Piirisimulaatio TINA Design Suitella ja TINACloudilla

Professori Dr. Dogan Ibrahim

Tässä e-kirja, myydyin Elektor-kirjailija, prof. Dr. Dogan Ibrahim pyrkii opettamaan sähkö- ja elektroniikkapiirien suunnittelua ja analysointia sekä kehittää piirilevyjä sekä TINA:n että TINACloudin avulla. Kirja on suunnattu sähkö/elektroniikkainsinööreille, sähkö- ja sähkötekniikan perustutkinto-opiskelijoille teknisissä korkeakouluissa ja yliopistoissa, jatko- ja tutkimusopiskelijoille, opettajille ja harrastajille. Tarjolla on monia testattuja ja toimivia simulaatioesimerkkejä, jotka kattavat useimmat analogisen ja digitaalisen sähkö-/elektroniikkatekniikan alat. Näitä ovat AC- ja DC-piirit, diodit, zener-diodit, transistoripiirit, operaatiovahvistimet, tikapuukaaviot, 3-vaihepiirit, keskinäinen induktanssi, tasasuuntauspiirit, oskillaattorit, aktiiviset ja passiiviset suodatinpiirit, digitaalinen logiikka, VHDL, MCU:t, kytkentätila virtalähteet, piirilevysuunnittelu, Fourier-sarja ja spektri. Lukijoilla ei tarvitse olla ohjelmointikokemusta, elleivät he halua simuloida monimutkaisia ​​MCU-piirejä.

Sisällysluettelo:

Luku 1 ● Johdanto

1.1 ● Miksi simulointi? 13
1.2 ● Elektroninen simulointi 14
1.3 ● SPICE elektronisten piirien mallinnus 15
1.4 ● TINA-ohjelma 16
1.4.1 ● Kaaviokuvaus 17
1.4.2 ● Live 3D Breadboard Työkalu 17
1.4.3 ● Piirilevyn suunnittelu 17
1.4.4 ● Sähkösääntöjen tarkistus (ERC) 17
1.4.5 ● Kaavamainen symbolieditori 18
1.4.6 ● Library Manager 18
1.4.7 ● IBIS-mallituki 18
1.4.8 ● Parametrien poisto 18
1.4.9 ● Teksti- ja yhtälöeditori 18
1.4.10 ● DC-analyysi 19
1.4.11 ● Transienttianalyysi 19
1.4.12 ● Automaattinen konvergenssi 19
1.4.13 ● Ohimenevän melun analyysi 19
1.4.14 ● Fourier-analyysi 19
1.4.15 ● Digitaalinen simulointi 20
1.4.16 ● HDL-simulaatio 20
1.4.17 ● Mikrokontrollerisimulaatio (MCU) 20
1.4.18 ● Vuokaavioeditori ja debuggeri 20
1.4.19 ● AC-analyysi 21
1.4.20 ● Verkkoanalyysi 21
1.4.21 ● Lineaarinen AC-kohinaanalyysi 21
1.4.22 ● Symbolinen analyysi 21
1.4.23 ● Monte Carlo ja pahimman tapauksen analyysi 21
1.4.24 ● Suunnittelutyökalu 21
1.4.25 ● Optimointi 22
1.4.26 ● Jälkiprosessori 22
1.4.27 ● Esitys 22
1.4.28 ● Interaktiivinen tila 22
1.4.29 ● Virtuaaliset instrumentit 23
1.4.30 ● Reaaliaikainen testi ja mittaukset 23
1.4.31 ● Koulutus ja koe 23
1.4.32 ● Mekatroniikkalaajennus 23

Luku 2 ● TINA-versiot

2.1 ● Yleiskatsaus 24
2.2 ● Version ominaisuudet 24
2.3 ● Vaihtoehdot 27
2.4 ● Lisälaitteisto 27
2.4.1 ● LabXplorer: Monitoimilaite koulutusta varten paikallisten ja
etämittausominaisuudet 27

Luku 3 ● TINA-asennusmenettely

3.1 ● Laitteisto- ja ohjelmistovaatimukset 29
3.2 ● Asennus 29
3.3 ● TINA 36:n laitteistoavaimen (dongle) version asentaminen
3.4 ● TINA 37:n ohjelmistosuojatun version valtuutus

Luku 4 ● Aloitus – Yksinkertaisten piirien simulointi

4.1 ● Kaavioeditori 38
4.2 ● Simulaatio 1 – Sarja- ja rinnakkaisvastukset 39
4.3 ● Simulaatio 2 – Vastus – kondensaattoripiiri 49
4.4 ● Simulaatio 3 – Vastus – induktori-kondensaattoripiiri 61
4.5 ● Simulaatio 4 – Virrankulutus – tehomittarilla 67
4.6 ● Simulaatio 5 – Komponenttien välinen jännite – volttimittareilla 69
4.7 ● Simulaatio 6 – Virta komponenttien läpi käyttämällä ampeerimittaria 70
4.8 ● Simulaatio 7 – Impedanssin mittaus impedanssimittarilla 71
4.9 ● Simulaatio 8 – Resistanssin mittaus ohmimittarilla 73
4.10 ● Simulaatio 9 – Jännitteen piirtäminen komponenttien välillä oskilloskooppikomponentilla 74
4.11 ● Simulaatio 10 – Taajuuden mittaus taajuusmittarilla 78
4.12 ● Simulaatio 11 – AC-piirianalyysi I 79
4.13 ● Simulaatio 12 – AC-piirianalyysi II 82
4.14 ● Simulaatio 13 – AC-piirianalyysi III 84
4.15 ● Simulaatio 14 – Theveninin lause – AC-piirianalyysi 86
4.16 ● Simulaatio 15 – Nortonin lause – AC-piirianalyysi 89
4.17 ● 3-vaihepiirit 92
4.17.1 ● Simulaatio 16 – 3-vaihe tähtikytketty piirianalyysi resistiivisellä kuormalla 93
4.17.2 ● Simulaatio 17 – 3-vaihe tähtikytketty piirianalyysi resistiivisellä ja
induktiivinen kuorma 95
4.18 ● Keskinäinen induktanssi 98
4.18.1 ● Simulaatio 18 – Keskinäinen induktanssi 99

Luku 5 ● Diodipiirien suunnittelu ja simulointi

5.1 ● Simulaatio 1 – Yksinkertainen diodipiiri 102
5.2 ● Simulaatio 2 – Puoliaaltotasasuuntaajapiiri 103
5.3 ● Simulaatio 3 – Puoliaaltotasasuuntaajapiiri muuntajalla 104
5.4 ● Simulaatio 4 – Täysaaltotasasuuntauspiiri keskikierteitetyllä muuntajalla 105
5.5 ● Simulaatio 5 – Täysaaltosiltatasasuuntaajapiiri muuntajalla 107
5.6 ● Simulaatio 6 – Diodikiinnitinpiiri 109
5.7 ● Simulaatio 7 – Zener-diodin ominaisuudet 110
5.8 ● Simulaatio 8 – Zener-diodin jännitteensäädin 112
5.9 ● Simulaatio 9 – Zener-diodi symmetrinen jännitteenrajoitin 113
5.10 ● Simulaatio 10 – Jännitteen kolminkertainen piiri 114

Luku 6 ● Transistoripiirin suunnittelu ja simulointi

6.1 ● Simulaatio 1 – Bipolaaritransistorin ominaisuudet 118
6.2 ● Simulaatio 2 – Yhteinen emitteritransistorivahvistin – Analyysi 119
6.3 ● Simulaatio 3 – Yhteinen emitteritransistorivahvistin – Rakenne 125
6.4 ● Simulaatio 4 – Monivaiheinen yhteisemitteritransistorivahvistin – Alipiirien käyttö TINA 127:ssä
6.5 ● Netlist 131
6.6 ● Simulaatio 5 – BJT-transistori Colpitts-oskillaattori 132
6.7 ● Transistori kaksiporttisena verkkona 136
6.7.1 ● Transistorin h parametrit 139
6.8 ● Simulaatio 6 – JFET-transistori yhteislähdevahvistin 142
6.9 ● Simulaatio 7 – JFET-transistorin ominaiskäyrät 146
6.10 ● Simulaatio 8 – BJT-transistorikytkin 147
6.11 ● Tyristorit ja triacit 149
6.11.1 ● Simulaatio 9 – Tyristorivaiheen ohjaus 149
6.11.2 ● Simulaatio 10 – Triac-vaiheen ohjaus 151
6.12 ● Audiotehovahvistimet 153
6.12.1 ● Simulaatio 11 – Luokan AB audiotehovahvistin 154

Luku 7 ● Operaatiovahvistimen piirien suunnittelu ja simulointi

7.1 ● Tärkeimmät ominaisuudet 161
7.2 ● Operaatiovahvistinpiirit 162
7.2.1 ● Invertoiva vahvistin 163
7.2.1 ● Invertoiva vahvistin 163
7.2.2 ● Ei-invertoiva vahvistin 163
7.2.3 ● Jännitteenseuraaja 164
7.2.4 ● Jännitteen lisävahvistin 165
7.2.5 ● Jännitteen vähentäjä 166
7.2.6 ● Jänniteintegraattori 167
7.2.7 ● Jänniteerotin 168
7.2.8 ● Virta-jännitemuunnin 169
7.3 ● Simulaatio 1 – Invertoiva vahvistin 171
7.4 ● Simulaatio 2 – Summausvahvistin 174
7.5 ● Simulaatio 3 – Jännitteen integroiva vahvistin 175
7.6 ● Simulaatio 4 – Puoliaaltotasasuuntaajapiiri 176
7.7 ● Suunnittelutyökalu 178
7.7.1 ● Simulaatio 5 – Esimerkkisuunnittelu 178
7.8 ● Optimointi 180
7.8.1 ● Simulaatio 6 – Esimerkkisuunnittelu – AC-piiri 183
7.8.2 ● Simulaatio 7 – Esimerkkisuunnittelu – DC-piiri 185
7.9 ● Sinimuotoiset oskillaattorit . 187
7.9.1 ● Simulaatio 8 – Vaiheensiirtooskillaattori 187
7.9.2 ● Simulaatio 9 – Wien Bridge -oskillaattori 189
7.9.3 ● Simulaatio 10 – Colpitts-oskillaattori 192
7.10 ● Neliöaaltogeneraattorit 194
7.10.1 ● Simulaatio 11 – Operaatiovahvistimen neliöaaltogeneraattori 194
7.10.2 ● Simulaatio 12 – 555 integroitu piiri 196

Luku 8 ● Suodatinpiirin suunnittelu ja simulointi

8.1 ● TINA-suodattimet 199
8.2 ● Simulaatio 1 – Toisen asteen alipäästöaktiivisen suodattimen suunnittelu 2
8.3 ● Simulaatio 2 – Korkeamman asteen alipäästöaktiivisen suodattimen suunnittelu 206
8.4 ● Simulaatio 3 – Ylipäästöaktiivisen suodattimen suunnittelu 207
8.5 ● Simulaatio 4 – Kaistanpäästöaktiivisen suodattimen suunnittelu 209
8.6 ● Simulaatio 5 – Passiivisen alipäästösuodattimen suunnittelu 210

Luku 9 ● Digitaalisen logiikkapiirin suunnittelu ja simulointi

9.1 ● Digitaalinen logiikkasimulointi TINA 212:lla
9.2 ● Simulaatio 1 – Yksinkertainen JA-portti 212
9.3 ● Simulaatio 2 – Puolisummain porteilla 215
9.4 ● Simulaatio 3 – 2-bittinen synkroninen laskuri 216
9.5 ● Simulaatio 4 – 7-segmenttinen LED-näyttö 217
9.6 ● Simulaatio 5 – 4-bittinen binäärilaskuri logiikkailmaisimilla 218
9.7 ● Simulaatio 6 – 4-bittinen vuosikymmenen laskuri 7-segmenttisellä näytöllä 219
9.8 ● Simulaatio 7 – 8-bittinen vuosikymmenen laskuri kahdella 7-segmenttisellä näytöllä 220
9.9 ● Simulaatio 8 – 4-bittinen vuosikymmenlaskuri ja 7-segmenttinen näyttö – 4-bittisen datageneraattorin käyttäminen 221
9.10 ● Simulaatio 9 – Täydellisen summaimen luominen – MACRO 223:lla
9.11 ● Laitteiston kuvauskielten (HDL) käyttäminen 225
9.11.1 ● VHDL-simuloinnin käyttäminen TINAssa digitaalisten piirien analysointiin 226
9.11.2 ● Simulaatio 10 – Puolisummainpiiri – VHDL 226
9.11.3 ● Simulaatio 11 – Laskuripiiri – VHDL 230
9.11.4 ● VHDL Debugger 233
9.12 ● Verilog-simuloinnin käyttäminen TINAssa digitaalisten piirien analysointiin 235

Luku 10 ● Logic Design Tool

Luku 11 ● Mikro-ohjainten simulointi

11.1 ● Yleiskatsaus 246
11.2 ● Vuokaavioeditorin 246 käyttäminen
11.2.1 ● Simulaatio 1 – Vuorotellen vilkkuvat 2 LEDiä – PIC-sarjan mikro-ohjain 246
11.2.2 ● Simulaatio 2 – 4-bittinen ylös/alas laskuri heksadesimaalinäytöllä – PIC-sarjan mikro-ohjain 249
11.2.3 ● Vuokaavion virheenkorjaus 252
11.3 ● Kokoonpanoohjelmoinnin käyttäminen 253
11.3.1 ● Simulaatio 3 – Laskuri – PIC-sarjan mikro-ohjain 253
11.3.2 ● Asm-koodin 255 muuttaminen
11.3.3 ● ASM-koodin 256 virheenkorjaus
11.4 ● C-ohjelmoinnin käyttäminen 257
11.4.1 ● Simulaatio 4 – Laskuri – ATTINY13-mikroohjain 258
11.4.2 ● Simulaatio 5 – Liikennevalot – ATTINY13-mikroohjain 261
11.4.3 ● Simulaatio 6 – LCD-laskuri – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulaatio 7 – Liikennevalosekvenssi – PIC-mikro-ohjain 266
11.4.5 ● Simulaatio 8 – Vilkkuva valo – STM32-mikroohjain 268
11.5 ● Muistilaitteet 272
11.5.1 ● Simulaatio 9 – 2-bittinen x 2-bittinen digitaalinen kertoja – ROM-muisti . 272
11.5.2 ● Simulaatio 10 – 4-bittinen binäärilaskuri kahdella heksadesimaalinäytöllä – ROM-muisti . 275

Luku 12 ● Tikaiden logiikkapiirit

12.1 ● Yleiskatsaus . 278
12.2 ● Simulaatio 1 – Tikaslogiikka valolla ja moottorilla 278
12.3 ● Tikaslogiikkakomponentit digitaalisina logiikkakomponentteina 279
12.4 ● Lukituspiiri 281
12.4.1 ● Simulaatio 2 – Moottorin lukituspiiri 281
12.4.2 ● Simulaatio 3 – Eteen/taakse-moottorin ohjaus 283
12.4.3 ● Simulaatio 4 – Kuljetinhihnaohjain 284

Luku 13 ● Hakkuriteholähteen piirit (SMPS)

13.1 ● Yleiskatsaus . 286
13.2 ● Simulaatio 1 – TPS61031 SMPS-piiri 286

Luku 14 ● Printed Circuit Board (PCB) suunnittelu

14.1 ● Yleiskatsaus 293
14.2 ● Bipolaaritransistorin multivibraattoripiiriprojekti 293
14.2.1 ● Suunnittelu 294
14.2.2 ● Simulaatio 294
14.2.3 ● Tarkista jalanjälkien nimet 295
14.2.4 ● Stressianalyysi 297
14.2.5 ● Tallenna kaavio 297
14.2.6 ● Käynnistä TINA PCB -ohjelma. 298
14.2.7 ● Gerber-tiedosto 302
14.2.8 ● GCode NC -poratiedosto 302
14.2.9 ● PCB-tiedot 303
14.2.10 ● Komponenttiluettelo 303
14.2.11 ● Netlist 304

Luku 15 ● Piirilevyjen suunnittelutekniikat

15.1 ● Yleiskatsaus 307
15.2 ● Väylän luominen TINA 307:n Schematic Editorissa ja PCB Designerissa
15.3 ● Useita yksiköitä samassa paketissa 310
15.4 ● Logiikkakomponenttien virransyöttö 313
15.5 ● Piirilohkojen toisto (käyttämällä Copy Macro -toimintoa) 316
15.6 ● Kaksikerroksisen, kaksipuolisen pinta-asennettavan teknologialevyn luominen 320
15.7 ● Piirilevykomponenttien luominen 325

Luku 16 ● Kaaviomerkkien ja jalanjälkien tekeminen

16.1 ● Yleiskatsaus 328
16.2 ● Esimerkki 328
16.3 ● Ohjatun IC-toiminnon käyttäminen Schematic Symbol Editor 332:ssa
16.4 ● Footprint-editorin 335 käyttäminen
16.5 ● IC Wizard Footprint Editor 339:ssä
16.5.1 ● Malliesimerkki 340
16.6 ● Julkisten PCB-jalanjälkien lisääminen TINA 343:een
16.7 ● Julkisten 3D Footprint -mallien lisääminen TINA 346:een

Luku 17 ● TINACloudin käyttö

17.1 ● Yleiskatsaus 348
17.2 ● TINACloud 349:n käytön aloittaminen
17.3 ● Esimerkkisimulaatio 350
17.4 ● Esimerkki piirilevysuunnittelusta 355
17.5 ● TINA-kaavion 357 jakaminen

Luku 18 ● Muita hyödyllisiä työkaluja

18.1 ● Yleiskatsaus 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Stressi- (savu)analyysi 360
18.4 ● Sähkösääntöjen tarkistus (ERC) 362
18.5 ● Sarjamonitori 362
18.6 ● Component Explorer 362
18.7 ● Etsi komponentti 363
18.8 ● Suojaa piiri 364
18.9 ● Vie 365
18.10 ● Tuo 365
18.11 ● Fourier-sarja 365
18.12 ● Fourier-spektri 367
18.13 ● Meluanalyysi 367
18.14 ● Tehohäviön analyysi 369
18.15 ● Tulkki 370
18.15.1 ● Esimerkki 1 – RLC-piiri 371
18.15.2 ● Esimerkki 2 – DC-piiri 373
18.15.3 ● Esimerkki 3 – AC-piiri 374
18.15.4 ● Integraalien 375 arviointi
18.15.5 ● Lineaarisen yhtälöjärjestelmän 375 ratkaiseminen
18.15.6 ● Piirustuskaaviot 376
18.15.7 ● Bode-kaaviot 377
18.15.8 ● Signaalin määritelmä 379
18.15.9 ● Tuetut toiminnot 381
18.16 ● DC-lämpötila-analyysi 382
18.17 ● Parametrien erotin 382
18.18 ● Finite State Machine Editor 384

Luku 19 ● Kirjastonhallinta

Luku 20 ● Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)

20.1 ● Yleiskatsaus 391
20.2 ● FPGA-korttien ohjelmointi kaavamaisella suunnittelusyötöllä TINA:n avulla – Esimerkki 1
391
20.3 ● FPGA-korttien ohjelmointi kaavamaisella suunnittelusyötöllä TINA:n avulla – Esimerkki 2
400
20.4 ● FPGA-korttien ohjelmointi VHDL-muodossa TINA 404:n kanssa
20.5 ● FPGA-korttien ohjelmointi Verilogissa TINACloud 407:n kanssa
20.6 ● Ohjelman tallentaminen Basys 3 -kortin 411 haihtumattomaan muistiin
20.7 ● Sekuntilaskuri 7-segmenttisellä 4-numeroisella Basys 3 FPGA -kortilla, jossa on TINA ja
VHDL 415
20.8 ● Painikelaskuri 7-segmenttisessä 4-numeroisessa Basys 3 FPGA -kortissa, jossa on TINA ja
VHDL 428

Luku 21 ● Lisätietoja

21.1 ● TINA-verkkosivusto 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Muita hyödyllisiä linkkejä 434
21.4 ● TINA-ohjetiedostot 435
● Epilogue 436
● Hakemisto 437