Schaltungssimulation mit TINA Design Suite und TINACloud

Von Prof. Dr. Dogan Ibrahim

In diesem E-Book, meistverkaufter Elektor-Autor, Prof. Dr. Dogan Ibrahim möchte das Design und die Analyse elektrischer und elektronischer Schaltungen lehren und Leiterplatten sowohl mit TINA als auch mit TINACloud entwickeln. Das Buch richtet sich an Elektro-/Elektronikingenieure, Studenten der Elektrotechnik/Elektrotechnik an Fachhochschulen und Universitäten, Doktoranden und Forschungsstudenten, Lehrer und Bastler. Es werden viele getestete und funktionierende Simulationsbeispiele bereitgestellt, die die meisten Bereiche der analogen und digitalen Elektrotechnik/Elektronik abdecken. Dazu gehören AC- und DC-Schaltungen, Dioden, Zenerdioden, Transistorschaltungen, Operationsverstärker, Leiterdiagramme, 3-Phasen-Schaltungen, Gegeninduktivität, Gleichrichterschaltungen, Oszillatoren, aktive und passive Filterschaltungen, digitale Logik, VHDL, MCUs, Schaltmodus Netzteile, PCB-Design, Fourier-Reihen und Spektrum. Leser müssen keine Programmiererfahrung haben, es sei denn, sie möchten komplexe MCU-Schaltungen simulieren.

Inhaltsverzeichnis:

Kapitel 1 ● Einleitung

1.1 ● Warum Simulation? 13
1.2 ● Elektronische Simulation 14
1.3 ● SPICE Modellierung elektronischer Schaltungen 15
1.4 ● Das TINA-Programm 16
1.4.1 ● Schematische Erfassung 17
1.4.2 ● Live-3D Breadboard Werkzeug 17
1.4.3 ● PCB-Design 17
1.4.4 ● Electrical Rules Check (ERC) 17
1.4.5 ● Schaltplansymbol-Editor 18
1.4.6 ● Bibliotheksmanager 18
1.4.7 ● IBIS-Modellunterstützung 18
1.4.8 ● Parameterextraktor 18
1.4.9 ● Texteditor und Gleichungseditor 18
1.4.10 ● DC-Analyse 19
1.4.11 ● Transientenanalyse 19
1.4.12 ● Autokonvergenz 19
1.4.13 ● Transiente Rauschanalyse 19
1.4.14 ● Fourier-Analyse 19
1.4.15 ● Digitale Simulation 20
1.4.16 ● HDL-Simulation 20
1.4.17 ● Mikrocontroller (MCU)-Simulation 20
1.4.18 ● Flussdiagrammeditor und Debugger 20
1.4.19 ● AC-Analyse 21
1.4.20 ● Netzwerkanalyse 21
1.4.21 ● Lineare AC-Rauschanalyse 21
1.4.22 ● Symbolische Analyse 21
1.4.23 ● Monte-Carlo- und Worst-Case-Analyse 21
1.4.24 ● Designtool 21
1.4.25 ● Optimierung 22
1.4.26 ● Postprozessor 22
1.4.27 ● Präsentation 22
1.4.28 ● Interaktiver Modus 22
1.4.29 ● Virtuelle Instrumente 23
1.4.30 ● Echtzeittests und -messungen 23
1.4.31 ● Ausbildung und Prüfung 23
1.4.32 ● Mechatronik Erweiterung 23

Kapitel 2 ● TINA-Versionen

2.1 ● Übersicht 24
2.2 ● Versionsmerkmale 24
2.3 ● Optionen 27
2.4 ● Ergänzende Hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Multifunktionsinstrument für Bildung und Training mit lokalen und
Fernmessmöglichkeiten 27

Kapitel 3 ● TINA-Installationsverfahren

3.1 ● Hardware- und Softwareanforderungen 29
3.2 ● Installation 29
3.3 ● Installieren der Hardwareschlüssel (Dongle)-Version von TINA 36
3.4 ● Autorisierung der softwaregeschützten Version von TINA 37

Kapitel 4 ● Erste Schritte – Simulieren einfacher Schaltungen

4.1 ● Der Schaltplaneditor 38
4.2 ● Simulation 1 – Reihen- und Parallelwiderstände 39
4.3 ● Simulation 2 – Widerstand – Kondensatorschaltung 49
4.4 ● Simulation 3 – Widerstand – Drossel-Kondensator-Schaltung 61
4.5 ● Simulation 4 – Stromverbrauch – mit einem Leistungsmesser 67
4.6 ● Simulation 5 – Spannung zwischen Komponenten – mit Voltmetern 69
4.7 ● Simulation 6 – Strom durch Bauteile mit Amperemeter 70
4.8 ● Simulation 7 – Impedanzmessung mit dem Impedanzmessgerät 71
4.9 ● Simulation 8 – Widerstandsmessung mit dem Ohmmeter 73
4.10 ● Simulation 9 – Plotten der Spannung über Komponenten unter Verwendung einer Oszilloskop-Komponente 74
4.11 ● Simulation 10 – Frequenzmessung mit einem Frequenzmesser 78
4.12 ● Simulation 11 – AC-Stromkreisanalyse I 79
4.13 ● Simulation 12 – Wechselstromkreisanalyse II 82
4.14 ● Simulation 13 – Wechselstromkreisanalyse III 84
4.15 ● Simulation 14 – Thevenins Theorem – Wechselstromkreisanalyse 86
4.16 ● Simulation 15 – Nortons Theorem – Wechselstromkreisanalyse 89
4.17 ● 3-Phasen-Schaltungen 92
4.17.1 ● Simulation 16 – 3-Phasen-Sternschaltungsanalyse mit ohmscher Last 93
4.17.2 ● Simulation 17 – 3-Phasen-Sternschaltungsanalyse mit ohmscher und
induktive Last 95
4.18 ● Gegeninduktivität 98
4.18.1 ● Simulation 18 – Gegeninduktivität 99

Kapitel 5 ● Entwurf und Simulation von Diodenschaltungen

5.1 ● Simulation 1 – Einfache Diodenschaltung 102
5.2 ● Simulation 2 – Einweggleichrichterschaltung 103
5.3 ● Simulation 3 – Einweggleichrichterschaltung mit Transformator 104
5.4 ● Simulation 4 – Vollweggleichrichterschaltung mit Mittelanzapfungstransformator 105
5.5 ● Simulation 5 – Vollweg-Brückengleichrichterschaltung mit Transformator 107
5.6 ● Simulation 6 – Diodenklemmschaltung 109
5.7 ● Simulation 7 – Eigenschaften der Zenerdiode 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener-Dioden-Spannungsregler 112
5.9 ● Simulation 9 – Symmetrischer Spannungsbegrenzer mit Zenerdiode 113
5.10 ● Simulation 10 – Spannungsverdreifacherschaltung 114

Kapitel 6 ● Entwurf und Simulation von Transistorschaltungen

6.1 ● Simulation 1 – Eigenschaften von Bipolartransistoren 118
6.2 ● Simulation 2 – Common-Emitter-Transistorverstärker – Analyse 119
6.3 ● Simulation 3 – Common-Emitter-Transistorverstärker – Design 125
6.4 ● Simulation 4 – Mehrstufiger Transistorverstärker in Emitterschaltung – Verwendung von Teilschaltungen in TINA 127
6.5 ● Die Netzliste 131
6.6 ● Simulation 5 – BJT-Transistor Colpitts-Oszillator 132
6.7 ● Transistor als Zwei-Port-Netzwerk 136
6.7.1 ● Transistor-h-Parameter 139
6.8 ● Simulation 6 – JFET-Transistor-Common-Source-Verstärker 142
6.9 ● Simulation 7 – JFET-Transistorkennlinien 146
6.10 ● Simulation 8 – BJT-Transistorschalter 147
6.11 ● Thyristoren und Triacs 149
6.11.1 ● Simulation 9 – Thyristor-Phasenanschnitt 149
6.11.2 ● Simulation 10 – Triac Phasenanschnitt 151
6.12 ● Audio-Leistungsverstärker 153
6.12.1 ● Simulation 11 – Audio-Leistungsverstärker der Klasse AB 154

Kapitel 7 ● Design und Simulation von Operationsverstärkerschaltungen

7.1 ● Hauptmerkmale 161
7.2 ● Operationsverstärkerschaltungen 162
7.2.1 ● Umkehrverstärker 163
7.2.1 ● Invertierender Verstärker 163
7.2.2 ● Nicht invertierender Verstärker 163
7.2.3 ● Spannungsfolger 164
7.2.4 ● Spannungsaddierverstärker 165
7.2.5 ● Spannungssubtrahierer 166
7.2.6 ● Spannungsintegrator 167
7.2.7 ● Spannungsdifferenzierer 168
7.2.8 ● Strom-Spannungs-Wandler 169
7.3 ● Simulation 1 – Invertierender Verstärker 171
7.4 ● Simulation 2 – Summierverstärker 174
7.5 ● Simulation 3 – Spannungsintegrierender Verstärker 175
7.6 ● Simulation 4 – Einweggleichrichterschaltung 176
7.7 ● Das Designtool 178
7.7.1 ● Simulation 5 – Beispieldesign 178
7.8 ● Optimierung 180
7.8.1 ● Simulation 6 – Beispieldesign – Wechselstromkreis 183
7.8.2 ● Simulation 7 – Beispieldesign – DC-Kreis 185
7.9 ● Sinusoszillatoren . 187
7.9.1 ● Simulation 8 – Phasenverschiebungsoszillator 187
7.9.2 ● Simulation 9 – Der Wien-Brücken-Oszillator 189
7.9.3 ● Simulation 10 – Der Colpitts-Oszillator 192
7.10 ● Rechteckgeneratoren 194
7.10.1 ● Simulation 11 – Operationsverstärker-Rechteckgenerator 194
7.10.2 ● Simulation 12 – 555 integrierte Schaltung 196

Kapitel 8 ● Entwurf und Simulation von Filterschaltungen

8.1 ● TINA-Filter 199
8.2 ● Simulation 1 – Entwurf eines aktiven Tiefpassfilters 2. Ordnung 201
8.3 ● Simulation 2 – Entwurf eines aktiven Tiefpassfilters 206 höherer Ordnung
8.4 ● Simulation 3 – Entwurf eines aktiven Hochpassfilters 207
8.5 ● Simulation 4 – Entwurf eines aktiven Bandpassfilters 209
8.6 ● Simulation 5 – Entwerfen eines passiven Tiefpassfilters 210

Kapitel 9 ● Entwurf und Simulation digitaler Logikschaltungen

9.1 ● Digitale Logiksimulation mit TINA 212
9.2 ● Simulation 1 – Einfaches UND-Gatter 212
9.3 ● Simulation 2 – Halbaddierer mit Gattern 215
9.4 ● Simulation 3 – 2-Bit-Synchronzähler 216
9.5 ● Simulation 4 – 7-Segment-LED-Anzeige 217
9.6 ● Simulation 5 – 4-Bit-Binärzähler mit Logikindikatoren 218
9.7 ● Simulation 6 – 4-Bit-Dekadenzähler mit 7-Segment-Anzeige 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-Bit-Dekadenzähler mit zwei 7-Segment-Anzeigen 220
9.9 ● Simulation 8 – 4-Bit-Dekadenzähler und 7-Segment-Anzeige – Verwendung eines 4-Bit-Datengenerators 221
9.10 ● Simulation 9 – Erstellen eines Volladdierers – mit einem MACRO 223
9.11 ● Verwenden von Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) 225
9.11.1 ● Verwenden der VHDL-Simulation in TINA zum Analysieren digitaler Schaltungen 226
9.11.2 ● Simulation 10 – Halbaddiererschaltung – VHDL 226
9.11.3 ● Simulation 11 – Zählerschaltung – VHDL 230
9.11.4 ● Der VHDL-Debugger 233
9.12 ● Verwenden der Verilog-Simulation in TINA zum Analysieren digitaler Schaltungen 235

Kapitel 10 ● Logik-Design-Tool

Kapitel 11 ● Simulation von Mikrocontrollern

11.1 ● Übersicht 246
11.2 ● Verwenden des Flussdiagramm-Editors 246
11.2.1 ● Simulation 1 – Abwechselnd blinkende 2 LEDs – Mikrocontroller 246 der PIC-Serie
11.2.2 ● Simulation 2 – 4-Bit-Aufwärts-/Abwärtszähler mit Hexadezimalanzeige – Mikrocontroller 249 der PIC-Serie
11.2.3 ● Flussdiagramm-Debugging 252
11.3 ● Verwenden der Assembler-Programmierung 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Zähler – Mikrocontroller der PIC-Serie 253
11.3.2 ● Ändern des ASM-Codes 255
11.3.3 ● Debuggen des ASM-Codes 256
11.4 ● Anwendung der C-Programmierung 257
11.4.1 ● Simulation 4 – Zähler – ATTINY13 Mikrocontroller 258
11.4.2 ● Simulation 5 – Ampeln – ATTINY13 Mikrocontroller 261
11.4.3 ● Simulation 6 – LCD-Zähler – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulation 7 – Ampelsequenzer – PIC-Mikrocontroller 266
11.4.5 ● Simulation 8 – Blinklicht – STM32 Mikrocontroller 268
11.5 ● Speichergeräte 272
11.5.1 ● Simulation 9 – 2-Bit x 2-Bit-Digitalmultiplikator – ROM-Speicher . 272
11.5.2 ● Simulation 10 – 4-Bit-Binärzähler mit zwei Hex-Anzeigen – ROM-Speicher . 275

Kapitel 12 ● Leiterlogikschaltungen

12.1 ● Übersicht . 278
12.2 ● Simulation 1 – Leiterlogik mit Licht und Motor 278
12.3 ● Leiterlogikbausteine ​​als digitale Logikbausteine ​​279
12.4 ● Selbsthalteschaltung 281
12.4.1 ● Simulation 2 – Selbsthaltende Motorschaltung 281
12.4.2 ● Simulation 3 – Vorwärts-/Rückwärts-Motorsteuerung 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Förderbandsteuerung 284

Kapitel 13 ● Schaltnetzteilschaltungen (SMPS)

13.1 ● Übersicht . 286
13.2 ● Simulation 1 – TPS61031 SMPS-Schaltung 286

Kapitel 14 ● Design von Leiterplatten (PCB).

14.1 ● Übersicht 293
14.2 ● Bipolartransistor-Multivibratorschaltungsprojekt 293
14.2.1 ● Das Design 294
14.2.2 ● Simulation 294
14.2.3 ● Footprintnamen prüfen 295
14.2.4 ● Belastungsanalyse 297
14.2.5 ● Speichern Sie Ihren Schaltplan 297
14.2.6 ● TINA PCB-Programm starten . 298
14.2.7 ● Gerber-Datei 302
14.2.8 ● GCode NC-Bohrdatei 302
14.2.9 ● PCB-Informationen 303
14.2.10 ● Komponentenliste 303
14.2.11 ● Netzliste 304

Kapitel 15 ● PCB-Designtechniken

15.1 ● Übersicht 307
15.2 ● Erstellen von Bussen im Schaltplaneditor und im PCB Designer von ELECTINA 307
15.3 ● Mehrere Einheiten im selben Paket 310
15.4 ● Stromversorgung der Logikbausteine ​​313
15.5 ● Wiederholen von Schaltungsblöcken (unter Verwendung der Funktion „Makro kopieren“) 316
15.6 ● Erstellen einer zweischichtigen, doppelseitigen, oberflächenmontierten Technologieplatine 320
15.7 ● Leiterplattenkomponenten erstellen 325

Kapitel 16 ● Schematische Symbole und Footprints erstellen

16.1 ● Übersicht 328
16.2 ● Beispiel 328
16.3 ● Verwenden des IC-Wizards im Schaltplaneditor 332
16.4 ● Verwendung des Footprint-Editors 335
16.5 ● IC-Wizard im Footprint-Editor 339
16.5.1 ● Beispieldesign 340
16.6 ● Hinzufügen öffentlicher PCB-Footprints zu TINA 343
16.7 ● Hinzufügen öffentlicher 3D-Footprint-Modelle zu TINA 346

Kapitel 17 ● Verwenden von TINACloud

17.1 ● Übersicht 348
17.2 ● Beginn der Verwendung von TINACloud 349
17.3 ● Beispielsimulation 350
17.4 ● Beispiel PCB-Design 355
17.5 ● Freigeben Ihres TINA-Schemas 357

Kapitel 18 ● Andere nützliche Tools

18.1 ● Übersicht 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Stress-(Rauch-)Analyse 360
18.4 ● Elektrische Regelprüfung (ERC) 362
18.5 ● Serieller Monitor 362
18.6 ● Komponenten-Explorer 362
18.7 ● Komponente 363 finden
18.8 ● Schaltkreis 364 schützen
18.9 ● 365 exportieren
18.10 ● 365 importieren
18.11 ● Fourierreihe 365
18.12 ● Fourier-Spektrum 367
18.13 ● Geräuschanalyse 367
18.14 ● Verlustleistungsanalyse 369
18.15 ● Dolmetscher 370
18.15.1 ● Beispiel 1 – RLC-Kreis 371
18.15.2 ● Beispiel 2 – Gleichstromkreis 373
18.15.3 ● Beispiel 3 – Wechselstromkreis 374
18.15.4 ● Auswertung von Integralen 375
18.15.5 ● Lineares Gleichungssystem lösen 375
18.15.6 ● Diagramme zeichnen 376
18.15.7 ● Bode-Diagramme 377
18.15.8 ● Signaldefinition 379
18.15.9 ● Unterstützte Funktionen 381
18.16 ● DC Temperaturanalyse 382
18.17 ● Der Parameterextraktor 382
18.18 ● Finite-Zustandsautomaten-Editor 384

Kapitel 19 ● Der Bibliotheksmanager

Kapitel 20 ● Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA)

20.1 ● Übersicht 391
20.2 ● Programmieren von FPGA-Boards mit Schematic Design Entry unter Verwendung von TINA – Beispiel 1
391
20.3 ● Programmieren von FPGA-Boards mit Schematic Design Entry unter Verwendung von TINA – Beispiel 2
400
20.4 ● Programmieren von FPGA-Boards in VHDL mit TINA 404
20.5 ● Programmieren von FPGA-Boards in Verilog mit TINACloud 407
20.6 ● Speichern des Programms im nichtflüchtigen Speicher der Basys 3-Karte 411
20.7 ● Sekundenzähler auf der 7-Segment-4-stelligen Basys 3 FPGA-Karte unter Verwendung von TINA mit
VHDL415
20.8 ● Drucktastenzähler auf der 7-Segment-4-stelligen Basys 3 FPGA-Karte unter Verwendung von TINA mit
VHDL428

Kapitel 21 ● Zusätzliche Informationen

21.1 ● TINA-Website 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Andere nützliche Links 434
21.4 ● TINA-Hilfedateien 435
● Epilog 436
● Index 437