Προσομοίωση κυκλώματος με το TINA Design Suite και το TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

Σε αυτή τη e-book, Ο συγγραφέας του Elektor με τις κορυφαίες πωλήσεις, Καθ. Δρ. Dogan Ibrahim, στοχεύει να διδάξει το σχεδιασμό και την ανάλυση ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και να αναπτύξει πλακέτες PCB χρησιμοποιώντας τόσο το TINA όσο και το TINACloud. Το βιβλίο απευθύνεται σε ηλεκτρολόγους/ηλεκτρονικούς μηχανικούς, προπτυχιακούς φοιτητές ηλεκτρονικών/ηλεκτρολόγων μηχανικών ΤΕΙ και πανεπιστημίων, μεταπτυχιακούς και ερευνητές φοιτητές, καθηγητές και χομπίστες. Παρέχονται πολλά δοκιμασμένα και λειτουργικά παραδείγματα προσομοίωσης που καλύπτουν τα περισσότερα πεδία της αναλογικής και ψηφιακής ηλεκτρικής/ηλεκτρονικής μηχανικής. Αυτά περιλαμβάνουν κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος και συνεχούς ρεύματος, δίοδοι, δίοδοι zener, κυκλώματα τρανζίστορ, λειτουργικοί ενισχυτές, διαγράμματα κλίμακας, κυκλώματα 3 φάσεων, αμοιβαία επαγωγή, κυκλώματα ανορθωτή, ταλαντωτές, κυκλώματα ενεργού και παθητικού φίλτρου, ψηφιακή λογική, VHDL, MCU, λειτουργία μεταγωγής Τροφοδοτικά, σχεδιασμός PCB, σειρά Fourier και φάσμα. Οι αναγνώστες δεν χρειάζεται να έχουν εμπειρία προγραμματισμού εκτός και αν επιθυμούν να προσομοιώσουν πολύπλοκα κυκλώματα MCU.

Πίνακας περιεχομένων:

Κεφάλαιο 1 ● Εισαγωγή

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Ηλεκτρονική προσομοίωση 14
1.3 ● SPICE modelling of electronic circuits 15
1.4 ● Το πρόγραμμα ΤΙΝΑ 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Ζωντανό 3D Breadboard Tool 17
1.4.3 ● Σχεδιασμός PCB 17
1.4.4 ● Έλεγχος ηλεκτρικών κανόνων (ERC) 17
1.4.5 ● Σχηματικός επεξεργαστής συμβόλων 18
1.4.6 ● Διαχείριση βιβλιοθήκης 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Επεξεργαστής κειμένου και εξισώσεων 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Παροδική ανάλυση 19
1.4.12 ● Αυτόματη σύγκλιση 19
1.4.13 ● Ανάλυση παροδικού θορύβου 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● Προσομοίωση HDL 20
1.4.17 ● Προσομοίωση μικροελεγκτή (MCU) 20
1.4.18 ● Επεξεργαστής διαγράμματος ροής και εντοπισμός σφαλμάτων 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Συμβολική ανάλυση 21
1.4.23 ● Ανάλυση του Μόντε Κάρλο και της χειρότερης περίπτωσης 21
1.4.24 ● Εργαλείο σχεδίασης 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Μετα-επεξεργαστής 22
1.4.27 ● Παρουσίαση 22
1.4.28 ● Διαδραστική λειτουργία 22
1.4.29 ● Εικονικά όργανα 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Εκπαίδευση και Εξέταση 23
1.4.32 ● Επέκταση Mechatronics 23

Κεφάλαιο 2 ● Εκδόσεις TINA

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Χαρακτηριστικά έκδοσης 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Πολυλειτουργικό όργανο για εκπαίδευση και κατάρτιση με τοπικό και
δυνατότητες απομακρυσμένης μέτρησης 27

Κεφάλαιο 3 ● Διαδικασία εγκατάστασης TINA

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Εγκατάσταση 29
3.3 ● Εγκατάσταση της έκδοσης κλειδιού υλικού (dongle) του TINA 36
3.4 ● Εξουσιοδότηση της προστατευμένης έκδοσης λογισμικού του TINA 37

Κεφάλαιο 4 ● Ξεκινώντας – Προσομοίωση απλών κυκλωμάτων

4.1 ● Ο σχηματικός επεξεργαστής 38
4.2 ● Προσομοίωση 1 – Σειρές και παράλληλες αντιστάσεις 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Προσομοίωση 3 – Αντίσταση – κύκλωμα επαγωγέα-πυκνωτή 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Προσομοίωση 5 – Τάση μεταξύ εξαρτημάτων – χρησιμοποιώντας βολτόμετρα 69
4.7 ● Προσομοίωση 6 – Ρεύμα μέσω εξαρτημάτων χρησιμοποιώντας Ampere Meters 70
4.8 ● Προσομοίωση 7 – Μέτρηση σύνθετης αντίστασης με χρήση του μετρητή σύνθετης αντίστασης 71
4.9 ● Προσομοίωση 8 – Μέτρηση αντίστασης με χρήση του ωμόμετρου 73
4.10 ● Προσομοίωση 9 – Σχεδιασμός τάσης στα εξαρτήματα με χρήση εξάρτημα παλμογράφου 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Προσομοίωση 12 – Ανάλυση κυκλώματος AC II 82
4.14 ● Προσομοίωση 13 – Ανάλυση κυκλώματος AC III 84
4.15 ● Προσομοίωση 14 – Θεώρημα Thevenin – Ανάλυση κυκλώματος AC 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● Τριφασικά κυκλώματα 3
4.17.1 ● Προσομοίωση 16 – Ανάλυση κυκλώματος συνδεδεμένου αστέρα 3 φάσεων με ωμικό φορτίο 93
4.17.2 ● Προσομοίωση 17 – Ανάλυση κυκλώματος συνδεδεμένου αστέρα 3 φάσεων με αντίσταση και
επαγωγικό φορτίο 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Προσομοίωση 18 – Αμοιβαία επαγωγή 99

Κεφάλαιο 5 ● Σχεδιασμός και Προσομοίωση Κυκλωμάτων Διόδου

5.1 ● Προσομοίωση 1 – Απλό κύκλωμα διόδου 102
5.2 ● Προσομοίωση 2 – Κύκλωμα ανορθωτή ημικυμάτων 103
5.3 ● Προσομοίωση 3 – Κύκλωμα ανορθωτή ημικυμάτων με μετασχηματιστή 104
5.4 ● Προσομοίωση 4 – Κύκλωμα ανορθωτή πλήρους κύματος με μετασχηματιστή 105 με κεντρικό κύμα
5.5 ● Προσομοίωση 5 – Κύκλωμα ανορθωτή γέφυρας πλήρους κύματος με μετασχηματιστή 107
5.6 ● Προσομοίωση 6 – Κύκλωμα σφιγκτήρα διόδου 109
5.7 ● Προσομοίωση 7 – Χαρακτηριστικά διόδου Zener 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Προσομοίωση 10 – Τριπλό κύκλωμα τάσης 114

Κεφάλαιο 6 ● Σχεδιασμός και προσομοίωση κυκλώματος τρανζίστορ

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 ● Προσομοίωση 4 – Ενισχυτής τρανζίστορ κοινού εκπομπού πολλαπλών σταδίων – Χρήση υποκυκλωμάτων στο TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Simulation 5 – BJT transistor Colpitts oscillator 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Προσομοίωση 6 – Ενισχυτής κοινής πηγής τρανζίστορ JFET 142
6.9 ● Προσομοίωση 7 – Χαρακτηριστικές καμπύλες τρανζίστορ JFET 146
6.10 ● Προσομοίωση 8 – Διακόπτης τρανζίστορ BJT 147
6.11 ● Θυρίστορ και τριάκ 149
6.11.1 ● Προσομοίωση 9 – Έλεγχος φάσης θυρίστορ 149
6.11.2 ● Προσομοίωση 10 – Έλεγχος φάσης Triac 151
6.12 ● Ενισχυτές ισχύος ήχου 153
6.12.1 ● Προσομοίωση 11 – Ενισχυτής ισχύος ήχου κατηγορίας AB 154

Κεφάλαιο 7 ● Σχεδιασμός και προσομοίωση κυκλώματος λειτουργικού ενισχυτή

7.1 ● Βασικά χαρακτηριστικά 161
7.2 ● Κυκλώματα λειτουργικού ενισχυτή 162
7.2.1 ● Ενισχυτής αναστροφής 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Μη αναστροφικός ενισχυτής 163
7.2.3 ● Ακολουθητής τάσης 164
7.2.4 ● Ενισχυτής αθροιστή τάσης 165
7.2.5 ● Αφαίρεση τάσης 166
7.2.6 ● Ενσωματωτής τάσης 167
7.2.7 ● Διαφοροποιητής τάσης 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Προσομοίωση 1 – Ενισχυτής αναστροφής 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Προσομοίωση 3 – Ενισχυτής ολοκλήρωσης τάσης 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● Το εργαλείο σχεδίασης 178
7.7.1 ● Προσομοίωση 5 – Παράδειγμα σχεδίασης 178
7.8 ● Βελτιστοποίηση 180
7.8.1 ● Προσομοίωση 6 – Παράδειγμα σχεδίασης – Κύκλωμα AC 183
7.8.2 ● Προσομοίωση 7 – Παράδειγμα σχεδίασης – Κύκλωμα DC 185
7.9 ● Ημιτονοειδής ταλαντωτές . 187
7.9.1 ● Προσομοίωση 8 – Ταλαντωτής μετατόπισης φάσης 187
7.9.2 ● Simulation 9 – The Wien Bridge oscillator 189
7.9.3 ● Προσομοίωση 10 – Ο ταλαντωτής Colpitts 192
7.10 ● Γεννήτριες τετραγωνικών κυμάτων 194
7.10.1 ● Προσομοίωση 11 – Λειτουργικός ενισχυτής γεννήτρια τετραγωνικών κυμάτων 194
7.10.2 ● Προσομοίωση 12 – 555 ολοκληρωμένο κύκλωμα 196

Κεφάλαιο 8 ● Σχεδιασμός και προσομοίωση κυκλώματος φίλτρου

8.1 ● Φίλτρα TINA 199
8.2 ● Προσομοίωση 1 – Σχεδιασμός ενεργού φίλτρου χαμηλής διέλευσης 2ης τάξης 201
8.3 ● Προσομοίωση 2 – Σχεδιασμός ενεργού φίλτρου χαμηλής διέλευσης υψηλότερης τάξης 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Προσομοίωση 4 – Σχεδιασμός ενεργού φίλτρου ζώνης διέλευσης 209
8.6 ● Προσομοίωση 5 – Σχεδιασμός παθητικού φίλτρου χαμηλής διέλευσης 210

Κεφάλαιο 9 ● Σχεδιασμός και Προσομοίωση Ψηφιακών Λογικών Κυκλωμάτων

9.1 ● Ψηφιακή λογική προσομοίωση με χρήση TINA 212
9.2 ● Προσομοίωση 1 – Απλή ΚΑΙ πύλη 212
9.3 ● Προσομοίωση 2 – Ημιαθροιστής με χρήση πυλών 215
9.4 ● Προσομοίωση 3 – Σύγχρονος μετρητής 2 bit 216
9.5 ● Προσομοίωση 4 – Οθόνη LED 7 τμημάτων 217
9.6 ● Προσομοίωση 5 – δυαδικός μετρητής 4 bit με λογικούς δείκτες 218
9.7 ● Προσομοίωση 6 – μετρητής δεκαετίας 4 bit με οθόνη 7 τμημάτων 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Προσομοίωση 8 – μετρητής δεκαετίας 4 bit και οθόνη 7 τμημάτων – Χρήση γεννήτριας δεδομένων 4 bit 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Χρήση γλωσσών περιγραφής υλικού (HDL) 225
9.11.1 ● Χρήση προσομοίωσης VHDL στο TINA για ανάλυση ψηφιακών κυκλωμάτων 226
9.11.2 ● Προσομοίωση 10 – Κύκλωμα ημιαθροιστή – VHDL 226
9.11.3 ● Προσομοίωση 11 – Κύκλωμα μετρητή – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Χρήση προσομοίωσης Verilog στο TINA για ανάλυση ψηφιακών κυκλωμάτων 235

Κεφάλαιο 10 ● Εργαλείο λογικής σχεδίασης

Κεφάλαιο 11 ● Προσομοίωση μικροελεγκτών

11.1 ● Επισκόπηση 246
11.2 ● Χρήση του προγράμματος επεξεργασίας διαγράμματος ροής 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 ● Εντοπισμός σφαλμάτων διαγράμματος ροής 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● Τροποποίηση του κωδικού asm 255
11.3.3 ● Εντοπισμός σφαλμάτων του κωδικού ASM 256
11.4 ● Χρήση προγραμματισμού C 257
11.4.1 ● Προσομοίωση 4 – Μετρητής – μικροελεγκτής ATTINY13 258
11.4.2 ● Προσομοίωση 5 – Φανάρια – μικροελεγκτής ATTINY13 261
11.4.3 ● Προσομοίωση 6 – Μετρητής LCD – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Προσομοίωση 7 – Traffic light sequencer– μικροελεγκτής PIC 266
11.4.5 ● Προσομοίωση 8 – Φως που αναβοσβήνει– μικροελεγκτής STM32 268
11.5 ● Συσκευές μνήμης 272
11.5.1 ● Προσομοίωση 9 – Ψηφιακός πολλαπλασιαστής 2 bit x 2 bit – Μνήμη ROM . 272
11.5.2 ● Προσομοίωση 10 – δυαδικός μετρητής 4 bit με δύο εξαγωνικές οθόνες – Μνήμη ROM . 275

Κεφάλαιο 12 ● Λογικά κυκλώματα σκάλας

12.1 ● Επισκόπηση . 278
12.2 ● Προσομοίωση 1 – Λογική σκάλας με φως και κινητήρα 278
12.3 ● Λογικά στοιχεία κλίμακας ως στοιχεία ψηφιακής λογικής 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Προσομοίωση 2 – Κύκλωμα κινητήρα μανδάλωσης 281
12.4.2 ● Προσομοίωση 3 – Έλεγχος κινητήρα εμπρός/όπισθεν 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

Κεφάλαιο 13 ● Κυκλώματα τροφοδοσίας λειτουργίας μεταγωγής (SMPS)

13.1 ● Επισκόπηση . 286
13.2 ● Προσομοίωση 1 – TPS61031 κύκλωμα SMPS 286

Κεφάλαιο 14 ● Σχεδιασμός τυπωμένου κυκλώματος (PCB).

14.1 ● Επισκόπηση 293
14.2 ● Έργο κυκλώματος πολυδονητή διπολικού τρανζίστορ 293
14.2.1 ● Ο σχεδιασμός 294
14.2.2 ● Προσομοίωση 294
14.2.3 ● Ελέγξτε τα ονόματα αποτυπωμάτων 295
14.2.4 ● Ανάλυση στρες 297
14.2.5 ● Αποθηκεύστε το σχηματικό 297
14.2.6 ● Ξεκινήστε το πρόγραμμα TINA PCB. 298
14.2.7 ● Αρχείο Gerber 302
14.2.8 ● Αρχείο τρυπανιού GCode NC 302
14.2.9 ● Πληροφορίες PCB 303
14.2.10 ● Λίστα στοιχείων 303
14.2.11 ● Netlist 304

Κεφάλαιο 15 ● Τεχνικές σχεδίασης PCB

15.1 ● Επισκόπηση 307
15.2 ● Δημιουργία λεωφορείων στο Σχηματικό Επεξεργαστή και στον Σχεδιαστή PCB του TINA 307
15.3 ● Πολλαπλές μονάδες στην ίδια συσκευασία 310
15.4 ● Τροφοδοσία λογικών στοιχείων 313
15.5 ● Επανάληψη μπλοκ κυκλώματος (χρησιμοποιώντας τη λειτουργία Copy Macro) 316
15.6 ● Δημιουργία μιας πλακέτας τεχνολογίας 320 δύο επιπέδων, διπλής όψης, επιφανειακής τοποθέτησης
15.7 ● Δημιουργία εξαρτημάτων PCB 325

Κεφάλαιο 16 ● Δημιουργία σχηματικών συμβόλων και αποτυπωμάτων

16.1 ● Επισκόπηση 328
16.2 ● Παράδειγμα 328
16.3 ● Χρήση του οδηγού IC στο πρόγραμμα επεξεργασίας σχηματικών συμβόλων 332
16.4 ● Χρήση του επεξεργαστή Footprint 335
16.5 ● Οδηγός IC στο Footprint Editor 339
16.5.1 ● Παράδειγμα σχεδίασης 340
16.6 ● Προσθήκη δημόσιων αποτυπωμάτων PCB στο TINA 343
16.7 ● Προσθήκη μοντέλων Public 3D Footprint στο TINA 346

Κεφάλαιο 17 ● Χρήση του TINACloud

17.1 ● Επισκόπηση 348
17.2 ● Έναρξη χρήσης του TINACloud 349
17.3 ● Παράδειγμα προσομοίωσης 350
17.4 ● Παράδειγμα σχεδίασης PCB 355
17.5 ● Κοινή χρήση του σχηματικού σας TINA 357

Κεφάλαιο 18 ● Άλλα χρήσιμα εργαλεία

18.1 ● Επισκόπηση 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Ανάλυση στρες (καπνός) 360
18.4 ● Έλεγχος ηλεκτρικών κανόνων (ERC) 362
18.5 ● Σειριακή οθόνη 362
18.6 ● Εξερεύνηση στοιχείων 362
18.7 ● Βρείτε το στοιχείο 363
18.8 ● Προστασία κυκλώματος 364
18.9 ● Εξαγωγή 365
18.10 ● Εισαγωγή 365
18.11 ● Σειρά Fourier 365
18.12 ● Φάσμα Fourier 367
18.13 ● Ανάλυση θορύβου 367
18.14 ● Ανάλυση απαγωγής ισχύος 369
18.15 ● Διερμηνέας 370
18.15.1 ● Παράδειγμα 1 – Κύκλωμα RLC 371
18.15.2 ● Παράδειγμα 2 – Κύκλωμα DC 373
18.15.3 ● Παράδειγμα 3 – Κύκλωμα AC 374
18.15.4 ● Αξιολόγηση ολοκληρωμάτων 375
18.15.5 ● Επίλυση γραμμικού συστήματος εξισώσεων 375
18.15.6 ● Σχεδίαση διαγραμμάτων 376
18.15.7 ● Διαγράμματα Bode 377
18.15.8 ● Ορισμός σήματος 379
18.15.9 ● Υποστηριζόμενες λειτουργίες 381
18.16 ● Ανάλυση θερμοκρασίας DC 382
18.17 ● Ο εξολκέας παραμέτρων 382
18.18 ● Επεξεργαστής μηχανής πεπερασμένης κατάστασης 384

Κεφάλαιο 19 ● Ο Υπεύθυνος της Βιβλιοθήκης

Κεφάλαιο 20 ● Πίνακες πύλης με δυνατότητα προγραμματισμού πεδίου (FPGA)

20.1 ● Επισκόπηση 391
20.2 ● Προγραμματισμός πινάκων FPGA με καταχώρηση σχηματικού σχεδιασμού χρησιμοποιώντας TINA – Παράδειγμα 1
391
20.3 ● Προγραμματισμός πινάκων FPGA με καταχώρηση σχηματικού σχεδιασμού χρησιμοποιώντας TINA – Παράδειγμα 2
400
20.4 ● Προγραμματισμός πλακών FPGA σε VHDL με TINA 404
20.5 ● Προγραμματισμός πλακών FPGA σε Verilog με TINACloud 407
20.6 ● Αποθήκευση του προγράμματος σε μη πτητική μνήμη της πλακέτας Basys 3 411
20.7 ● Μετρητής δευτερολέπτων στην πλακέτα 7 ψηφίων Basys 4 FPGA 3 τμημάτων χρησιμοποιώντας TINA με
VHDL 415
20.8 ● Μετρητής κουμπιών στην πλακέτα 7 ψηφίων Basys 4 FPGA 3 τμημάτων χρησιμοποιώντας TINA με
VHDL 428

Κεφάλαιο 21 ● Πρόσθετες πληροφορίες

21.1 ● Ιστότοπος ΤΙΝΑ 431
21.2 ● ΤΙΝΑ-ΤΙ 434
21.3 ● Άλλοι χρήσιμοι σύνδεσμοι 434
21.4 ● Αρχεία Βοήθειας TINA 435
● Επίλογος 436
● Ευρετήριο 437