Simulácia obvodov s TINA Design Suite a TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

V tejto e-knihy, najpredávanejší autor Elektor, Prof. Dr. Dogan Ibrahim sa zameriava na výučbu dizajnu a analýzy elektrických a elektronických obvodov a vývoj dosiek plošných spojov pomocou TINA a TINACloud. Kniha je určená elektrotechnikom/elektronickým inžinierom, vysokoškolským študentom elektroniky/elektrotechniky na technických vysokých školách a univerzitách, študentom postgraduálneho štúdia a výskumu, učiteľom a nadšencom. Je poskytnutých veľa testovaných a funkčných simulačných príkladov pokrývajúcich väčšinu oblastí analógového a digitálneho elektrotechnického/elektronického inžinierstva. Patria sem striedavé a jednosmerné obvody, diódy, zenerove diódy, tranzistorové obvody, operačné zosilňovače, rebríkové schémy, 3-fázové obvody, vzájomná indukčnosť, usmerňovacie obvody, oscilátory, aktívne a pasívne filtračné obvody, digitálna logika, VHDL, MCU, spínaný režim napájacie zdroje, návrh DPS, Fourierov rad a spektrum. Čitatelia nemusia mať žiadne skúsenosti s programovaním, pokiaľ nechcú simulovať zložité obvody MCU.

Obsah:

Kapitola 1 ● Úvod

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Elektronická simulácia 14
1.3 ● SPICE modelling of electronic circuits 15
1.4 ● Program TINA 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Živé 3D Breadboard Tool 17
1.4.3 ● Návrh DPS 17
1.4.4 ● Kontrola elektrických pravidiel (ERC) 17
1.4.5 ● Editor schematických symbolov 18
1.4.6 ● Správca knižnice 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Textový editor a editor rovníc 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Analýza prechodných javov 19
1.4.12 ● Automatická konvergencia 19
1.4.13 ● Analýza prechodového šumu 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● Simulácia HDL 20
1.4.17 ● Simulácia mikrokontroléra (MCU) 20
1.4.18 ● Editor vývojových diagramov a ladiaci program 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Symbolická analýza 21
1.4.23 ● Monte-Carlo a analýza najhoršieho prípadu 21
1.4.24 ● Nástroj na návrh 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Postprocesor 22
1.4.27 ● Prezentácia 22
1.4.28 ● Interaktívny režim 22
1.4.29 ● Virtuálne nástroje 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Školenie a skúška 23
1.4.32 ● Nadstavba mechatroniky 23

Kapitola 2 ● Verzie TINA

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Funkcie verzie 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Multifunkčný nástroj pre vzdelávanie a školenie s miestnymi a
možnosti diaľkového merania 27

Kapitola 3 ● Postup inštalácie TINA

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Inštalácia 29
3.3 ● Inštalácia hardvérového kľúča (dongle) verzie TINA 36
3.4 ● Autorizácia softvérovo chránenej verzie TINA 37

Kapitola 4 ● Začíname – Simulácia jednoduchých obvodov

4.1 ● Editor schém 38
4.2 ● Simulácia 1 – Sériové a paralelné odpory 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Simulácia 3 – Rezistor – obvod tlmivka-kondenzátor 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Simulácia 5 – Napätie medzi komponentmi – pomocou voltmetrov 69
4.7 ● Simulácia 6 – Prúd cez komponenty pomocou ampérmetrov 70
4.8 ● Simulácia 7 – Meranie impedancie pomocou merača impedancie 71
4.9 ● Simulácia 8 – Meranie odporu pomocou Ohmmetra 73
4.10 ● Simulácia 9 – Zakreslenie napätia medzi komponentmi pomocou komponentu osciloskopu 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Simulácia 12 – Analýza AC obvodu II 82
4.14 ● Simulácia 13 – Analýza AC obvodu III 84
4.15 ● Simulácia 14 – Theveninova veta – Analýza striedavého obvodu 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● 3-fázové obvody 92
4.17.1 ● Simulácia 16 – 3-fázová analýza obvodu zapojeného do hviezdy s odporovou záťažou 93
4.17.2 ● Simulácia 17 – analýza 3-fázových hviezdicových obvodov s odporovými a
indukčná záťaž 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Simulácia 18 – Vzájomná indukčnosť 99

Kapitola 5 ● Návrh a simulácia diódového obvodu

5.1 ● Simulácia 1 – Jednoduchý obvod diódy 102
5.2 ● Simulácia 2 – Polvlnový obvod usmerňovača 103
5.3 ● Simulácia 3 – Polvlnový obvod usmerňovača s transformátorom 104
5.4 ● Simulácia 4 – Celovlnný obvod usmerňovača s transformátorom so stredovou odbočkou 105
5.5 ● Simulácia 5 – Obvod celovlnného mostíkového usmerňovača s transformátorom 107
5.6 ● Simulácia 6 – Obvod diódovej svorky 109
5.7 ● Simulácia 7 – Charakteristika Zenerovej diódy 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Simulácia 10 – Obvod tripleru napätia 114

Kapitola 6 ● Návrh a simulácia tranzistorového obvodu

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 ● Simulácia 4 – Viacstupňový tranzistorový zosilňovač so spoločným emitorom – Použitie podobvodov v TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Simulácia 5 – BJT tranzistor Colpitts oscilátor 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Simulácia 6 – JFET tranzistorový zosilňovač spoločného zdroja 142
6.9 ● Simulácia 7 – Charakteristické krivky tranzistora JFET 146
6.10 ● Simulácia 8 – BJT Tranzistorový spínač 147
6.11 ● Tyristory a triaky 149
6.11.1 ● Simulácia 9 – Tyristorové fázové riadenie 149
6.11.2 ● Simulácia 10 – Riadenie fázy triaku 151
6.12 ● Zosilňovače zvuku 153
6.12.1 ● Simulácia 11 – zosilňovač zvuku triedy AB 154

Kapitola 7 ● Návrh a simulácia obvodu operačného zosilňovača

7.1 ● Kľúčové vlastnosti 161
7.2 ● Obvody operačného zosilňovača 162
7.2.1 ● Invertujúci zosilňovač 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Neinvertujúci zosilňovač 163
7.2.3 ● Napäťový sledovač 164
7.2.4 ● Zosilňovač sčítačky napätia 165
7.2.5 ● Odčítač napätia 166
7.2.6 ● Integrátor napätia 167
7.2.7 ● Diferenciátor napätia 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Simulácia 1 – Invertujúci zosilňovač 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Simulácia 3 – Napäťový integračný zosilňovač 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● Nástroj na návrh 178
7.7.1 ● Simulácia 5 – vzorový návrh 178
7.8 ● Optimalizácia 180
7.8.1 ● Simulácia 6 – Príklad návrhu – striedavý obvod 183
7.8.2 ● Simulácia 7 – Príklad návrhu – obvod jednosmerného prúdu 185
7.9 ● Sínusové oscilátory . 187
7.9.1 ● Simulácia 8 – Oscilátor fázového posunu 187
7.9.2 ● Simulácia 9 – oscilátor Wien Bridge 189
7.9.3 ● Simulácia 10 – Colpittov oscilátor 192
7.10 ● Generátory štvorcových vĺn 194
7.10.1 ● Simulácia 11 – Generátor štvorcových vĺn operačného zosilňovača 194
7.10.2 ● Simulácia 12 – 555 integrovaný obvod 196

Kapitola 8 ● Návrh a simulácia filtračného okruhu

8.1 ● Filtre TINA 199
8.2 ● Simulácia 1 – Návrh dolnopriepustného aktívneho filtra 2. rádu 201
8.3 ● Simulácia 2 – Návrh dolnopriepustného aktívneho filtra vyššieho rádu 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Simulácia 4 – Návrh aktívneho pásmového filtra 209
8.6 ● Simulácia 5 – Návrh dolnopriepustného pasívneho filtra 210

Kapitola 9 ● Návrh a simulácia digitálneho logického obvodu

9.1 ● Digitálna logická simulácia pomocou TINA 212
9.2 ● Simulácia 1 – jednoduché AND hradlo 212
9.3 ● Simulácia 2 – Polovičná sčítačka pomocou brán 215
9.4 ● Simulačný 3 – 2-bitový synchrónny čítač 216
9.5 ● Simulačný 4 – 7-segmentový LED displej 217
9.6 ● Simulačný 5 – 4-bitový binárny čítač s logickými indikátormi 218
9.7 ● Simulačné 6 – 4-bitové počítadlo dekády so 7-segmentovým displejom 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Simulácia 8 – 4-bitové počítadlo dekád a 7-segmentový displej – Použitie 4-bitového generátora údajov 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Používanie jazykov popisu hardvéru (HDL) 225
9.11.1 ● Použitie simulácie VHDL v TINA na analýzu digitálnych obvodov 226
9.11.2 ● Simulácia 10 – Obvod polovičnej sčítačky – VHDL 226
9.11.3 ● Simulácia 11 – Obvod počítadla – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Použitie simulácie Verilog v TINA na analýzu digitálnych obvodov 235

Kapitola 10 ● Nástroj na návrh logiky

Kapitola 11 ● Simulácia mikrokontrolérov

11.1 ● Prehľad 246
11.2 ● Používanie editora vývojových diagramov 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 ● Ladenie vývojového diagramu 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● Úprava kódu asm 255
11.3.3 ● Ladenie kódu ASM 256
11.4 ● Používanie programovania v jazyku C 257
11.4.1 ● Simulácia 4 – Počítadlo – mikrokontrolér ATTINY13 258
11.4.2 ● Simulácia 5 – Semafor – mikrokontrolér ATTINY13 261
11.4.3 ● Simulácia 6 – LCD počítadlo – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulácia 7 – Semaforový sekvencer – mikrokontrolér PIC 266
11.4.5 ● Simulácia 8 – blikajúce svetlo – mikrokontrolér STM32 268
11.5 ● Pamäťové zariadenia 272
11.5.1 ● Simulácia 9 – 2-bitový x 2-bitový digitálny multiplikátor – pamäť ROM . 272
11.5.2 ● Simulačný 10 – 4-bitový binárny čítač s dvomi hex displejmi – pamäť ROM . 275

Kapitola 12 ● Obvody rebríkovej logiky

12.1 ● Prehľad . 278
12.2 ● Simulácia 1 – Rebríková logika so svetlom a motorom 278
12.3 ● Komponenty rebríkovej logiky ako komponenty digitálnej logiky 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Simulácia 2 – Blokovací obvod motora 281
12.4.2 ● Simulácia 3 – ovládanie motora vpred/vzad 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

Kapitola 13 ● Spínané napájacie obvody (SMPS)

13.1 ● Prehľad . 286
13.2 ● Simulácia 1 – obvod SMPS TPS61031 286

Kapitola 14 ● Návrh dosky plošných spojov (PCB).

14.1 ● Prehľad 293
14.2 ● Projekt 293 obvodu multivibrátora s bipolárnym tranzistorom
14.2.1 ● Dizajn 294
14.2.2 ● Simulácia 294
14.2.3 ● Skontrolujte názvy footprintov 295
14.2.4 ● Analýza napätia 297
14.2.5 ● Uložte si schému 297
14.2.6 ● Spustite program TINA PCB. 298
14.2.7 ● Súbor Gerber 302
14.2.8 ● GCode NC vŕtací súbor 302
14.2.9 ● Informácie PCB 303
14.2.10 ● Zoznam komponentov 303
14.2.11 ● Netlist 304

Kapitola 15 ● Techniky návrhu PCB

15.1 ● Prehľad 307
15.2 ● Vytváranie zberníc v Schematic Editor a PCB Designer TINA 307
15.3 ● Viac jednotiek v rovnakom balení 310
15.4 ● Napájanie logických komponentov 313
15.5 ● Opakujúce sa bloky obvodov (pomocou funkcie Kopírovať makro) 316
15.6 ● Vytvorenie dvojvrstvovej, obojstrannej technologickej dosky pre povrchovú montáž 320
15.7 ● Vytváranie komponentov DPS 325

Kapitola 16 ● Vytváranie schematických symbolov a stôp

16.1 ● Prehľad 328
16.2 ● Príklad 328
16.3 ● Používanie sprievodcu IC v editore schém 332
16.4 ● Používanie editora Footprint 335
16.5 ● IC Wizard v aplikácii Footprint Editor 339
16.5.1 ● Príklad návrhu 340
16.6 ● Pridanie verejných stôp PCB do TINA 343
16.7 ● Pridanie verejných modelov 3D stopy do TINA 346

Kapitola 17 ● Používanie TINACloud

17.1 ● Prehľad 348
17.2 ● Začíname používať TINACloud 349
17.3 ● Príklad simulácie 350
17.4 ● Príklad návrhu DPS 355
17.5 ● Zdieľanie schémy TINA 357

Kapitola 18 ● Ďalšie užitočné nástroje

18.1 ● Prehľad 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Analýza stresu (dymu) 360
18.4 ● Kontrola elektrických pravidiel (ERC) 362
18.5 ● Sériový monitor 362
18.6 ● Prieskumník komponentov 362
18.7 ● Nájsť komponent 363
18.8 ● Chráňte obvod 364
18.9 ● Exportovať 365
18.10 ● Importovať 365
18.11 ● Fourierova séria 365
18.12 ● Fourierovo spektrum 367
18.13 ● Analýza hluku 367
18.14 ● Analýza straty výkonu 369
18.15 ● Tlmočník 370
18.15.1 ● Príklad 1 – RLC obvod 371
18.15.2 ● Príklad 2 – DC obvod 373
18.15.3 ● Príklad 3 – Obvod striedavého prúdu 374
18.15.4 ● Vyhodnotenie integrálov 375
18.15.5 ● Riešenie lineárnej sústavy rovníc 375
18.15.6 ● Kreslenie schém 376
18.15.7 ● Bode diagramy 377
18.15.8 ● Definícia signálu 379
18.15.9 ● Podporované funkcie 381
18.16 ● DC analýza teploty 382
18.17 ● Extraktor parametrov 382
18.18 ● Editor konečného stroja 384

Kapitola 19 ● Správca knižnice

Kapitola 20 ● Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)

20.1 ● Prehľad 391
20.2 ● Programovanie dosiek FPGA so zadaním schémy pomocou TINA – príklad 1
391
20.3 ● Programovanie dosiek FPGA so zadaním schémy pomocou TINA – príklad 2
400
20.4 ● Programovanie dosiek FPGA vo VHDL s TINA 404
20.5 ● Programovanie dosiek FPGA vo Verilog pomocou TINACloud 407
20.6 ● Uloženie programu do stálej pamäte dosky Basys 3 411
20.7 ● Počítadlo sekúnd na 7-segmentovej 4-miestnej doske Basys 3 FPGA pomocou TINA s
VHDL 415
20.8 ● Tlačidlové počítadlo na 7-segmentovej 4-miestnej doske Basys 3 FPGA pomocou TINA s
VHDL 428

Kapitola 21 ● Ďalšie informácie

21.1 ● Webová stránka TINA 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Ďalšie užitočné odkazy 434
21.4 ● Súbory pomocníka TINA 435
● Epilóg 436
● Index 437