Simularea circuitelor cu TINA Design Suite și TINACloud

Prof. Dr. Dogan Ibrahim

În acest e-book, autorul Elektor de top, Prof. Dr. Dogan Ibrahim își propune să predea proiectarea și analiza circuitelor electrice și electronice și să dezvolte plăci PCB folosind atât TINA, cât și TINACloud. Cartea se adresează inginerilor electrici/electronici, studenților de licență în inginerie electronică/electrică de la colegii și universități tehnice, studenți postuniversitari și de cercetare, profesori și pasionați. Sunt furnizate multe exemple de simulare testate și de lucru care acoperă majoritatea domeniilor ingineriei electrice/electronice analogice și digitale. Acestea includ circuite AC și DC, diode, diode Zener, circuite tranzistoare, amplificatoare operaționale, diagrame cu scară, circuite trifazate, inductanță reciprocă, circuite redresoare, oscilatoare, circuite de filtrare active și pasive, logica digitală, VHDL, MCU, modul comutator surse de alimentare, design PCB, seria Fourier și spectru. Cititorii nu trebuie să aibă experiență de programare decât dacă doresc să simuleze circuite MCU complexe.

Cuprins:

Capitolul 1 ● Introducere

1.1 ● De ce simulare? 13
1.2 ● Simulare electronică 14
1.3 ● SPICE modelarea circuitelor electronice 15
1.4 ● Programul TINA 16
1.4.1 ● Captură schematică 17
1.4.2 ● Live 3D Breadboard Instrumentul 17
1.4.3 ● Proiectare PCB 17
1.4.4 ● Verificarea regulilor electrice (ERC) 17
1.4.5 ● Editor de simboluri schematice 18
1.4.6 ● Manager bibliotecă 18
1.4.7 ● Suport model IBIS 18
1.4.8 ● Extractor de parametri 18
1.4.9 ● Editor de text și ecuații 18
1.4.10 ● Analiza DC 19
1.4.11 ● Analiza tranzitorie 19
1.4.12 ● Convergență automată 19
1.4.13 ● Analiza zgomotului tranzitoriu 19
1.4.14 ● Analiza Fourier 19
1.4.15 ● Simulare digitală 20
1.4.16 ● Simulare HDL 20
1.4.17 ● Simularea microcontrolerului (MCU) 20
1.4.18 ● Editor de diagrame de flux și depanare 20
1.4.19 ● Analiza AC 21
1.4.20 ● Analiza rețelei 21
1.4.21 ● Analiza liniară a zgomotului AC 21
1.4.22 ● Analiza simbolică 21
1.4.23 ● Monte-Carlo și analiza cazului cel mai rău 21
1.4.24 ● Instrumentul de proiectare 21
1.4.25 ● Optimizare 22
1.4.26 ● Post-procesor 22
1.4.27 ● Prezentare 22
1.4.28 ● Modul interactiv 22
1.4.29 ● Instrumente virtuale 23
1.4.30 ● Testare și măsurători în timp real 23
1.4.31 ● Instruire și examinare 23
1.4.32 ● Extensia Mecatronică 23

Capitolul 2 ● Versiuni TINA

2.1 ● Prezentare generală 24
2.2 ● Caracteristicile versiunii 24
2.3 ● Opțiuni 27
2.4 ● Hardware suplimentar 27
2.4.1 ● LabXplorer: Instrument multifuncțional pentru educație și formare cu local și
capabilități de măsurare la distanță 27

Capitolul 3 ● Procedura de instalare TINA

3.1 ● Cerințe hardware și software 29
3.2 ● Instalare 29
3.3 ● Instalarea versiunii cheii hardware (dongle) a TINA 36
3.4 ● Autorizarea versiunii software protejate a TINA 37

Capitolul 4 ● Noțiuni introductive – Simularea circuitelor simple

4.1 ● Editorul Schematic 38
4.2 ● Simularea 1 – Rezistoare în serie și paralele 39
4.3 ● Simularea 2 – Rezistor – circuit condensator 49
4.4 ● Simularea 3 – Rezistor – circuit inductor-condensator 61
4.5 ● Simularea 4 – Consumul de energie – folosind un contor de putere 67
4.6 ● Simularea 5 – Tensiune între componente – folosind voltmetre 69
4.7 ● Simularea 6 – Curentul prin componente folosind amperimetri 70
4.8 ● Simularea 7 – Măsurarea impedanței utilizând contorul de impedanță 71
4.9 ● Simularea 8 – Măsurarea rezistenței folosind ohmetrul 73
4.10 ● Simularea 9 – Trasarea tensiunii între componente folosind o componentă osciloscop 74
4.11 ● Simularea 10 – Măsurarea frecvenței utilizând un frecvențămetru 78
4.12 ● Simularea 11 – Analiza circuitului AC I 79
4.13 ● Simulare 12 – Analiza circuitului AC II 82
4.14 ● Simulare 13 – Analiza circuitului AC III 84
4.15 ● Simularea 14 – Teorema lui Thevenin – Analiza circuitului AC 86
4.16 ● Simularea 15 – Teorema lui Norton – Analiza circuitului AC 89
4.17 ● Circuite trifazate 3
4.17.1 ● Simulare 16 – analiza circuitului conectat în stea trifazate cu sarcină rezistivă 3
4.17.2 ● Simulare 17 – Analiza circuitului conectat în stea trifazate cu rezistiv și
sarcină inductivă 95
4.18 ● Inductanța reciprocă 98
4.18.1 ● Simularea 18 – Inductanța reciprocă 99

Capitolul 5 ● Proiectarea circuitului de diode și simulare

5.1 ● Simularea 1 – Circuitul cu diode simple 102
5.2 ● Simularea 2 – Circuit redresor semiundă 103
5.3 ● Simularea 3 – Circuit redresor semiundă cu transformatorul 104
5.4 ● Simularea 4 – Circuit redresor cu undă întreagă cu transformator centrat 105
5.5 ● Simularea 5 – Circuit redresor în punte cu undă întreagă cu transformatorul 107
5.6 ● Simularea 6 – Circuitul de clemă cu diodă 109
5.7 ● Simularea 7 – Caracteristicile diodei Zener 110
5.8 ● Simularea 8 – Regulator de tensiune diodă Zener 112
5.9 ● Simularea 9 – Limitator simetric de tensiune diodă Zener 113
5.10 ● Simularea 10 – Circuitul de triplă tensiune 114

Capitolul 6 ● Proiectarea circuitului tranzistorului și simularea

6.1 ● Simularea 1 – Caracteristicile tranzistorului bipolar 118
6.2 ● Simularea 2 – Amplificator cu tranzistor cu emițător comun – Analiză 119
6.3 ● Simularea 3 – Amplificator tranzistor cu emițător comun – Proiectare 125
6.4 ● Simularea 4 – Amplificator cu tranzistor cu emițător comun cu mai multe etape – Utilizarea subcircuitelor în TINA 127
6.5 ● Lista de net 131
6.6 ● Simularea 5 – Tranzistor BJT Oscilator Colpitts 132
6.7 ● Tranzistorul ca o rețea cu două porturi 136
6.7.1 ● Parametrii tranzistorului h 139
6.8 ● Simularea 6 – Amplificator sursă comună tranzistor JFET 142
6.9 ● Simularea 7 – Curbele caracteristice tranzistorului JFET 146
6.10 ● Simularea 8 – Comutator tranzistor BJT 147
6.11 ● Tiristoare și triacuri 149
6.11.1 ● Simularea 9 – Controlul fazei tiristorului 149
6.11.2 ● Simularea 10 – Controlul fazei triac 151
6.12 ● Amplificatoare de putere audio 153
6.12.1 ● Simularea 11 – Amplificator de putere audio clasa AB 154

Capitolul 7 ● Proiectarea și simularea circuitului amplificatorului operațional

7.1 ● Caracteristici cheie 161
7.2 ● Circuite amplificatoare operaționale 162
7.2.1 ● Amplificator inversor 163
7.2.1 ● Amplificator inversor 163
7.2.2 ● Amplificator neinversător 163
7.2.3 ● Următorul de tensiune 164
7.2.4 ● Amplificator suplimentar de tensiune 165
7.2.5 ● Scădere tensiune 166
7.2.6 ● Integrator de tensiune 167
7.2.7 ● Diferențiator de tensiune 168
7.2.8 ● Convertor curent-tensiune 169
7.3 ● Simularea 1 – Amplificator inversor 171
7.4 ● Simularea 2 – Amplificator de însumare 174
7.5 ● Simularea 3 – Amplificator integrator de tensiune 175
7.6 ● Simularea 4 – Circuit redresor semiundă 176
7.7 ● Instrumentul de proiectare 178
7.7.1 ● Simularea 5 – Exemplu de proiectare 178
7.8 ● Optimizare 180
7.8.1 ● Simularea 6 – Exemplu de proiectare – circuit AC 183
7.8.2 ● Simularea 7 – Exemplu de proiectare – circuit DC 185
7.9 ● Oscilatoare sinusoidale . 187
7.9.1 ● Simularea 8 – Oscilator de defazare 187
7.9.2 ● Simularea 9 – Oscilatorul Wien Bridge 189
7.9.3 ● Simularea 10 – Oscilatorul Colpitts 192
7.10 ● Generatoare de unde pătrate 194
7.10.1 ● Simularea 11 – Generator de undă pătrată amplificator operațional 194
7.10.2 ● Simulare 12 – 555 circuit integrat 196

Capitolul 8 ● Proiectarea circuitului de filtrare și simulare

8.1 ● Filtre TINA 199
8.2 ● Simularea 1 – Proiectarea unui filtru activ trece jos de ordinul 2 201
8.3 ● Simularea 2 – Proiectarea unui filtru activ trece-jos de ordin superior 206
8.4 ● Simularea 3 – Proiectarea unui filtru activ de trecere înaltă 207
8.5 ● Simularea 4 – Proiectarea unui filtru activ trece bandă 209
8.6 ● Simularea 5 – Proiectarea unui filtru pasiv trece-jos 210

Capitolul 9 ● Proiectarea și simularea circuitelor logice digitale

9.1 ● Simulare logică digitală folosind TINA 212
9.2 ● Simularea 1 – Poarta ȘI simplă 212
9.3 ● Simularea 2 – Jumătate sumator folosind porțile 215
9.4 ● Simulare 3 – contor sincron pe 2 biți 216
9.5 ● Simulare 4 – Afișaj LED cu 7 segmente 217
9.6 ● Simulare 5 – contor binar pe 4 biți cu indicatori logici 218
9.7 ● Simulare 6 – numărător de decenii de 4 biți cu afișaj cu 7 segmente 219
9.8 ● Simulare 7 – contor deceniu de 8 biți cu două afișaje cu 7 segmente 220
9.9 ● Simulare 8 – numărător de decenii pe 4 biți și afișaj cu 7 segmente – Utilizarea unui generator de date pe 4 biți 221
9.10 ● Simulare 9 – Crearea unui adunator complet – folosind o MACRO 223
9.11 ● Utilizarea limbajelor de descriere hardware (HDL) 225
9.11.1 ● Utilizarea simulării VHDL în TINA pentru a analiza circuite digitale 226
9.11.2 ● Simularea 10 – Circuitul semi-adunator – VHDL 226
9.11.3 ● Simulare 11 – Circuit de contor – VHDL 230
9.11.4 ● Depanatorul VHDL 233
9.12 ● Utilizarea simulării Verilog în TINA pentru a analiza circuitele digitale 235

Capitolul 10 ● Instrument de proiectare logică

Capitolul 11 ● Simularea microcontrolerelor

11.1 ● Prezentare generală 246
11.2 ● Utilizarea editorului de diagrame de flux 246
11.2.1 ● Simularea 1 – 2 LED-uri care clipesc alternativ – microcontroler seria PIC 246
11.2.2 ● Simulare 2 – Contor sus/jos pe 4 biți cu afișaj hex – microcontroler seria PIC 249
11.2.3 ● Depanare diagramă de flux 252
11.3 ● Utilizarea programării ansamblului 253
11.3.1 ● Simularea 3 – Contor – microcontroler seria PIC 253
11.3.2 ● Modificarea codului asm 255
11.3.3 ● Depanarea codului ASM 256
11.4 ● Utilizarea programării C 257
11.4.1 ● Simulare 4 – Contor – microcontroler ATTINY13 258
11.4.2 ● Simularea 5 – Semafoare – microcontroler ATTINY13 261
11.4.3 ● Simularea 6 – Contor LCD – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simularea 7 – Sequencer semafor – microcontroler PIC 266
11.4.5 ● Simulare 8 – Lumină intermitentă – microcontroler STM32 268
11.5 ● Dispozitive de memorie 272
11.5.1 ● Simulare 9 – multiplicator digital de 2 biți x 2 biți – memorie ROM . 272
11.5.2 ● Simulare 10 – contor binar pe 4 biți cu două afișaje hexadecimale – memorie ROM . 275

Capitolul 12 ● Circuite logice ladder

12.1 ● Prezentare generală . 278
12.2 ● Simularea 1 – Logica scară cu lumină și motor 278
12.3 ● Componente logice ladder ca componente logice digitale 279
12.4 ● Circuitul de blocare 281
12.4.1 ● Simularea 2 – Circuitul motorului de blocare 281
12.4.2 ● Simularea 3 – Comandă motor înainte/înapoi 283
12.4.3 ● Simularea 4 – Controlerul benzii transportoare 284

Capitolul 13 ● Circuite de alimentare în mod comutator (SMPS)

13.1 ● Prezentare generală . 286
13.2 ● Simularea 1 – TPS61031 SMPS circuit 286

Capitolul 14 ● Proiectarea plăcii de circuite imprimate (PCB).

14.1 ● Prezentare generală 293
14.2 ● Proiectul circuitului multivibrator cu tranzistor bipolar 293
14.2.1 ● Proiectarea 294
14.2.2 ● Simulare 294
14.2.3 ● Verificați numele amprentei 295
14.2.4 ● Analiza stresului 297
14.2.5 ● Salvați schema 297
14.2.6 ● Pornirea programului TINA PCB . 298
14.2.7 ● Fișierul Gerber 302
14.2.8 ● Fișier de foraj GCode NC 302
14.2.9 ● Informații PCB 303
14.2.10 ● Lista componentelor 303
14.2.11 ● Netlist 304

Capitolul 15 ● Tehnici de proiectare PCB

15.1 ● Prezentare generală 307
15.2 ● Crearea magistralelor în Editorul Schematic și Proiectantul PCB al TINA 307
15.3 ● Unități multiple în același pachet 310
15.4 ● Alimentarea componentelor logice 313
15.5 ● Repetarea blocurilor de circuite (folosind funcția Copiere macro) 316
15.6 ● Crearea unei plăci tehnologice cu două straturi, cu două fețe, montate la suprafață 320
15.7 ● Crearea componentelor PCB 325

Capitolul 16 ● Realizarea de simboluri și amprente schematice

16.1 ● Prezentare generală 328
16.2 ● Exemplul 328
16.3 ● Utilizarea vrăjitorului IC în editorul de simboluri schematice 332
16.4 ● Utilizarea editorului Footprint 335
16.5 ● IC Wizard în Footprint Editor 339
16.5.1 ● Exemplu de proiectare 340
16.6 ● Adăugarea amprentelor PCB publice la TINA 343
16.7 ● Adăugarea modelelor de amprentă 3D publică la TINA 346

Capitolul 17 ● Utilizarea TINACloud

17.1 ● Prezentare generală 348
17.2 ● Începerea utilizării TINACloud 349
17.3 ● Exemplu de simulare 350
17.4 ● Exemplu de proiectare PCB 355
17.5 ● Partajarea schemei dvs. TINA 357

Capitolul 18 ● Alte instrumente utile

18.1 ● Prezentare generală 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Analiza stresului (fumului) 360
18.4 ● Verificarea regulilor electrice (ERC) 362
18.5 ● Monitor serial 362
18.6 ● Explorator de componente 362
18.7 ● Găsiți componenta 363
18.8 ● Protejați circuitul 364
18.9 ● Export 365
18.10 ● Import 365
18.11 ● Seria Fourier 365
18.12 ● Spectrul Fourier 367
18.13 ● Analiza zgomotului 367
18.14 ● Analiza disipării puterii 369
18.15 ● Interpret 370
18.15.1 ● Exemplul 1 – circuitul RLC 371
18.15.2 ● Exemplul 2 – circuit DC 373
18.15.3 ● Exemplul 3 – circuitul AC 374
18.15.4 ● Evaluarea integralelor 375
18.15.5 ● Rezolvarea sistemului liniar de ecuații 375
18.15.6 ● Desenarea diagramelor 376
18.15.7 ● Diagramele Bode 377
18.15.8 ● Definirea semnalului 379
18.15.9 ● Funcții acceptate 381
18.16 ● Analiza temperaturii DC 382
18.17 ● Extractorul de parametri 382
18.18 ● Editor de mașini cu stări finite 384

Capitolul 19 ● Managerul bibliotecii

Capitolul 20 ● Rețele de porți programabile în câmp (FPGA)

20.1 ● Prezentare generală 391
20.2 ● Programarea plăcilor FPGA cu intrare de proiectare schematică folosind TINA – Exemplul 1
391
20.3 ● Programarea plăcilor FPGA cu intrare de proiectare schematică folosind TINA – Exemplul 2
400
20.4 ● Programarea plăcilor FPGA în VHDL cu TINA 404
20.5 ● Programarea plăcilor FPGA în Verilog cu TINACloud 407
20.6 ● Stocarea programului în memoria nevolatilă a plăcii Basys 3 411
20.7 ● Contor de secunde pe placa FPGA Basys 7 cu 4 segmente și 3 cifre folosind TINA cu
VHDL 415
20.8 ● Contor de butoane pe placa FPGA Basys 7 cu 4 segmente și 3 cifre folosind TINA cu
VHDL 428