Vooluahela simulatsioon TINA Design Suite'i ja TINACloudiga

Autor: prof dr Dogan Ibrahim

Selle e-raamat, enimmüüdud Elektori autor, prof dr Dogan Ibrahim, eesmärk on õpetada elektri- ja elektroonikaskeemide projekteerimist ja analüüsi ning arendada PCB-plaate nii TINA kui ka TINACloudi abil. Raamat on suunatud elektri-/elektroonikainseneridele, tehnikakõrgkoolide ja ülikoolide elektroonika-/elektrotehnika bakalaureuseõppe üliõpilastele, magistri- ja teadusüliõpilastele, õppejõududele ja harrastajatele. Pakutakse palju testitud ja toimivaid simulatsiooninäiteid, mis hõlmavad enamikku analoog- ja digitaalelektri-/elektroonikatehnika valdkondi. Nende hulka kuuluvad vahelduv- ja alalisvooluahelad, dioodid, zeneri dioodid, transistorahelad, operatiivvõimendid, redeliskeemid, 3-faasilised ahelad, vastastikune induktiivsus, alaldi ahelad, ostsillaatorid, aktiivsed ja passiivsed filtriahelad, digitaalloogika, VHDL, MCU-d, lülitusrežiim toiteallikad, PCB disain, Fourier seeria ja spekter. Lugejatel ei pea olema programmeerimiskogemust, välja arvatud juhul, kui nad soovivad simuleerida keerulisi MCU-ahelaid.

Sisukord:

Peatükk 1 ● Sissejuhatus

1.1 ● Miks simulatsioon? 13
1.2 ● Elektrooniline simulatsioon 14
1.3 ● SPICE elektroonikalülituste modelleerimine 15
1.4 ● TINA programm 16
1.4.1 ● Skemaatiline jäädvustamine 17
1.4.2 ● Reaalajas 3D Breadboard Tööriist 17
1.4.3 ● PCB disain 17
1.4.4 ● Elektrireeglite kontroll (ERC) 17
1.4.5 ● Skemaatiline sümbolite redaktor 18
1.4.6 ● Raamatukogu haldur 18
1.4.7 ● IBIS-i mudeli tugi 18
1.4.8 ● Parameetri ekstraktor 18
1.4.9 ● Teksti- ja võrrandiredaktor 18
1.4.10 ● DC analüüs 19
1.4.11 ● Transientanalüüs 19
1.4.12 ● Automaatne lähenemine 19
1.4.13 ● Mööduva müra analüüs 19
1.4.14 ● Fourier analüüs 19
1.4.15 ● Digitaalne simulatsioon 20
1.4.16 ● HDL-i simulatsioon 20
1.4.17 ● Mikrokontrolleri (MCU) simulatsioon 20
1.4.18 ● Vooskeemide redaktor ja silur 20
1.4.19 ● Vahelduvvoolu analüüs 21
1.4.20 ● Võrguanalüüs 21
1.4.21 ● Lineaarne vahelduvvoolu müraanalüüs 21
1.4.22 ● Sümboolne analüüs 21
1.4.23 ● Monte-Carlo ja halvima juhtumi analüüs 21
1.4.24 ● Kujundustööriist 21
1.4.25 ● Optimeerimine 22
1.4.26 ● Järelprotsessor 22
1.4.27 ● 22. esitlus
1.4.28 ● Interaktiivne režiim 22
1.4.29 ● Virtuaalsed instrumendid 23
1.4.30 ● Reaalajas testimine ja mõõtmised 23
1.4.31 ● Koolitus ja eksam 23
1.4.32 ● Mehhatroonika laiendus 23

2. peatükk ● TINA versioonid

2.1 ● Ülevaade 24
2.2 ● Versiooni funktsioonid 24
2.3 ● Valikud 27
2.4 ● Täiendav riistvara 27
2.4.1 ● LabXplorer: Multifunktsionaalne vahend hariduse ja koolituse jaoks kohalike ja
kaugmõõtmisvõimalused 27

3. peatükk ● TINA paigaldusprotseduur

3.1 ● Riist- ja tarkvaranõuded 29
3.2 ● Paigaldamine 29
3.3 ● TINA 36 riistvaravõtme (dongli) versiooni installimine
3.4 ● TINA 37 tarkvaraga kaitstud versiooni autoriseerimine

4. peatükk ● Alustamine – lihtsate vooluringide simuleerimine

4.1 ● Skemaatiline redaktor 38
4.2 ● Simulatsioon 1 – jada- ja paralleeltakistid 39
4.3 ● Simulatsioon 2 – Takisti – kondensaatori ahel 49
4.4 ● Simulatsioon 3 – Takisti – induktiivkondensaatori ahel 61
4.5 ● Simulatsioon 4 – Energiatarve – võimsusmõõturi kasutamine 67
4.6 ● Simulatsioon 5 – komponentide pinge – voltmeetrite abil 69
4.7 ● Simulatsioon 6 – vool läbi komponentide, kasutades ampermeetrit 70
4.8 ● Simulatsioon 7 – impedantsi mõõtmine impedantsi mõõtja 71 abil
4.9 ● Simulatsioon 8 – takistuse mõõtmine ohmmeetri 73 abil
4.10 ● Simulatsioon 9 – pinge joonistamine komponentide vahel, kasutades ostsilloskoobi komponenti 74
4.11 ● Simulatsioon 10 – sageduse mõõtmine sagedusmõõturiga 78
4.12 ● Simulatsioon 11 – vahelduvvooluahela analüüs I 79
4.13 ● Simulatsioon 12 – vahelduvvooluahela analüüs II 82
4.14 ● Simulatsioon 13 – vahelduvvooluahela analüüs III 84
4.15 ● Simulatsioon 14 – Thevenini teoreem – vahelduvvooluahela analüüs 86
4.16 ● Simulatsioon 15 – Nortoni teoreem – vahelduvvooluahela analüüs 89
4.17 ● 3-faasilised ahelad 92
4.17.1 ● Simulatsioon 16 – 3-faasilise tähega ühendatud vooluahela analüüs takistusliku koormusega 93
4.17.2 ● Simulatsioon 17 – 3-faasilise tähega ühendatud vooluringi analüüs takistusliku ja
induktiivne koormus 95
4.18 ● Vastastikune induktiivsus 98
4.18.1 ● Simulatsioon 18 – vastastikune induktiivsus 99

5. peatükk ● Dioodi vooluringi projekteerimine ja simulatsioon

5.1 ● Simulatsioon 1 – lihtne dioodiahel 102
5.2 ● Simulatsioon 2 – poollaine alaldi ahel 103
5.3 ● Simulatsioon 3 – poollaine alaldi ahel trafoga 104
5.4 ● Simulatsioon 4 – Täislaine alaldi vooluring koos kesktrafoga 105
5.5 ● Simulatsioon 5 – Täislaine sildalaldi ahel trafoga 107
5.6 ● Simulatsioon 6 – dioodiklambri ahel 109
5.7 ● Simulatsioon 7 – Zeneri dioodi omadused 110
5.8 ● Simulatsioon 8 – Zeneri dioodi pingeregulaator 112
5.9 ● Simulatsioon 9 – Zeneri dioodi sümmeetriline pingepiiraja 113
5.10 ● Simulatsioon 10 – pinge kolmiklülitus 114

6. peatükk ● Transistori vooluahela projekteerimine ja simulatsioon

6.1 ● Simulatsioon 1 – bipolaarse transistori omadused 118
6.2 ● Simulatsioon 2 – ühise emitteri transistorvõimendi – analüüs 119
6.3 ● Simulatsioon 3 – ühise emitteri transistorvõimendi – kujundus 125
6.4 ● Simulatsioon 4 – mitmeastmeline ühise emitteri transistorvõimendi – alamahelate kasutamine TINA 127-s
6.5 ● Netlist 131
6.6 ● Simulatsioon 5 – BJT transistor Colpitts ostsillaator 132
6.7 ● Transistor kahe pordiga võrguna 136
6.7.1 ● Transistori h parameetrid 139
6.8 ● Simulatsioon 6 – JFET-transistori ühisallika võimendi 142
6.9 ● Simulatsioon 7 – JFET-transistori tunnuskõverad 146
6.10 ● Simulatsioon 8 – BJT transistori lüliti 147
6.11 ● Türistorid ja triacid 149
6.11.1 ● Simulatsioon 9 – türistori faasijuhtimine 149
6.11.2 ● Simulatsioon 10 – triac-faasi juhtimine 151
6.12 ● Heli võimsusvõimendid 153
6.12.1 ● Simulatsioon 11 – AB-klassi helivõimsusvõimendi 154

7. peatükk ● Operatsioonivõimendi vooluringi projekteerimine ja simulatsioon

7.1 ● Põhiomadused 161
7.2 ● Operatsioonivõimendi ahelad 162
7.2.1 ● Inverteeriv võimendi 163
7.2.1 ● Inverteeriv võimendi 163
7.2.2 ● Mitteinverteeriv võimendi 163
7.2.3 ● Pinge jälgija 164
7.2.4 ● Pingelisandja võimendi 165
7.2.5 ● Pingelahutaja 166
7.2.6 ● Pingeintegraator 167
7.2.7 ● Pinge diferentsiaator 168
7.2.8 ● Voolu-pingemuundur 169
7.3 ● Simulatsioon 1 – inverteeriv võimendi 171
7.4 ● Simulatsioon 2 – summeerimisvõimendi 174
7.5 ● Simulatsioon 3 – pingega integreeriv võimendi 175
7.6 ● Simulatsioon 4 – poollaine alaldi ahel 176
7.7 ● Kujundustööriist 178
7.7.1 ● Simulatsioon 5 – näidiskujundus 178
7.8 ● Optimeerimine 180
7.8.1 ● Simulatsioon 6 – konstruktsiooni näidis – vahelduvvooluahel 183
7.8.2 ● Simulatsioon 7 – konstruktsiooni näidis – alalisvooluahel 185
7.9 ● Sinusoidsed ostsillaatorid . 187
7.9.1 ● Simulatsioon 8 – faasinihke ostsillaator 187
7.9.2 ● Simulatsioon 9 – Wieni silla ostsillaator 189
7.9.3 ● Simulatsioon 10 – Colpittsi ostsillaator 192
7.10 ● Ruutlaine generaatorid 194
7.10.1 ● Simulatsioon 11 – operatiivvõimendi ruutlaine generaator 194
7.10.2 ● Simulatsioon 12 – 555 integraallülitus 196

8. peatükk ● Filtri vooluringi projekteerimine ja simulatsioon

8.1 ● TINA filtrid 199
8.2 ● Simulatsioon 1 – 2. järku madalpääsaktiivfiltri projekteerimine 201
8.3 ● Simulatsioon 2 – kõrgema järgu madalpääsaktiivfiltri projekteerimine 206
8.4 ● Simulatsioon 3 – kõrgpääsaktiivfiltri projekteerimine 207
8.5 ● Simulatsioon 4 – ribapääs-aktiivfiltri projekteerimine 209
8.6 ● Simulatsioon 5 – Madalpääspassiivfiltri projekteerimine 210

9. peatükk ● Digitaalse loogikaahela projekteerimine ja simulatsioon

9.1 ● Digitaalne loogika simulatsioon TINA 212 abil
9.2 ● Simulatsioon 1 – lihtne JA värav 212
9.3 ● Simulatsioon 2 – poolliitja, kasutades väravaid 215
9.4 ● Simulatsioon 3 – 2-bitine sünkroonloendur 216
9.5 ● Simulatsioon 4 – 7-segmendiline LED-ekraan 217
9.6 ● Simulatsioon 5 – 4-bitine kahendloendur loogiliste indikaatoritega 218
9.7 ● Simulatsiooni 6 – 4-bitine kümnendiloendur 7-segmendilise ekraaniga 219
9.8 ● Simulatsiooni 7 – 8-bitine kümnendiloendur kahe 7-segmendilise kuvariga 220
9.9 ● Simulatsioon 8 – 4-bitine kümnendiloendur ja 7-segmendiline ekraan – 4-bitise andmegeneraatori kasutamine 221
9.10 ● Simulatsioon 9 – täieliku lisaja loomine – MACRO 223 abil
9.11 ● Riistvara kirjelduskeelte (HDL) kasutamine 225
9.11.1 ● VHDL-i simulatsiooni kasutamine TINA-s digitaalsete vooluahelate analüüsimiseks 226
9.11.2 ● Simulatsioon 10 – poolliitjaahel – VHDL 226
9.11.3 ● Simulatsioon 11 – loendusahel – VHDL 230
9.11.4 ● VHDL-i silur 233
9.12 ● Verilogi simulatsiooni kasutamine TINA-s digitaalsete vooluahelate analüüsimiseks 235

Peatükk 10 ● Loogilise disaini tööriist

11. peatükk ● Mikrokontrollerite simuleerimine

11.1 ● Ülevaade 246
11.2 ● Vooskeemide redaktori 246 kasutamine
11.2.1 ● Simulatsioon 1 – vaheldumisi vilguvad 2 LED-i – PIC-seeria mikrokontroller 246
11.2.2 ● Simulatsioon 2 – 4-bitine üles/alla loendur kuueteistkümnendekraaniga – PIC-seeria mikrokontroller 249
11.2.3 ● Vooskeem silumine 252
11.3 ● Koosteprogrammeerimise kasutamine 253
11.3.1 ● Simulatsioon 3 – loendur – PIC-seeria mikrokontroller 253
11.3.2 ● Asm-koodi 255 muutmine
11.3.3 ● ASM-koodi 256 silumine
11.4 ● C-programmeerimise kasutamine 257
11.4.1 ● Simulatsioon 4 – loendur – ATTINY13 mikrokontroller 258
11.4.2 ● Simulatsioon 5 – foorid – ATTINY13 mikrokontroller 261
11.4.3 ● Simulatsioon 6 – LCD loendur – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulatsioon 7 – fooride järjestus – PIC-mikrokontroller 266
11.4.5 ● Simulatsioon 8 – vilkuv tuli – STM32 mikrokontroller 268
11.5 ● Mäluseadmed 272
11.5.1 ● Simulatsioon 9 – 2-bitine x 2-bitine digitaalne kordaja – ROM-mälu . 272
11.5.2 ● Simulatsiooni 10 – 4-bitine binaarloendur kahe kuueteistkümnendekraaniga – ROM-mälu . 275

12. peatükk ● Redeli loogikaahelad

12.1 ● Ülevaade . 278
12.2 ● Simulatsioon 1 – Redelloogika valgusti ja mootoriga 278
12.3 ● Redeli loogikakomponendid digitaalloogika komponentidena 279
12.4 ● Lukustusahel 281
12.4.1 ● Simulatsioon 2 – lukustusmootori ahel 281
12.4.2 ● Simulatsioon 3 – edasi/tagasi mootori juhtimine 283
12.4.3 ● Simulatsioon 4 – konveierilindi kontroller 284

13. peatükk ● Lülitusrežiimi toiteahelad (SMPS)

13.1 ● Ülevaade . 286
13.2 ● Simulatsioon 1 – TPS61031 SMPS ahel 286

14. peatükk ● Trükkplaadi (PCB) disain

14.1 ● Ülevaade 293
14.2 ● Bipolaarse transistori multivibraatori ahela projekt 293
14.2.1 ● Kujundus 294
14.2.2 ● Simulatsioon 294
14.2.3 ● Kontrollige jalajälgede nimesid 295
14.2.4 ● Stressianalüüs 297
14.2.5 ● Salvestage skeem 297
14.2.6 ● Käivitage TINA PCB programm. 298
14.2.7 ● Gerberi fail 302
14.2.8 ● GCode NC puurimisfail 302
14.2.9 ● PCB teave 303
14.2.10 ● Komponentide loend 303
14.2.11 ● Netlist 304

15. peatükk ● PCB projekteerimistehnikad

15.1 ● Ülevaade 307
15.2 ● Siinide loomine TINA 307 skemaatilises redaktoris ja PCB kujundajas
15.3 ● Mitu ühikut samas pakendis 310
15.4 ● Loogikakomponentide 313 toide
15.5 ● Kordusahela plokid (kasutades funktsiooni Copy Macro) 316
15.6 ● Kahekihilise, kahepoolse, pinnale paigaldatava tehnoloogiaplaadi loomine 320
15.7 ● PCB komponentide loomine 325

16. peatükk ● Skemaatiliste sümbolite ja jalajälgede loomine

16.1 ● Ülevaade 328
16.2 ● Näide 328
16.3 ● IC-viisardi kasutamine skemaatilise sümboli redaktoris 332
16.4 ● Footprint editor 335 kasutamine
16.5 ● IC-viisard Footprint Editoris 339
16.5.1 ● Näidiskujundus 340
16.6 ● Avalike PCB jalajälgede lisamine TINA 343-le
16.7 ● Avalike 3D jalajälje mudelite lisamine TINA 346-le

17. peatükk ● TINACloudi kasutamine

17.1 ● Ülevaade 348
17.2 ● TINACloud 349 kasutamise alustamine
17.3 ● Simulatsiooni näide 350
17.4 ● PCB konstruktsiooni näidis 355
17.5 ● TINA skemaatilise 357 jagamine

18. peatükk ● Muud kasulikud tööriistad

18.1 ● Ülevaade 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Stressi (suitsu) analüüs 360
18.4 ● Elektrireeglite kontroll (ERC) 362
18.5 ● Jadamonitor 362
18.6 ● Komponentide uurija 362
18.7 ● Otsige üles komponent 363
18.8 ● Kaitseahel 364
18.9 ● Ekspordi 365
18.10 ● Import 365
18.11 ● Fourier' seeria 365
18.12 ● Fourier spekter 367
18.13 ● Müraanalüüs 367
18.14 ● Võimsuse hajumise analüüs 369
18.15 ● Tõlk 370
18.15.1 ● Näide 1 – RLC ahel 371
18.15.2 ● Näide 2 – alalisvooluahel 373
18.15.3 ● Näide 3 – vahelduvvooluahel 374
18.15.4 ● Integraalide 375 hindamine
18.15.5 ● Lineaarse võrrandisüsteemi 375 lahendamine
18.15.6 ● Diagrammide joonistamine 376
18.15.7 ● Bode diagrammid 377
18.15.8 ● Signaali definitsioon 379
18.15.9 ● Toetatud funktsioonid 381
18.16 ● DC temperatuuri analüüs 382
18.17 ● Parameetri ekstraktor 382
18.18 ● Lõpliku oleku masina redaktor 384

Peatükk 19 ● Raamatukogu haldur

Peatükk 20 ● Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)

20.1 ● Ülevaade 391
20.2 ● FPGA-plaatide programmeerimine skemaatilise kujunduse sisestusega TINA abil – näide 1
391
20.3 ● FPGA-plaatide programmeerimine skemaatilise kujunduse sisestusega TINA abil – näide 2
400
20.4 ● FPGA-plaatide programmeerimine VHDL-is koos TINA 404-ga
20.5 ● FPGA-plaatide programmeerimine Verilogis koos TINACloud 407-ga
20.6 ● Programmi salvestamine Basys 3 plaadi 411 püsimällu
20.7 ● Sekundite loendur 7-segmendilisel 4-kohalisel Basys 3 FPGA-plaadil, mis kasutab TINA-d
VHDL 415
20.8 ● Nupuloendur 7-segmendilisel 4-kohalisel Basys 3 FPGA-plaadil, mis kasutab TINA-d
VHDL 428

Peatükk 21 ● Lisateave

21.1 ● TINA veebisait 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Muud kasulikud lingid 434
21.4 ● TINA abifailid 435
● Epiloog 436
● Indeks 437