Symulacja obwodu za pomocą TINA Design Suite i TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

W tym e-book, najlepiej sprzedający się autor Elektora, prof. dr Dogan Ibrahim, ma na celu uczyć projektowania i analizy obwodów elektrycznych i elektronicznych oraz opracowywać płytki PCB przy użyciu zarówno TINA, jak i TINACloud. Książka jest skierowana do inżynierów elektryków/elektroników, studentów studiów licencjackich z zakresu elektroniki/elektrotechniki na uczelniach technicznych, studentów studiów podyplomowych i badawczych, nauczycieli i hobbystów. Dostępnych jest wiele przetestowanych i działających przykładów symulacji obejmujących większość dziedzin analogowej i cyfrowej inżynierii elektrycznej/elektronicznej. Obejmują one obwody prądu przemiennego i stałego, diody, diody Zenera, obwody tranzystorowe, wzmacniacze operacyjne, schematy drabinkowe, obwody 3-fazowe, indukcyjność wzajemną, obwody prostownika, oscylatory, aktywne i pasywne obwody filtrów, logikę cyfrową, VHDL, MCU, tryby przełączania zasilacze, projektowanie PCB, szereg Fouriera i widmo. Czytelnicy nie muszą mieć żadnego doświadczenia w programowaniu, chyba że chcą symulować złożone obwody MCU.

Spis treści:

Rozdział 1 ● Wprowadzenie

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Symulacja elektroniczna 14
1.3 ● SPICE modelling of electronic circuits 15
1.4 ● Program TINA 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Na żywo 3D Breadboard Tool 17
1.4.3 ● Projekt PCB 17
1.4.4 ● Kontrola przepisów elektrycznych (ERC) 17
1.4.5 ● Schematyczny edytor symboli 18
1.4.6 ● Menedżer bibliotek 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Edytor tekstu i równań 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Analiza przejściowa 19
1.4.12 ● Automatyczna zbieżność 19
1.4.13 ● Analiza szumów przejściowych 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● Symulacja HDL 20
1.4.17 ● Symulacja mikrokontrolera (MCU) 20
1.4.18 ● Edytor schematów blokowych i debuger 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Analiza symboliczna 21
1.4.23 ● Monte-Carlo i analiza najgorszego przypadku 21
1.4.24 ● Narzędzie do projektowania 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Postprocesor 22
1.4.27 ● Prezentacja 22
1.4.28 ● Tryb interaktywny 22
1.4.29 ● Instrumenty wirtualne 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Szkolenie i egzamin 23
1.4.32 ● Rozszerzenie mechatroniki 23

Rozdział 2 ● Wersje TINA

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Cechy wersji 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Wielofunkcyjne urządzenie do edukacji i szkoleń z lokalnymi i
możliwość zdalnego pomiaru 27

Rozdział 3 ● Procedura instalacji TINA

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Instalacja 29
3.3 ● Instalowanie wersji klucza sprzętowego (klucz sprzętowy) TINA 36
3.4 ● Autoryzacja chronionej programowo wersji TINA 37

Rozdział 4 ● Pierwsze kroki – Symulacja prostych obwodów

4.1 ● Edytor schematów 38
4.2 ● Symulacja 1 – Rezystory szeregowe i równoległe 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Symulacja 3 – Rezystor – obwód indukcyjno-kondensatorowy 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Symulacja 5 – Napięcie między elementami – za pomocą woltomierzy 69
4.7 ● Symulacja 6 – Prąd płynący przez komponenty za pomocą amperomierzy 70
4.8 ● Symulacja 7 – Pomiar impedancji za pomocą Impedance Meter 71
4.9 ● Symulacja 8 – Pomiar rezystancji za pomocą omomierza 73
4.10 ● Symulacja 9 – Wykreślanie napięcia między komponentami za pomocą komponentu oscyloskopu 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Symulacja 12 – Analiza obwodu AC II 82
4.14 ● Symulacja 13 – Analiza obwodu AC III 84
4.15 ● Symulacja 14 – Twierdzenie Thevenina – Analiza obwodu AC 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● Obwody 3-fazowe 92
4.17.1 ● Symulacja 16 – analiza trójfazowego obwodu połączonego w gwiazdę z obciążeniem rezystancyjnym 3
4.17.2 ● Symulacja 17 – Analiza obwodu 3-fazowego połączonego w gwiazdę z rezystancją i
obciążenie indukcyjne 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Symulacja 18 – Indukcyjność wzajemna 99

Rozdział 5 ● Projektowanie i symulacja obwodu diodowego

5.1 ● Symulacja 1 – Prosty obwód diodowy 102
5.2 ● Symulacja 2 – Obwód prostownika jednopołówkowego 103
5.3 ● Symulacja 3 – Obwód prostownika jednopołówkowego z transformatorem 104
5.4 ● Symulacja 4 – Obwód prostownika pełnookresowego z transformatorem 105 z centralnym zaczepem
5.5 ● Symulacja 5 – Obwód pełnookresowego prostownika mostkowego z transformatorem 107
5.6 ● Symulacja 6 – Obwód cęgowy diody 109
5.7 ● Symulacja 7 – Charakterystyka diody Zenera 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Symulacja 10 – Obwód potrojenia napięcia 114

Rozdział 6 ● Projektowanie i symulacja obwodów tranzystorowych

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 ● Symulacja 4 – Wielostopniowy wzmacniacz tranzystorowy ze wspólnym emiterem – Wykorzystanie podukładów w TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Symulacja 5 – tranzystor BJT oscylator Colpittsa 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Symulacja 6 – tranzystorowy wzmacniacz wspólnego źródła JFET 142
6.9 ● Symulacja 7 – Charakterystyki tranzystora JFET 146
6.10 ● Symulacja 8 – Przełącznik tranzystorowy BJT 147
6.11 ● Tyrystory i triaki 149
6.11.1 ● Symulacja 9 – Sterowanie fazą tyrystora 149
6.11.2 ● Symulacja 10 – Sterowanie fazą triaka 151
6.12 ● Wzmacniacze mocy audio 153
6.12.1 ● Symulacja 11 – Wzmacniacz mocy audio klasy AB 154

Rozdział 7 ● Projektowanie i symulacja obwodu wzmacniacza operacyjnego

7.1 ● Kluczowe cechy 161
7.2 ● Obwody wzmacniacza operacyjnego 162
7.2.1 ● Wzmacniacz odwracający 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Wzmacniacz nieodwracający 163
7.2.3 ● Wtórnik napięcia 164
7.2.4 ● Wzmacniacz sumujący napięcie 165
7.2.5 ● Odejmowanie napięcia 166
7.2.6 ● Integrator napięcia 167
7.2.7 ● Wyróżnik napięcia 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Symulacja 1 – Wzmacniacz odwracający 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Symulacja 3 – Wzmacniacz całkujący napięcie 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● Narzędzie do projektowania 178
7.7.1 ● Symulacja 5 – Przykładowy projekt 178
7.8 ● Optymalizacja 180
7.8.1 ● Symulacja 6 – Przykładowy projekt – obwód AC 183
7.8.2 ● Symulacja 7 – Przykładowy projekt – obwód prądu stałego 185
7.9 ● Oscylatory sinusoidalne . 187
7.9.1 ● Symulacja 8 – Oscylator z przesunięciem fazowym 187
7.9.2 ● Symulacja 9 – Oscylator mostu wiedeńskiego 189
7.9.3 ● Symulacja 10 – Oscylator Colpittsa 192
7.10 ● Generatory fali prostokątnej 194
7.10.1 ● Symulacja 11 – Wzmacniacz operacyjny generator fali prostokątnej 194
7.10.2 ● Symulacja 12 – układ scalony 555 196

Rozdział 8 ● Projektowanie i symulacja obwodów filtrów

8.1 ● Filtry TINA 199
8.2 ● Symulacja 1 – Projektowanie dolnoprzepustowego aktywnego filtra drugiego rzędu 2
8.3 ● Symulacja 2 – Projektowanie dolnoprzepustowego filtra aktywnego wyższego rzędu 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Symulacja 4 – Projektowanie aktywnego filtra środkowoprzepustowego 209
8.6 ● Symulacja 5 – Projektowanie dolnoprzepustowego filtra pasywnego 210

Rozdział 9 ● Projektowanie i symulacja cyfrowych układów logicznych

9.1 ● Cyfrowa symulacja logiki przy użyciu TINA 212
9.2 ● Symulacja 1 – Prosta bramka AND 212
9.3 ● Symulacja 2 – Pół sumator z wykorzystaniem bramek 215
9.4 ● Symulacja 3 – 2-bitowy licznik synchroniczny 216
9.5 ● Symulacja 4 – 7-segmentowy wyświetlacz LED 217
9.6 ● Symulacja 5 – 4-bitowy licznik binarny ze wskaźnikami logicznymi 218
9.7 ● Symulacja 6 – 4-bitowy licznik dekad z wyświetlaczem 7-segmentowym 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Symulacja 8 – 4-bitowy licznik dekad i 7-segmentowy wyświetlacz – Korzystanie z 4-bitowego generatora danych 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Korzystanie z języków opisu sprzętu (HDL) 225
9.11.1 ● Wykorzystanie symulacji VHDL w TINA do analizy obwodów cyfrowych 226
9.11.2 ● Symulacja 10 – Obwód sumatora – VHDL 226
9.11.3 ● Symulacja 11 – Obwód licznika – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Wykorzystanie symulacji Verilog w TINA do analizy obwodów cyfrowych 235

Rozdział 10 ● Narzędzie do projektowania logiki

Rozdział 11 ● Symulacja mikrokontrolerów

11.1 ● Przegląd 246
11.2 ● Korzystanie z edytora schematów blokowych 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 ● Debugowanie schematu blokowego 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● Modyfikacja kodu asm 255
11.3.3 ● Debugowanie kodu ASM 256
11.4 ● Korzystanie z programowania C 257
11.4.1 ● Symulacja 4 – Licznik – mikrokontroler ATTINY13 258
11.4.2 ● Symulacja 5 – Sygnalizacja świetlna – mikrokontroler ATTINY13 261
11.4.3 ● Symulacja 6 – licznik LCD – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Symulacja 7 – Sekwencja sygnalizacji świetlnej – mikrokontroler PIC 266
11.4.5 ● Symulacja 8 – Migające światło – mikrokontroler STM32 268
11.5 ● Urządzenia pamięci 272
11.5.1 ● Symulacja 9 – 2-bitowy x 2-bitowy mnożnik cyfrowy – pamięć ROM . 272
11.5.2 ● Symulacja 10 – 4-bitowy licznik binarny z dwoma wyświetlaczami heksadecymalnymi – pamięć ROM. 275

Rozdział 12 ● Obwody z logiką drabinkową

12.1 ● Przegląd . 278
12.2 ● Symulacja 1 – Układ drabinkowy ze światłem i silnikiem 278
12.3 ● Elementy logiki drabinkowej jako elementy logiki cyfrowej 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Symulacja 2 – Obwód silnika zatrzaskowego 281
12.4.2 ● Symulacja 3 – Sterowanie silnikiem do przodu/do tyłu 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

Rozdział 13 ● Obwody zasilaczy impulsowych (SMPS)

13.1 ● Przegląd . 286
13.2 ● Symulacja 1 – TPS61031 Obwód SMPS 286

Rozdział 14 ● Projektowanie płytki drukowanej (PCB).

14.1 ● Przegląd 293
14.2 ● Obwód multiwibratora z tranzystorem bipolarnym projekt 293
14.2.1 ● Projekt 294
14.2.2 ● Symulacja 294
14.2.3 ● Sprawdź nazwy footprintów 295
14.2.4 ● Analiza naprężeń 297
14.2.5 ● Zapisz swój schemat 297
14.2.6 ● Uruchom program TINA PCB. 298
14.2.7 ● Plik Gerbera 302
14.2.8 ● Plik wiertniczy GCode NC 302
14.2.9 ● Informacje o PCB 303
14.2.10 ● Lista komponentów 303
14.2.11 ● Lista sieci 304

Rozdział 15 ● Techniki projektowania PCB

15.1 ● Przegląd 307
15.2 ● Tworzenie magistrali w Edytorze Schematów i Projektancie PCB TINA 307
15.3 ● Wiele jednostek w tym samym pakiecie 310
15.4 ● Zasilanie elementów logicznych 313
15.5 ● Powtarzające się bloki obwodów (za pomocą funkcji Kopiuj makro) 316
15.6 ● Tworzenie dwuwarstwowej, dwustronnej płytki technologicznej do montażu powierzchniowego 320
15.7 ● Tworzenie komponentów PCB 325

Rozdział 16 ● Tworzenie schematycznych symboli i śladów

16.1 ● Przegląd 328
16.2 ● Przykład 328
16.3 ● Korzystanie z kreatora układów scalonych w edytorze symboli schematu 332
16.4 ● Korzystanie z edytora Footprint 335
16.5 ● IC Wizard w Footprint Editor 339
16.5.1 ● Przykładowy projekt 340
16.6 ● Dodawanie publicznych śladów PCB do TINA 343
16.7 ● Dodawanie publicznych modeli 3D Footprint do TINA 346

Rozdział 17 ● Korzystanie z TINACloud

17.1 ● Przegląd 348
17.2 ● Rozpoczęcie korzystania z TINACloud 349
17.3 ● Przykładowa symulacja 350
17.4 ● Przykładowy projekt PCB 355
17.5 ● Udostępnianie schematu TINA 357

Rozdział 18 ● Inne przydatne narzędzia

18.1 ● Przegląd 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Analiza stresu (dymu) 360
18.4 ● Kontrola przepisów elektrycznych (ERC) 362
18.5 ● Monitor szeregowy 362
18.6 ● Eksplorator komponentów 362
18.7 ● Znajdź komponent 363
18.8 ● Zabezpiecz obwód 364
18.9 ● Eksportuj 365
18.10 ● Importuj 365
18.11 ● Szereg Fouriera 365
18.12 ● Widmo Fouriera 367
18.13 ● Analiza hałasu 367
18.14 ● Analiza strat mocy 369
18.15 ● Tłumacz ustny 370
18.15.1 ● Przykład 1 – obwód RLC 371
18.15.2 ● Przykład 2 – obwód DC 373
18.15.3 ● Przykład 3 – obwód AC 374
18.15.4 ● Obliczanie całek 375
18.15.5 ● Rozwiązywanie liniowego układu równań 375
18.15.6 ● Rysowanie diagramów 376
18.15.7 ● Diagramy Bodego 377
18.15.8 ● Definicja sygnału 379
18.15.9 ● Obsługiwane funkcje 381
18.16 ● Analiza temperatury prądu stałego 382
18.17 ● Ekstraktor parametrów 382
18.18 ● Edytor maszyny skończonej 384

Rozdział 19 ● Menedżer biblioteki

Rozdział 20 ● Programowalne przez użytkownika macierze bramek (FPGA)

20.1 ● Przegląd 391
20.2 ● Programowanie płytek FPGA z wpisem projektu schematu przy użyciu TINA – przykład 1
391
20.3 ● Programowanie płytek FPGA z wpisem projektu schematu przy użyciu TINA – przykład 2
400
20.4 ● Programowanie płytek FPGA w VHDL z TINA 404
20.5 ● Programowanie płytek FPGA w Verilog z TINACloud 407
20.6 ● Zapisanie programu w pamięci nieulotnej płyty Basys 3 411
20.7 ● Licznik sekund na 7-segmentowej 4-cyfrowej płytce Basys 3 FPGA za pomocą TINA z
VHDL415
20.8 ● Licznik przycisków na 7-segmentowej 4-cyfrowej płytce Basys 3 FPGA za pomocą TINA z
VHDL428

Rozdział 21 ● Informacje dodatkowe

21.1 ● Witryna TINA 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Inne przydatne linki 434
21.4 ● Pliki pomocy TINA 435
● Epilog 436
● Indeks 437