Áramkör-szimuláció a TINA Design Suite és a TINACloud segítségével

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

Ebben eBook, a legkelendőbb Elektor szerző, Prof. Dr. Dogan Ibrahim célja, hogy megtanítsa az elektromos és elektronikus áramkörök tervezését és elemzését, valamint NYÁK-kártyákat fejleszt mind a TINA, mind a TINACloud segítségével. A könyv villamos/elektronikai mérnököknek, műszaki főiskolák és egyetemek elektronikai/villamosmérnök hallgatóinak, posztgraduális és kutatóhallgatóknak, tanároknak és hobbiművészeknek szól. Számos tesztelt és működő szimulációs példa található az analóg és digitális elektro-/elektronikai tervezés legtöbb területére vonatkozóan. Ide tartoznak az AC és DC áramkörök, diódák, zener-diódák, tranzisztoros áramkörök, műveleti erősítők, létradiagramok, 3 fázisú áramkörök, kölcsönös induktivitás, egyenirányító áramkörök, oszcillátorok, aktív és passzív szűrőáramkörök, digitális logika, VHDL, MCU, kapcsoló üzemmód tápegységek, PCB tervezés, Fourier sorozat és spektrum. Az olvasóknak nem kell semmilyen programozási tapasztalattal rendelkezniük, hacsak nem akarnak összetett MCU-áramköröket szimulálni.

Tartalomjegyzék:

Fejezet 1 ● Bevezetés

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Elektronikus szimuláció 14
1.3 ● SPICE modelling of electronic circuits 15
1.4 ● A TINA program 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Élő 3D Breadboard Tool 17
1.4.3 ● PCB tervezés 17
1.4.4 ● Elektromos szabályok ellenőrzése (ERC) 17
1.4.5 ● Sematikus szimbólumszerkesztő 18
1.4.6 ● Könyvtárkezelő 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Szöveg- és Egyenletszerkesztő 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Tranziens elemzés 19
1.4.12 ● Automatikus konvergencia 19
1.4.13 ● Átmeneti zajelemzés 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● HDL szimuláció 20
1.4.17 ● Mikrokontroller (MCU) szimuláció 20
1.4.18 ● Folyamatábraszerkesztő és hibakereső 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Szimbolikus elemzés 21
1.4.23 ● Monte-Carlo és a legrosszabb eset elemzése 21
1.4.24 ● Tervezőeszköz 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● 22. utófeldolgozó
1.4.27 ● 22. bemutató
1.4.28 ● 22. interaktív mód
1.4.29 ● Virtuális eszközök 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Képzés és vizsga 23
1.4.32 ● 23. mechatronikai bővítmény

2. fejezet ● TINA verziók

2.1 ● Overview 24
2.2 ● A verzió jellemzői 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Többfunkciós eszköz az oktatáshoz és képzéshez helyi és
távoli mérési lehetőségek 27

3. fejezet ● A TINA telepítési eljárása

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Telepítés 29
3.3 ● A TINA 36 hardverkulcs (dongle) verziójának telepítése
3.4 ● A TINA 37 szoftverrel védett verziójának engedélyezése

4. fejezet ● Kezdő lépések – Egyszerű áramkörök szimulálása

4.1 ● A sematikus szerkesztő 38
4.2 ● 1. szimuláció – Soros és párhuzamos ellenállások 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● 3. szimuláció – Ellenállás – induktor-kondenzátor áramkör 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● 5. szimuláció – Feszültség az alkatrészek között – voltmérőkkel 69
4.7 ● 6. szimuláció – Áram az alkatrészeken keresztül ampermérőkkel 70
4.8 ● 7. szimuláció – Impedanciamérés a 71. impedanciamérővel
4.9 ● 8. szimuláció – Ellenállásmérés a Ohmmeter 73 segítségével
4.10 ● 9. szimuláció – Az alkatrészek közötti feszültség ábrázolása oszcilloszkóp komponens segítségével 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● 12. szimuláció – AC áramkör elemzés II 82
4.14 ● 13. szimuláció – AC áramkör elemzés III 84
4.15 ● 14. szimuláció – Thevenin-tétel – AC áramkör elemzés 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● Háromfázisú áramkörök 3
4.17.1 ● 16. szimuláció – 3 fázisú csillag csatlakoztatott áramkör elemzés ellenállásos terheléssel 93
4.17.2 ● Szimuláció 17 – 3 fázisú csillag csatlakoztatott áramkör elemzés rezisztív ill
induktív terhelés 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● 18. szimuláció – 99. kölcsönös induktivitás

5. fejezet ● Dióda áramkör tervezés és szimuláció

5.1 ● 1. szimuláció – Egyszerű 102-es dióda áramkör
5.2 ● 2. szimuláció – 103. félhullámú egyenirányító áramkör
5.3 ● 3. szimuláció – Félhullámú egyenirányító áramkör 104-es transzformátorral
5.4 ● 4. szimuláció – Teljes hullámú egyenirányító áramkör középső 105-ös transzformátorral
5.5 ● 5. szimuláció – Teljes hullámú híd egyenirányító áramkör 107-es transzformátorral
5.6 ● 6. szimuláció – 109. dióda szorító áramkör
5.7 ● 7. szimuláció – Zener-dióda karakterisztika 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● 10. szimuláció – 114. feszültséghármas áramkör

6. fejezet ● Tranzisztoráramkörök tervezése és szimulációja

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 ● 4. szimuláció – Többfokozatú közös emitteres tranzisztoros erősítő – Aláramkörök használata a TINA 127-ben
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● 5. szimuláció – BJT tranzisztor, Colpitts oszcillátor 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● 6. szimuláció – JFET tranzisztoros közös forrású erősítő 142
6.9 ● 7. szimuláció – JFET tranzisztor jelleggörbéi 146
6.10 ● 8. szimuláció – BJT tranzisztoros kapcsoló 147
6.11 ● Tirisztorok és triacok 149
6.11.1 ● 9. szimuláció – Tirisztor fázisvezérlés 149
6.11.2 ● 10. szimuláció – 151. triac fázisvezérlés
6.12 ● Audio teljesítményerősítők 153
6.12.1 ● 11. szimuláció – AB osztályú hangteljesítmény-erősítő 154

7. fejezet ● Műveleti erősítő áramkör tervezése és szimulációja

7.1 ● Főbb jellemzők 161
7.2 ● Műveleti erősítő áramkörök 162
7.2.1 ● Invertáló erősítő 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Nem invertáló erősítő 163
7.2.3 ● Feszültségkövető 164
7.2.4 ● 165-ös feszültségnövelő erősítő
7.2.5 ● Feszültségkivonó 166
7.2.6 ● Feszültségintegrátor 167
7.2.7 ● 168-as feszültségkülönbség
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● 1. szimuláció – Invertáló erősítő 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● 3. szimuláció – 175. feszültség integráló erősítő
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● A Tervező eszköz 178
7.7.1 ● 5. szimuláció – 178. példaterv
7.8 ● Optimalizálás 180
7.8.1 ● 6. szimuláció – Tervezési példa – AC áramkör 183
7.8.2 ● 7. szimuláció – Tervezési példa – 185. egyenáramú áramkör
7.9 ● Szinuszos oszcillátorok . 187
7.9.1 ● 8. szimuláció – 187. fáziseltolásos oszcillátor
7.9.2 ● 9. szimuláció – A Wien Bridge oszcillátora 189
7.9.3 ● 10. szimuláció – A Colpitts oszcillátor 192
7.10 ● Négyszögletű generátorok 194
7.10.1 ● 11. szimuláció – Műveleti erősítő négyszöghullám-generátor 194
7.10.2 ● Simulation 12 – 555 integrált áramkör 196

8. fejezet ● Szűrőáramkör tervezése és szimulációja

8.1 ● TINA szűrők 199
8.2 ● 1. szimuláció – Másodrendű aluláteresztő aktív szűrő tervezése 2
8.3 ● 2. szimuláció – Magasabb rendű aluláteresztő aktív szűrő tervezése 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● 4. szimuláció – Sáváteresztő aktív szűrő tervezése 209
8.6 ● 5. szimuláció – Aluláteresztő passzív szűrő tervezése 210

9. fejezet ● Digitális logikai áramkörök tervezése és szimulációja

9.1 ● Digitális logikai szimuláció a TINA 212 segítségével
9.2 ● 1. szimuláció – Egyszerű ÉS 212-es kapu
9.3 ● 2. szimuláció – Félösszeadó a 215-ös kapukkal
9.4 ● 3. szimuláció – 2 bites szinkronszámláló 216
9.5 ● Szimuláció 4 – 7 szegmenses LED kijelző 217
9.6 ● Szimuláció 5 – 4 bites bináris számláló logikai indikátorokkal 218
9.7 ● Szimulációs 6 – 4 bites évtizedszámláló 7 szegmenses kijelzővel 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Szimuláció 8 – 4 bites évtizedszámláló és 7 szegmenses kijelző – 4 bites adatgenerátor használata 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Hardverleíró nyelvek (HDL) használata 225
9.11.1 ● VHDL szimuláció használata TINA-ban a digitális áramkörök elemzéséhez 226
9.11.2 ● 10. szimuláció – Félösszeadó áramkör – VHDL 226
9.11.3 ● 11. szimuláció – Számláló áramkör – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Verilog szimuláció használata TINA-ban a digitális áramkörök elemzéséhez 235

10. fejezet ● Logikai tervezőeszköz

11. fejezet ● Mikrokontrollerek szimulálása

11.1 ● Áttekintés 246
11.2 ● A Folyamatábra szerkesztő használata 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 ● Folyamatábra hibakeresés 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● A 255-ös asm kód módosítása
11.3.3 ● A 256-os ASM-kód hibakeresése
11.4 ● C programozás használata 257
11.4.1 ● 4. szimuláció – Számláló – ATTINY13 mikrokontroller 258
11.4.2 ● 5. szimuláció – Közlekedési lámpák – ATTINY13 mikrokontroller 261
11.4.3 ● 6. szimuláció – LCD számláló – Arduino Uno 263
11.4.4 ● 7. szimuláció – Közlekedési lámpa szekvenszer – PIC mikrokontroller 266
11.4.5 ● 8. szimuláció – Villogó fény – STM32 mikrokontroller 268
11.5 ● Memóriaeszközök 272
11.5.1 ● Szimulációs 9 – 2 bites x 2 bites digitális szorzó – ROM memória . 272
11.5.2 ● Szimulációs 10 – 4 bites bináris számláló két hexadecimális kijelzővel – ROM memória . 275

12. fejezet ● Létra logikai áramkörök

12.1 ● Áttekintés . 278
12.2 ● 1. szimuláció – Létralogika lámpával és motorral 278
12.3 ● Létra logikai komponensek, mint digitális logikai összetevők 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● 2. szimuláció – 281. reteszelő motor áramkör
12.4.2 ● 3. szimuláció – Előre/hátra motorvezérlés 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

13. fejezet ● Kapcsolóüzemű tápegység áramkörök (SMPS)

13.1 ● Áttekintés . 286
13.2 ● 1. szimuláció – TPS61031 SMPS áramkör 286

14. fejezet ● Nyomtatott áramköri lap (PCB) tervezése

14.1 ● Áttekintés 293
14.2 ● Bipoláris tranzisztoros multivibrátor áramkör projekt 293
14.2.1 ● A kialakítás 294
14.2.2 ● 294. szimuláció
14.2.3 ● Ellenőrizze a lábnyom-neveket 295
14.2.4 ● Stresszelemzés 297
14.2.5 ● Mentse el a 297. kapcsolási rajzot
14.2.6 ● Indítsa el a TINA PCB programot. 298
14.2.7 ● Gerber-fájl 302
14.2.8 ● GCode NC fúrófájl 302
14.2.9 ● NYÁK-információ 303
14.2.10 ● Alkatrészlista 303
14.2.11 ● Netlist 304

15. fejezet ● PCB tervezési technikák

15.1 ● Áttekintés 307
15.2 ● Buszok létrehozása a TINA 307 Sematikus szerkesztőjében és PCB tervezőjében
15.3 ● Több egység ugyanabban a csomagban 310
15.4 ● Logikai komponensek tápellátása 313
15.5 ● Áramköri blokkok ismétlése (a Makró másolása funkcióval) 316
15.6 ● Kétrétegű, kétoldalas, felületre szerelhető technológiai tábla 320 létrehozása
15.7 ● PCB-komponensek létrehozása 325

16. fejezet ● Sematikus szimbólumok és lábnyomok készítése

16.1 ● Áttekintés 328
16.2 ● 328. példa
16.3 ● Az IC varázsló használata a Sematikus Szimbólumszerkesztő 332-ben
16.4 ● A Footprint editor 335 használata
16.5 ● IC varázsló a Footprint Editor 339-ben
16.5.1 ● Példaterv 340
16.6 ● Nyilvános PCB lábnyomok hozzáadása a TINA 343-hoz
16.7 ● Nyilvános 3D lábnyom modellek hozzáadása a TINA 346-hoz

17. fejezet ● A TINACloud használata

17.1 ● Áttekintés 348
17.2 ● A TINACloud 349 használatának megkezdése
17.3 ● Példa szimuláció 350
17.4 ● Példa 355-ös nyomtatott áramköri lapra
17.5 ● A TINA kapcsolási rajz megosztása 357

18. fejezet ● Egyéb hasznos eszközök

18.1 ● Áttekintés 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Stressz (füst) elemzés 360
18.4 ● Elektromos szabályok ellenőrzése (ERC) 362
18.5 ● Soros monitor 362
18.6 ● Alkatrészböngésző 362
18.7 ● Keresse meg a 363-as komponenst
18.8 ● Védje a 364-es áramkört
18.9 ● Export 365
18.10 ● Import 365
18.11 ● Fourier-sorozat 365
18.12 ● Fourier-spektrum 367
18.13 ● Zajelemzés 367
18.14 ● Teljesítménydisszipáció elemzés 369
18.15 ● Tolmács 370
18.15.1 ● 1. példa – 371. RLC áramkör
18.15.2 ● 2. példa – 373. DC áramkör
18.15.3 ● 3. példa – AC 374. áramkör
18.15.4 ● Integrálok kiértékelése 375
18.15.5 ● 375. lineáris egyenletrendszer megoldása
18.15.6 ● Ábrák rajza 376
18.15.7 ● Bode diagramok 377
18.15.8 ● Jeldefiníció 379
18.15.9 ● Támogatott funkciók 381
18.16 ● DC hőmérséklet elemzés 382
18.17 ● A 382-es paraméterkivonó
18.18 ● Finite State Machine Editor 384

19. fejezet ● A Könyvtárkezelő

20. fejezet ● Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)

20.1 ● Áttekintés 391
20.2 ● FPGA kártyák programozása sematikus tervezési bejegyzéssel a TINA használatával – 1. példa
391
20.3 ● FPGA kártyák programozása sematikus tervezési bejegyzéssel a TINA használatával – 2. példa
400
20.4 ● FPGA kártyák programozása VHDL-ben TINA 404-gyel
20.5 ● FPGA kártyák programozása a Verilogban a TINACloud 407 segítségével
20.6 ● A program tárolása a Basys 3 411-es kártya nem felejtő memóriájában
20.7 ● Másodpercszámláló a 7 szegmenses 4 számjegyű Basys 3 FPGA kártyán TINA-val
VHDL 415
20.8 ● Nyomógombos számláló a 7 szegmenses 4 számjegyű Basys 3 FPGA kártyán TINA-val
VHDL 428

21. fejezet ● További információk

21.1 ● A TINA weboldala 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Egyéb hasznos linkek 434
21.4 ● TINA Súgó fájlok 435
● Epilógus 436
● 437. index