Circuitsimulatie met TINA Design Suite en TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

In deze e-book, de bestverkopende Elektor-auteur, prof. dr. Dogan Ibrahim wil lesgeven in het ontwerp en de analyse van elektrische en elektronische circuits en printplaten ontwikkelen met zowel TINA als TINACloud. Het boek is bedoeld voor elektrotechnische/elektronische ingenieurs, niet-gegradueerde studenten elektronica/elektrotechniek aan technische hogescholen en universiteiten, postdoctorale en onderzoeksstudenten, docenten en hobbyisten. Er worden veel geteste en werkende simulatievoorbeelden gegeven die de meeste gebieden van analoge en digitale elektrische/elektronische engineering bestrijken. Deze omvatten AC- en DC-circuits, diodes, zenerdiodes, transistorcircuits, operationele versterkers, ladderdiagrammen, 3-fasencircuits, wederzijdse inductantie, gelijkrichtercircuits, oscillatoren, actieve en passieve filtercircuits, digitale logica, VHDL, MCU's, schakelmodus voedingen, PCB-ontwerp, Fourier-serie en spectrum. Lezers hoeven geen programmeerervaring te hebben, tenzij ze complexe MCU-circuits willen simuleren.

Inhoudsopgave:

Hoofdstuk 1 ● Introductie

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Elektronische simulatie 14
1.3 SPICE modelling of electronic circuits 15
1.4 ● Het TINA-programma 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Live-3D Breadboard Tool 17
1.4.3 ● PCB-ontwerp 17
1.4.4 ● Controle elektrische regels (ERC) 17
1.4.5 ● Schematische symbooleditor 18
1.4.6 ● Bibliotheekbeheer 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Tekst- en vergelijkingseditor 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Tijdelijke analyse 19
1.4.12 ● Automatische convergentie 19
1.4.13 ● Analyse van voorbijgaande ruis 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● HDL-simulatie 20
1.4.17 ● Microcontroller (MCU) simulatie 20
1.4.18 ● Stroomschema-editor en foutopsporing 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Symbolische analyse 21
1.4.23 ● Monte-Carlo en worstcaseanalyse 21
1.4.24 ● Ontwerptool 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Postprocessor 22
1.4.27 ● Presentatie 22
1.4.28 ● Interactieve modus 22
1.4.29 ● Virtuele instrumenten 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Training en Examen 23
1.4.32 ● Mechatronica-uitbreiding 23

Hoofdstuk 2 ● TINA-versies

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Versiekenmerken 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: multifunctioneel instrument voor onderwijs en training met lokale en
mogelijkheden voor meten op afstand 27

Hoofdstuk 3 ● TINA-installatieprocedure

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Installatie 29
3.3 ● Installatie van de hardwaresleutel (dongle) versie van TINA 36
3.4 ● Autorisatie van de softwarebeveiligde versie van TINA 37

Hoofdstuk 4 ● Aan de slag – Simpele circuits simuleren

4.1 ● De Schematische Editor 38
4.2 ● Simulatie 1 – Serie- en parallelweerstanden 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Simulatie 3 – Weerstand – spoel-condensator circuit 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Simulatie 5 – Spanning over componenten – met behulp van voltmeters 69
4.7 ● Simulatie 6 – Stroom door componenten met behulp van ampèremeters 70
4.8 ● Simulatie 7 – Impedantiemeting met behulp van de impedantiemeter 71
4.9 ● Simulatie 8 – Weerstandsmeting met behulp van de Ohmmeter 73
4.10 ● Simulatie 9 – Spanning over componenten uitzetten met behulp van een oscilloscoopcomponent 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Simulatie 12 – AC-circuitanalyse II 82
4.14 ● Simulatie 13 – AC-circuitanalyse III 84
4.15 ● Simulatie 14 – Stelling van Thevenin – AC-circuitanalyse 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● 3-fasen circuits 92
4.17.1 ● Simulatie 16 – 3-fase sterverbonden circuitanalyse met ohmse belasting 93
4.17.2 ● Simulatie 17 – 3-fase sterverbonden circuitanalyse met resistieve en
inductieve belasting 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Simulatie 18 – Wederzijdse inductie 99

Hoofdstuk 5 ● Ontwerp en simulatie van diodecircuits

5.1 ● Simulatie 1 – Eenvoudig diodecircuit 102
5.2 ● Simulatie 2 – Halffasige gelijkrichterschakeling 103
5.3 ● Simulatie 3 – Halffasige gelijkrichterschakeling met transformator 104
5.4 ● Simulatie 4 – dubbelfasige gelijkrichterschakeling met middenaftakkingstransformator 105
5.5 ● Simulatie 5 – Dubbelzijdige bruggelijkrichterschakeling met transformator 107
5.6 ● Simulatie 6 – Diodeklemcircuit 109
5.7 ● Simulatie 7 – Karakteristieken Zenerdiode 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Simulatie 10 – Spanningsverdrievoudigerschakeling 114

Hoofdstuk 6 ● Ontwerp en simulatie van transistorcircuits

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 ● Simulatie 4 - Meertraps gemeenschappelijke emittertransistorversterker - Subcircuits gebruiken in TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Simulatie 5 – BJT-transistor Colpitts-oscillator 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Simulatie 6 – JFET transistor gemeenschappelijke bronversterker 142
6.9 ● Simulatie 7 – JFET-transistorkarakteristieken 146
6.10 ● Simulatie 8 – BJT Transistorschakelaar 147
6.11 ● Thyristors en triacs 149
6.11.1 ● Simulatie 9 – Thyristor fasecontrole 149
6.11.2 ● Simulatie 10 – Triac fasecontrole 151
6.12 ● Audio eindversterkers 153
6.12.1 ● Simulatie 11 – Klasse AB audio eindversterker 154

Hoofdstuk 7 ● Ontwerp en simulatie van operationele versterkercircuits

7.1 ● Belangrijkste kenmerken 161
7.2 ● Operationele versterkerschakelingen 162
7.2.1 ● Inverterende versterker 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Niet-inverterende versterker 163
7.2.3 ● Spanningsvolger 164
7.2.4 ● Spanningsopteller versterker 165
7.2.5 ● Spanningsaftrekker 166
7.2.6 ● Spanningsintegrator 167
7.2.7 ● Spanningsdifferentiator 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Simulatie 1 – Inverterende versterker 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Simulatie 3 – Spanningsintegrerende versterker 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● De ontwerptool 178
7.7.1 ● Simulatie 5 – Voorbeeld ontwerp 178
7.8 ● Optimalisatie 180
7.8.1 ● Simulatie 6 – Voorbeeld ontwerp – AC circuit 183
7.8.2 ● Simulatie 7 – Voorbeeldontwerp – DC circuit 185
7.9 ● Sinusvormige oscillatoren . 187
7.9.1 ● Simulatie 8 – Faseverschuivingsoscillator 187
7.9.2 ● Simulatie 9 – De Wien Bridge-oscillator 189
7.9.3 ● Simulatie 10 – De Colpitts-oscillator 192
7.10 ● Blokgolfgeneratoren 194
7.10.1 ● Simulatie 11 – Operationele versterker blokgolfgenerator 194
7.10.2 ● Simulatie 12 – 555 geïntegreerd circuit 196

Hoofdstuk 8 ● Ontwerp en simulatie van filtercircuits

8.1 ● TINA-filters 199
8.2 ● Simulatie 1 – Ontwerpen van een 2e orde actief laagdoorlaatfilter 201
8.3 ● Simulatie 2 – Ontwerpen van een laagdoorlaat actief filter van hogere orde 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Simulatie 4 – Een actief banddoorlaatfilter ontwerpen 209
8.6 ● Simulatie 5 – Een laagdoorlaat passief filter ontwerpen 210

Hoofdstuk 9 ● Ontwerp en simulatie van digitale logische circuits

9.1 ● Digitale logische simulatie met behulp van TINA 212
9.2 ● Simulatie 1 – Eenvoudige EN-poort 212
9.3 ● Simulatie 2 – Halve opteller met poort 215
9.4 ● Simulatie 3 – 2-bits synchrone teller 216
9.5 ● Simulatie 4 – 7-segment LED-display 217
9.6 ● Simulatie 5 – 4-bits binaire teller met logische indicatoren 218
9.7 ● Simulatie 6 – 4-bits decadeteller met 7-segments display 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Simulatie 8 – 4-bits decadeteller en 7-segmentendisplay – Gebruik van een 4-bits gegevensgenerator 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Hardwarebeschrijvingstalen (HDL's) 225 gebruiken
9.11.1 ● VHDL-simulatie gebruiken in TINA om digitale schakelingen te analyseren 226
9.11.2 ● Simulatie 10 – Half optelcircuit – VHDL 226
9.11.3 ● Simulatie 11 – Tellerschakeling – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Verilog-simulatie gebruiken in TINA om digitale schakelingen te analyseren 235

Hoofdstuk 10 ● Hulpmiddel voor logisch ontwerp

Hoofdstuk 11 ● Microcontrollers simuleren

11.1 ● Overzicht 246
11.2 ● De Flowchart-editor gebruiken 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 ● Foutopsporing in stroomschema's 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● De asm-code 255 wijzigen
11.3.3 ● Debuggen van de ASM-code 256
11.4 ● C-programmering 257 gebruiken
11.4.1 ● Simulatie 4 – Teller – ATTINY13 microcontroller 258
11.4.2 ● Simulatie 5 – Verkeerslichten – ATTINY13 microcontroller 261
11.4.3 ● Simulatie 6 – LCD-teller – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulatie 7 – Stoplichtsequencer – PIC-microcontroller 266
11.4.5 ● Simulatie 8 – Knipperlicht – STM32 microcontroller 268
11.5 ● Geheugenapparaten 272
11.5.1 ● Simulatie 9 – 2-bit x 2-bit digitale vermenigvuldiger – ROM-geheugen . 272
11.5.2 ● Simulatie 10 – 4-bits binaire teller met twee hex-displays – ROM-geheugen. 275

Hoofdstuk 12 ● Ladderlogicacircuits

12.1 ● Overzicht . 278
12.2 ● Simulatie 1 – Ladderlogica met licht en motor 278
12.3 ● Ladderlogica-componenten als digitale logische componenten 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Simulatie 2 – Vergrendelend motorcircuit 281
12.4.2 ● Simulatie 3 – Motorbesturing vooruit/achteruit 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

Hoofdstuk 13 ● Switching-Mode Power Supply Circuits (SMPS)

13.1 ● Overzicht . 286
13.2 ● Simulatie 1 – TPS61031 SMPS circuit 286

Hoofdstuk 14 ● Ontwerp van printplaten (PCB's).

14.1 ● Overzicht 293
14.2 ● Bipolaire transistor multivibratorschakeling project 293
14.2.1 ● Het ontwerp 294
14.2.2 ● Simulatie 294
14.2.3 ● Controleer voetafdruknamen 295
14.2.4 ● Spanningsanalyse 297
14.2.5 ● Sla uw schema 297 op
14.2.6 ● Start het TINA PCB-programma. 298
14.2.7 ● Gerber-bestand 302
14.2.8 ● GCode NC-boorbestand 302
14.2.9 ● PCB-informatie 303
14.2.10 ● Componentenlijst 303
14.2.11 ● Netlijst 304

Hoofdstuk 15 ● PCB-ontwerptechnieken

15.1 ● Overzicht 307
15.2 ● Bussen maken in de Schematic Editor en de PCB Designer van TINA 307
15.3 ● Meerdere eenheden in hetzelfde pakket 310
15.4 ● Voeding van logische componenten 313
15.5 ● Herhalende circuitblokken (met behulp van de Copy Macro-functie) 316
15.6 ● Een tweelaags, dubbelzijdig, Surface-Mount Technology Board 320 maken
15.7 ● PCB-componenten maken 325

Hoofdstuk 16 ● Schematische symbolen en voetafdrukken maken

16.1 ● Overzicht 328
16.2 ● Voorbeeld 328
16.3 ● De IC-wizard gebruiken in Schematische symbooleditor 332
16.4 ● De Footprint-editor 335 gebruiken
16.5 ● IC-wizard in de Footprint Editor 339
16.5.1 ● Voorbeeld ontwerp 340
16.6 ● Openbare PCB-footprints toevoegen aan TINA 343
16.7 ● Publieke 3D Footprint-modellen toevoegen aan TINA 346

Hoofdstuk 17 ● TINACloud gebruiken

17.1 ● Overzicht 348
17.2 ● Beginnen met het gebruik van TINACloud 349
17.3 ● Voorbeeld simulatie 350
17.4 ● Voorbeeld printplaat ontwerp 355
17.5 ● Uw TINA-schema 357 delen

Hoofdstuk 18 ● Andere handige tools

18.1 ● Overzicht 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Stress (Rook) analyse 360
18.4 ● Controle elektrische regels (ERC) 362
18.5 ● Seriële monitor 362
18.6 ● Componentverkenner 362
18.7 ● Component 363 zoeken
18.8 ● Bescherm circuit 364
18.9 ● Exporteren 365
18.10 ● 365 importeren
18.11 ● Fourier-serie 365
18.12 ● Fourier-spectrum 367
18.13 ● Geluidsanalyse 367
18.14 ● Vermogensdissipatieanalyse 369
18.15 ● Tolk 370
18.15.1 ● Voorbeeld 1 – RLC circuit 371
18.15.2 ● Voorbeeld 2 – DC circuit 373
18.15.3 ● Voorbeeld 3 – AC circuit 374
18.15.4 ● Integralen evalueren 375
18.15.5 ● Oplossen van lineair stelsel vergelijkingen 375
18.15.6 ● Diagrammen tekenen 376
18.15.7 ● Bode-diagrammen 377
18.15.8 ● Signaaldefinitie 379
18.15.9 ● Ondersteunde functies 381
18.16 ● DC-temperatuuranalyse 382
18.17 ● De parameter extractor 382
18.18 ● Eindige-toestandmachine-editor 384

Hoofdstuk 19 ● De bibliotheekbeheerder

Hoofdstuk 20 ● In het veld programmeerbare gate-arrays (FPGA)

20.1 ● Overzicht 391
20.2 ● Programmeren van FPGA-borden met schematische ontwerpinvoer met behulp van TINA - Voorbeeld 1
391
20.3 ● Programmeren van FPGA-borden met schematische ontwerpinvoer met behulp van TINA - Voorbeeld 2
400
20.4 ● FPGA-kaarten programmeren in VHDL met TINA 404
20.5 ● FPGA-kaarten programmeren in Verilog met TINACloud 407
20.6 ● Het programma opslaan in het niet-vluchtige geheugen van de Basys 3-kaart 411
20.7 ● Secondenteller op het 7-segment 4-cijferige Basys 3 FPGA-bord met TINA met
VHDL 415
20.8 ● Drukknopteller op het 7-segment 4-cijferige Basys 3 FPGA-bord met TINA met
VHDL 428

Hoofdstuk 21 ● Aanvullende informatie

21.1 ● TINA-website 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Andere nuttige links 434
21.4 ● TINA Help-bestanden 435
● Nawoord 436
● Indexnummer 437