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In diesem Buch möchte der meistverkaufte Elektor-Autor Prof. Dr. Dogan Ibrahim 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

Vorwort 3
Kapitel 1 Einführung 13
Kapitel 2 TINA-Versionen 24
Kapitel 3 TINA-Installationsverfahren 29
Kapitel 4 Erste Schritte – Simulieren einfacher Schaltungen 38
Kapitel 5 Entwurf und Simulation von Diodenschaltungen 102
Kapitel 6 Entwurf und Simulation von Transistorschaltungen 118
Kapitel 7 Design und Simulation von Operationsverstärkerschaltungen 161
Kapitel 8 Entwurf und Simulation von Filterschaltungen 199
Kapitel 9 Entwurf und Simulation digitaler Logikschaltungen 212
Kapitel 10 Logikdesign-Tool 238
Kapitel 11 Simulation von Mikrocontrollern 246
Kapitel 12 Leiterlogikschaltungen 278
Kapitel 13 Schaltnetzteilschaltungen (SMPS) 286
Kapitel 14 Design von Leiterplatten (PCB) 293
Kapitel 15 PCB-Designtechniken 307
Kapitel 16 Schematische Symbole und Footprints erstellen 328
Kapitel 17 Verwenden von TINACloud 348
Kapitel 18 Andere nützliche Werkzeuge 359
Kapitel 19 Der Bibliotheksverwalter 387
Kapitel 20 Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) 391
Kapitel 21 Zusätzliche Informationen 431
Epilog 436
Index 437

Vorwort 3

Kapitel 1 Einführung 13
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 Steckplatinenwerkzeug 17
1.4.3 Leiterplattendesign . 17
1.4.4 Electrical Rules Check (ERC) 17
1.4.5 Schaltplaneditor 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 Fourieranalyse 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 Echtzeit-Tests und -Messungen 23
1.4.31 Ausbildung und Prüfung 23
1.4.32 Mechatronik Erweiterung 23

Kapitel 2 TINA-Versionen 24
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 Fernmessfunktionen 27

Kapitel 3 TINA-Installationsverfahren 29
3.1 Hard- und Softwarevoraussetzungen 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 38
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 Bauteilen – mit Voltmetern 69
4.7 Simulation 6 – Strom durch Bauteile mit Amperemeter 70
4.8 Simulation 7 – Impedanzmessung mit dem Impedance Meter 71
4.9 Simulation 8 – Widerstandsmessung mit dem Ohmmeter 73
4.10 Simulation 9 – Auftragen der Spannung über Komponenten unter Verwendung einer Oszilloskop-Komponente 74
4.11 Simulation 10 – Frequenzmessung mit einem Frequenzmesser 78
4.12 Simulation 11 – Wechselstromkreisanalyse 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 – Theorem von Norton – Wechselstromkreisanalyse 89
4.17 Drehstromkreise 3
4.17.1 Simulation 16 – 3-Phasen-Sternschaltungsanalyse mit ohmscher Last 93
4.17.2 Simulation 17 – 3-Phasen-Sternschaltungsanalyse mit ohmscher und induktiver Last 95
4.18 Gegeninduktivität 98
4.18.1 Simulation 18 – Gegeninduktivität 99

Kapitel 5 Entwurf und Simulation von Diodenschaltungen 102
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 – Vollwellen-Brückengleichrichterschaltung mit Transformator 107
5.6 Simulation 6 – Diodenklemmschaltung 109
5.7 Simulation 7 – Kennlinien der Zenerdiode 110
5.8 Simulation 8 – Zenerdioden-Spannungsregler 112
5.9 Simulation 9 – Symmetrischer Zenerdioden-Spannungsbegrenzer 113
5.10 Simulation 10 – Spannungsverdreifacherschaltung 114

Kapitel 6 Entwurf und Simulation von Transistorschaltungen 118
6.1 Simulation 1 – Eigenschaften von Bipolartransistoren 118
6.2 Simulation 2 – Transistorverstärker in Emitterschaltung – Analyse 119
6.3 Simulation 3 – Transistorverstärker in Emitterschaltung – 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 Zweitornetzwerk 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 161
7.1 Hauptmerkmale 161
7.2 Operationsverstärkerschaltungen 162
7.2.1 Umkehrverstärker 163
7.2.1 Umkehrverstärker 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 Design-Tool 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 199
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 212
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 Logikdesign-Tool 238

Kapitel 11 Simulation von Mikrocontrollern 246
11.1 Übersicht 246
11.2 Verwenden des Flussdiagramm-Editors 246
11.2.1 Simulation 1 – Abwechselnd blinkende 2 LEDs – Mikrocontroller PIC-Serie 246
11.2.2 Simulation 2 – 4-Bit-Up/Down-Zähler mit Hex-Anzeige – 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 253 der PIC-Serie
11.3.2 ASM-Code 255 ändern
11.3.3 Debuggen des ASM-Codes 256
11.4 Verwenden 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 278
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) 286
13.1 Übersicht 286
13.2 Simulation 1 – TPS61031 SMPS-Schaltung 286

Kapitel 14 Design von Leiterplatten (PCB) 293
14.1 Übersicht 293
14.2 Bipolartransistor-Multivibratorschaltungsprojekt 293
14.2.1 Das Design 294
14.2.2 Simulation 294
14.2.3 Footprint-Namen prüfen 295
14.2.4 Stressanalyse 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 307
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 Schaltungsblöcke wiederholen (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 328
16.1 Übersicht 328
16.2 Beispiel 328
16.3 Verwenden des IC-Wizards im Schaltplaneditor 332
16.4 Verwenden 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 348
17.1 Übersicht 348
17.2 Starten 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 Werkzeuge 359
18.1 Übersicht 359
18.2 3D-Steckbrett 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 Schaltung 364 schützen
18.9 365 exportieren
18.10 365 importieren
18.11 Fourier-Reihe 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-State-Machine-Editor 384

Kapitel 19 Der Bibliotheksverwalter 387

Kapitel 20 Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) 391
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-Sekunden-Zähler auf dem 7-stelligen 4-Segment-Basys-3-FPGA-Board unter Verwendung von TINA mit VHDL 415
20.8 Drucktastenzähler auf dem 7-stelligen 4-Segment-Basys-3-FPGA-Board unter Verwendung von TINA mit VHDL 428

Kapitel 21 Zusätzliche Informationen 431
21.1 TINA-Website 431
21.2 TINA-TI 434
21.3 Andere nützliche Links 434
21.4 ELECTINA-Hilfedateien 435

Epilog 436

Index 437