Kredsløbssimulering med TINA Design Suite og TINACloud

Af Prof. Dr. Dogan Ibrahim

I denne e-bog, den bedst sælgende Elektor-forfatter, Prof. Dr. Dogan Ibrahim sigter mod at undervise i design og analyse af elektriske og elektroniske kredsløb og udvikle PCB-kort ved hjælp af både TINA og TINACloud. Bogen henvender sig til elektriske/elektroniske ingeniører, undergraduate elektroniske/elektroniske ingeniørstuderende på tekniske gymnasier og universiteter, postgraduate- og forskningsstuderende, lærere og hobbyfolk. Der findes mange testede og fungerende simuleringseksempler, der dækker de fleste områder inden for analog og digital elektrisk/elektronisk teknik. Disse omfatter AC- og DC-kredsløb, dioder, zenerdioder, transistorkredsløb, operationsforstærkere, stigediagrammer, 3-fasede kredsløb, gensidig induktans, ensretterkredsløb, oscillatorer, aktive og passive filterkredsløb, digital logik, VHDL, MCU'er, switch-mode strømforsyninger, PCB-design, Fourier-serien og spektrum. Læsere behøver ikke at have nogen programmeringserfaring, medmindre de ønsker at simulere komplekse MCU-kredsløb.

Indholdsfortegnelse:

Kapitel 1 ● Introduktion

1.1 ● Hvorfor simulering? 13
1.2 ● Elektronisk simulering 14
1.3 ● SPICE modellering af elektroniske kredsløb 15
1.4 ● TINA-programmet 16
1.4.1 ● Skematisk optagelse 17
1.4.2 ● Live 3D Breadboard Værktøj 17
1.4.3 ● PCB design 17
1.4.4 ● Kontrol af elektriske regler (ERC) 17
1.4.5 ● Skematisk symboleditor 18
1.4.6 ● Biblioteksadministrator 18
1.4.7 ● IBIS-modelstøtte 18
1.4.8 ● Parameterudtrækker 18
1.4.9 ● Tekst- og ligningseditor 18
1.4.10 ● DC-analyse 19
1.4.11 ● Forbigående analyse 19
1.4.12 ● Autokonvergens 19
1.4.13 ● Transient støjanalyse 19
1.4.14 ● Fourieranalyse 19
1.4.15 ● Digital simulering 20
1.4.16 ● HDL-simulering 20
1.4.17 ● Mikrocontroller (MCU) simulering 20
1.4.18 ● Flowchart Editor og Debugger 20
1.4.19 ● AC-analyse 21
1.4.20 ● Netværksanalyse 21
1.4.21 ● Lineær AC-støjanalyse 21
1.4.22 ● Symbolsk analyse 21
1.4.23 ● Monte-Carlo og worst case-analyse 21
1.4.24 ● Designværktøj 21
1.4.25 ● Optimering 22
1.4.26 ● Postprocessor 22
1.4.27 ● Præsentation 22
1.4.28 ● Interaktiv tilstand 22
1.4.29 ● Virtuelle instrumenter 23
1.4.30 ● Test og målinger i realtid 23
1.4.31 ● Træning og eksamen 23
1.4.32 ● Mekatronik-udvidelse 23

Kapitel 2 ● TINA-versioner

2.1 ● Oversigt 24
2.2 ● Versionsfunktioner 24
2.3 ● Indstillinger 27
2.4 ● Supplerende hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Multifunktionsinstrument til uddannelse og træning med lokale og
fjernmålingsmuligheder 27

Kapitel 3 ● TINA installationsprocedure

3.1 ● Hardware- og softwarekrav 29
3.2 ● Installation 29
3.3 ● Installation af hardwarenøglen (dongle) versionen af ​​TINA 36
3.4 ● Godkendelse af den softwarebeskyttede version af TINA 37

Kapitel 4 ● Kom godt i gang – Simulering af simple kredsløb

4.1 ● Skematisk editor 38
4.2 ● Simulering 1 – Serie- og parallelmodstande 39
4.3 ● Simulering 2 – Modstand – kondensatorkredsløb 49
4.4 ● Simulering 3 – Modstand – induktor-kondensatorkredsløb 61
4.5 ● Simulering 4 – Strømforbrug – ved hjælp af en strømmåler 67
4.6 ● Simulering 5 – Spænding over komponenter – ved hjælp af voltmetre 69
4.7 ● Simulering 6 – Strømgennemgangskomponenter ved hjælp af amperemålere 70
4.8 ● Simulering 7 – Impedansmåling ved hjælp af impedansmåleren 71
4.9 ● Simulering 8 – Modstandsmåling ved hjælp af Ohmmeter 73
4.10 ● Simulering 9 – Plotning af spænding over komponenter ved hjælp af en oscilloskopkomponent 74
4.11 ● Simulering 10 – Måling af frekvens ved hjælp af en frekvensmåler 78
4.12 ● Simulering 11 – AC-kredsløbsanalyse I 79
4.13 ● Simulering 12 – AC-kredsløbsanalyse II 82
4.14 ● Simulering 13 – AC-kredsløbsanalyse III 84
4.15 ● Simulering 14 – Thevenins sætning – AC-kredsløbsanalyse 86
4.16 ● Simulering 15 – Nortons sætning – AC-kredsløbsanalyse 89
4.17 ● 3-fasede kredsløb 92
4.17.1 ● Simulering 16 – 3-faset stjerneforbundet kredsløbsanalyse med resistiv belastning 93
4.17.2 ● Simulering 17 – 3-faset stjerneforbundet kredsløbsanalyse med resistiv og
induktiv belastning 95
4.18 ● Gensidig induktans 98
4.18.1 ● Simulering 18 – Gensidig induktans 99

Kapitel 5 ● Diodekredsløbsdesign og -simulering

5.1 ● Simulering 1 – Enkelt diodekredsløb 102
5.2 ● Simulering 2 – Halvbølge ensretterkredsløb 103
5.3 ● Simulering 3 – Halvbølge ensretterkredsløb med transformer 104
5.4 ● Simulering 4 – Fuldbølge ensretterkredsløb med center-tappet transformer 105
5.5 ● Simulering 5 – Fuldbølge broensretterkredsløb med transformer 107
5.6 ● Simulering 6 – Diodeklemmekredsløb 109
5.7 ● Simulering 7 – Zenerdiodekarakteristika 110
5.8 ● Simulering 8 – Zenerdiode spændingsregulator 112
5.9 ● Simulering 9 – Zenerdiodesymmetrisk spændingsbegrænser 113
5.10 ● Simulering 10 – Spændingstribler kredsløb 114

Kapitel 6 ● Transistorkredsløbsdesign og -simulering

6.1 ● Simulering 1 – Bipolære transistorkarakteristika 118
6.2 ● Simulering 2 – Fælles emitter transistorforstærker – Analyse 119
6.3 ● Simulering 3 – Fælles emitter transistorforstærker – Design 125
6.4 ● Simulering 4 – Flertrins fælles emitter transistorforstærker – Brug af underkredsløb i TINA 127
6.5 ● Netlisten 131
6.6 ● Simulering 5 – BJT transistor Colpitts oscillator 132
6.7 ● Transistor som et to-ports netværk 136
6.7.1 ● Transistor h-parametre 139
6.8 ● Simulering 6 – JFET transistor fælles kildeforstærker 142
6.9 ● Simulering 7 – JFET-transistorkarakteristikkurver 146
6.10 ● Simulering 8 – BJT Transistor switch 147
6.11 ● Thyristorer og triacer 149
6.11.1 ● Simulering 9 – Thyristorfasekontrol 149
6.11.2 ● Simulering 10 – Triac fasekontrol 151
6.12 ● Lydeffektforstærkere 153
6.12.1 ● Simulering 11 – Klasse AB lydeffektforstærker 154

Kapitel 7 ● Operationsforstærkerkredsløbsdesign og -simulering

7.1 ● Nøglekarakteristika 161
7.2 ● Operationsforstærkerkredsløb 162
7.2.1 ● Inverterende forstærker 163
7.2.1 ● Inverterende forstærker 163
7.2.2 ● Ikke-inverterende forstærker 163
7.2.3 ● Spændingsføler 164
7.2.4 ● Spændingsadderforstærker 165
7.2.5 ● Spændingssubtraktor 166
7.2.6 ● Spændingsintegrator 167
7.2.7 ● Spændingsdifferentiator 168
7.2.8 ● Strøm til spænding konverter 169
7.3 ● Simulering 1 – Inverterende forstærker 171
7.4 ● Simulering 2 – Summeringsforstærker 174
7.5 ● Simulering 3 – Spændingsintegrerende forstærker 175
7.6 ● Simulering 4 – Halvbølge ensretterkredsløb 176
7.7 ● Designværktøjet 178
7.7.1 ● Simulering 5 – Eksempeldesign 178
7.8 ● Optimering 180
7.8.1 ● Simulering 6 – Eksempeldesign – AC-kredsløb 183
7.8.2 ● Simulering 7 – Eksempeldesign – DC-kredsløb 185
7.9 ● Sinusformede oscillatorer . 187
7.9.1 ● Simulering 8 – Faseskiftoscillator 187
7.9.2 ● Simulering 9 – Wien Bridge-oscillator 189
7.9.3 ● Simulering 10 – Colpitts-oscillatoren 192
7.10 ● Firkantbølgegeneratorer 194
7.10.1 ● Simulering 11 – Operationsforstærker firkantbølgegenerator 194
7.10.2 ● Simulation 12 – 555 integreret kredsløb 196

Kapitel 8 ● Filterkredsløbsdesign og -simulering

8.1 ● TINA-filtre 199
8.2 ● Simulering 1 – Design af et 2. ordens lavpas aktivt filter 201
8.3 ● Simulering 2 – Design af et aktivt lavpasfilter af højere orden 206
8.4 ● Simulering 3 – Design af et aktivt højpasfilter 207
8.5 ● Simulering 4 – Design af et aktivt båndpasfilter 209
8.6 ● Simulering 5 – Design af et passivt lavpasfilter 210

Kapitel 9 ● Digital logisk kredsløbsdesign og -simulering

9.1 ● Digital logisk simulering ved hjælp af TINA 212
9.2 ● Simulering 1 – Simple AND gate 212
9.3 ● Simulering 2 – Halv adderer ved hjælp af porte 215
9.4 ● Simulering 3 – 2-bit synkrontæller 216
9.5 ● Simulering 4 – 7-segment LED-display 217
9.6 ● Simulering 5 – 4-bit binær tæller med logiske indikatorer 218
9.7 ● Simulering 6 – 4-bit dekadetæller med 7-segment display 219
9.8 ● Simulering 7 – 8-bit dekadetæller med to 7-segment displays 220
9.9 ● Simulering 8 – 4-bit dekadetæller og 7-segment display – Brug af en 4-bit datagenerator 221
9.10 ● Simulering 9 – Oprettelse af en fuld adderer – ved hjælp af en MACRO 223
9.11 ● Brug af hardwarebeskrivelsessprog (HDL'er) 225
9.11.1 ● Brug af VHDL-simulering i TINA til at analysere digitale kredsløb 226
9.11.2 ● Simulering 10 – Halvt adderkredsløb – VHDL 226
9.11.3 ● Simulering 11 – Tællerkredsløb – VHDL 230
9.11.4 ● VHDL Debugger 233
9.12 ● Brug af Verilog-simulering i TINA til at analysere digitale kredsløb 235

Kapitel 10 ● Logisk designværktøj

Kapitel 11 ● Simulering af mikrocontrollere

11.1 ● Oversigt 246
11.2 ● Brug af Flowchart-editoren 246
11.2.1 ● Simulering 1 – Skiftende blinkende 2 lysdioder – PIC serie mikrocontroller 246
11.2.2 ● Simulering 2 – 4-bit op/ned tæller med hex display – PIC serie mikrocontroller 249
11.2.3 ● Flowchart-fejlfinding 252
11.3 ● Brug af montageprogrammering 253
11.3.1 ● Simulering 3 – Tæller – PIC serie mikrocontroller 253
11.3.2 ● Ændring af asm-koden 255
11.3.3 ● Fejlretning af ASM-koden 256
11.4 ● Brug af C-programmering 257
11.4.1 ● Simulering 4 – Tæller – ATTINY13 mikrocontroller 258
11.4.2 ● Simulering 5 – Trafiklys – ATTINY13 mikrocontroller 261
11.4.3 ● Simulering 6 – LCD-tæller – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulering 7 – Trafiklys-sequencer – PIC mikrocontroller 266
11.4.5 ● Simulering 8 – Blinkende lys – STM32 mikrocontroller 268
11.5 ● Hukommelsesenheder 272
11.5.1 ● Simulering 9 – 2-bit x 2-bit digital multiplikator – ROM-hukommelse . 272
11.5.2 ● Simulering 10 – 4-bit binær tæller med to hex-displays – ROM-hukommelse . 275

Kapitel 12 ● Ladder Logic Circuits

12.1 ● Oversigt . 278
12.2 ● Simulering 1 – Stigelogik med lys og motor 278
12.3 ● Ladderlogikkomponenter som digitale logikkomponenter 279
12.4 ● Låsekredsløb 281
12.4.1 ● Simulering 2 – Låsemotorkredsløb 281
12.4.2 ● Simulering 3 – Fremad/baglæns motorstyring 283
12.4.3 ● Simulering 4 – Transportbåndscontroller 284

Kapitel 13 ● Switching-Mode Power Supply Circuits (SMPS)

13.1 ● Oversigt . 286
13.2 ● Simulering 1 – TPS61031 SMPS-kredsløb 286

Kapitel 14 ● Printed Circuit Board (PCB) Design

14.1 ● Oversigt 293
14.2 ● Bipolær transistor multivibrator kredsløbsprojekt 293
14.2.1 ● Designet 294
14.2.2 ● Simulering 294
14.2.3 ● Tjek footprint-navne 295
14.2.4 ● Stressanalyse 297
14.2.5 ● Gem dit skema 297
14.2.6 ● Start TINA PCB-program. 298
14.2.7 ● Gerber-fil 302
14.2.8 ● GCode NC-borefil 302
14.2.9 ● PCB-oplysninger 303
14.2.10 ● Komponentliste 303
14.2.11 ● Netliste 304

Kapitel 15 ● PCB-designteknikker

15.1 ● Oversigt 307
15.2 ● Oprettelse af busser i den skematiske editor og PCB-designeren af ​​TINA 307
15.3 ● Flere enheder i samme pakke 310
15.4 ● Strømforsyning af logiske komponenter 313
15.5 ● Gentagelse af kredsløbsblokke (ved hjælp af kopieringsmakrofunktionen) 316
15.6 ● Oprettelse af et to-lags, dobbeltsidet, overflademonteret teknologikort 320
15.7 ● Oprettelse af PCB-komponenter 325

Kapitel 16 ● Lave skematiske symboler og fodspor

16.1 ● Oversigt 328
16.2 ● Eksempel 328
16.3 ● Brug af IC-guiden i Schematic Symbol Editor 332
16.4 ● Brug af Footprint-editoren 335
16.5 ● IC Wizard i Footprint Editor 339
16.5.1 ● Eksempeldesign 340
16.6 ● Tilføjelse af offentlige PCB-fodspor til TINA 343
16.7 ● Tilføjelse af offentlige 3D Footprint-modeller til TINA 346

Kapitel 17 ● Brug af TINACloud

17.1 ● Oversigt 348
17.2 ● Begynder at bruge TINACloud 349
17.3 ● Eksempelsimulering 350
17.4 ● Eksempel PCB design 355
17.5 ● Deling af dit TINA-skema 357

Kapitel 18 ● Andre nyttige værktøjer

18.1 ● Oversigt 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Stress (røg) analyse 360
18.4 ● Electric Rules Check (ERC) 362
18.5 ● Seriel skærm 362
18.6 ● Komponentopdager 362
18.7 ● Find komponent 363
18.8 ● Beskyt kredsløb 364
18.9 ● Eksporter 365
18.10 ● Import 365
18.11 ● Fourier serie 365
18.12 ● Fourierspektrum 367
18.13 ● Støjanalyse 367
18.14 ● Effekttabsanalyse 369
18.15 ● Tolk 370
18.15.1 ● Eksempel 1 – RLC-kredsløb 371
18.15.2 ● Eksempel 2 – DC-kredsløb 373
18.15.3 ● Eksempel 3 – AC-kredsløb 374
18.15.4 ● Evaluering af integraler 375
18.15.5 ● Løsning af lineært ligningssystem 375
18.15.6 ● Tegning af diagrammer 376
18.15.7 ● Bode-diagrammer 377
18.15.8 ● Signaldefinition 379
18.15.9 ● Understøttede funktioner 381
18.16 ● DC Temperaturanalyse 382
18.17 ● Parameterudtrækkeren 382
18.18 ● Finite State Machine Editor 384

Kapitel 19 ● Biblioteksadministratoren

Kapitel 20 ● Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)

20.1 ● Oversigt 391
20.2 ● Programmering af FPGA-kort med skematisk designindtastning ved hjælp af TINA – Eksempel 1
391
20.3 ● Programmering af FPGA-kort med skematisk designindtastning ved hjælp af TINA – Eksempel 2
400
20.4 ● Programmering af FPGA-kort i VHDL med TINA 404
20.5 ● Programmering af FPGA-kort i Verilog med TINACloud 407
20.6 ● Lagring af programmet i ikke-flygtig hukommelse på Basys 3 board 411
20.7 ● Sekundetæller på det 7-segments 4-cifrede Basys 3 FPGA-kort ved hjælp af TINA med
VHDL 415
20.8 ● Trykknaptæller på det 7-segmentede 4-cifrede Basys 3 FPGA-kort ved hjælp af TINA med
VHDL 428

Kapitel 21 ● Yderligere oplysninger

21.1 ● TINA hjemmeside 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Andre nyttige links 434
21.4 ● TINA hjælpefiler 435
● Epilog 436
● Indeks 437