo – mikrokontrolér ATTINY13 258
11.4.2 ● Simulace 5 – Semafor – mikrokontrolér ATTINY13 261
11.4.3 ● Simulace 6 – LCD počítadlo – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulace 7 – Sekvencer semaforů – mikrokontrolér PIC 266
11.4.5 ● Simulace 8 – blikající světlo – mikrokontrolér STM32 268
11.5 ● Paměťová zařízení 272
11.5.1 ● Simulace 9 – 2bitový x 2bitový digitální násobič – paměť ROM . 272
11.5.2 ● Simulační 10 – 4bitový binární čítač se dvěma hex displeji – paměť ROM . 275

Kapitola 12 ● Obvody žebříkové logiky

12.1 ● Přehled . 278
12.2 ● Simulace 1 – Žebříková logika se světlem a motorem 278
12.3 ● Komponenty žebříkové logiky jako komponenty digitální logiky 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Simulace 2 – Blokovací obvod motoru 281
12.4.2 ● Simulace 3 – Ovládání motoru vpřed/vzad 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

Kapitola 13 ● Spínané napájecí obvody (SMPS)

13.1 ● Přehled . 286
13.2 ● Simulace 1 – obvod SMPS TPS61031 286

Kapitola 14 ● Návrh desky s plošnými spoji (PCB).

14.1 ● Přehled 293
14.2 ● Projekt 293 obvodu multivibrátoru bipolárního tranzistoru
14.2.1 ● Návrh 294
14.2.2 ● Simulace 294
14.2.3 ● Zkontrolujte názvy footprintů 295
14.2.4 ● Analýza napětí 297
14.2.5 ● Uložte si schéma 297
14.2.6 ● Spusťte program TINA PCB. 298
14.2.7 ● Soubor Gerber 302
14.2.8 ● GCode NC vrtací soubor 302
14.2.9 ● Informace PCB 303
14.2.10 ● Seznam součástí 303
14.2.11 ● Netlist 304

Kapitola 15 ● Techniky návrhu PCB

15.1 ● Přehled 307
15.2 ● Vytváření sběrnic v Schematic Editor a PCB Designer TINA 307
15.3 ● Více jednotek ve stejném balení 310
15.4 ● Napájení logických součástek 313
15.5 ● Opakující se bloky obvodů (pomocí funkce Kopírovat makro) 316
15.6 ● Vytvoření dvouvrstvé, oboustranné technologické desky pro povrchovou montáž 320
15.7 ● Vytváření součástek DPS 325

Kapitola 16 ● Vytváření schematických symbolů a stop

16.1 ● Přehled 328
16.2 ● Příklad 328
16.3 ● Použití průvodce IC v editoru schémat 332
16.4 ● Použití editoru Footprint 335
16.5 ● Průvodce IC v Editoru Footprint 339
16.5.1 ● Příklad návrhu 340
16.6 ● Přidání veřejných stop PCB do TINA 343
16.7 ● Přidání modelů veřejných 3D stop do TINA 346

Kapitola 17 ● Používání TINACloud

17.1 ● Přehled 348
17.2 ● Začínáme používat TINACloud 349
17.3 ● Příklad simulace 350
17.4 ● Ukázka návrhu DPS 355
17.5 ● Sdílení schématu TINA 357

Kapitola 18 ● Další užitečné nástroje

18.1 ● Přehled 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Analýza napětí (kouře) 360
18.4 ● Kontrola elektrických pravidel (ERC) 362
18.5 ● Sériový monitor 362
18.6 ● Průzkumník součástí 362
18.7 ● Najít komponentu 363
18.8 ● Chraňte obvod 364
18.9 ● Export 365
18.10 ● Import 365
18.11 ● Fourierova řada 365
18.12 ● Fourierovo spektrum 367
18.13 ● Analýza hluku 367
18.14 ● Analýza ztrátového výkonu 369
18.15 ● Tlumočník 370
18.15.1 ● Příklad 1 – RLC obvod 371
18.15.2 ● Příklad 2 – DC obvod 373
18.15.3 ● Příklad 3 – AC obvod 374
18.15.4 ● Vyhodnocení integrálů 375
18.15.5 ● Řešení lineární soustavy rovnic 375
18.15.6 ● Kreslení schémat 376
18.15.7 ● Bode diagramy 377
18.15.8 ● Definice signálu 379
18.15.9 ● Podporované funkce 381
18.16 ● DC analýza teploty 382
18.17 ● Extraktor parametrů 382
18.18 ● Editor konečných stavů 384

Kapitola 19 ● Správce knihovny

Kapitola 20 ● Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)

20.1 ● Přehled 391
20.2 ● Programování desek FPGA se zadáním Schematic Design pomocí TINA – Příklad 1
391
20.3 ● Programování desek FPGA se zadáním Schematic Design pomocí TINA – Příklad 2
400
20.4 ● Programování desek FPGA ve VHDL s TINA 404
20.5 ● Programování desek FPGA ve Verilog pomocí TINACloud 407
20.6 ● Uložení programu do energeticky nezávislé paměti desky 3 Basys 411
20.7 ● Počítadlo sekund na 7segmentové 4místné desce FPGA Basys 3 využívající TINA s
VHDL 415
20.8 ● Tlačítkový čítač na 7segmentové 4místné desce FPGA Basys 3 využívající TINA s
VHDL 428

Kapitola 21 ● Další informace

21.1 ● Web TINA 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Další užitečné odkazy 434
21.4 ● Soubory nápovědy TINA 435
● Epilog 436
● Index 437