Kretssimulering med TINA Design Suite och TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

I detta e-bok, bästsäljande Elektor-författare, Prof. Dr. Dogan Ibrahim syftar till att lära ut design och analys av elektriska och elektroniska kretsar och utveckla PCB-kort med både TINA och TINACloud. Boken vänder sig till el-/elektroningenjörer, studenter inom elektronik/elektronteknik vid tekniska högskolor och universitet, doktorander och forskarstuderande, lärare och hobbyister. Många testade och fungerande simuleringsexempel tillhandahålls som täcker de flesta områden inom analog och digital el/elektronisk teknik. Dessa inkluderar AC- och DC-kretsar, dioder, zenerdioder, transistorkretsar, operationsförstärkare, stegdiagram, 3-faskretsar, ömsesidig induktans, likriktarkretsar, oscillatorer, aktiva och passiva filterkretsar, digital logik, VHDL, MCU, switch-mode strömförsörjning, PCB-design, Fourier-serien och spektrum. Läsare behöver inte ha någon programmeringserfarenhet om de inte vill simulera komplexa MCU-kretsar.

Innehållsförteckning:

Kapitel 1 ● Introduktion

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Elektronisk simulering 14
1.3 ● SPICE modelling of electronic circuits 15
1.4 ● TINA-programmet 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● Live 3D Breadboard Tool 17
1.4.3 ● PCB-design 17
1.4.4 ● Kontroll av elektriska regler (ERC) 17
1.4.5 ● Schematisk symbolredigerare 18
1.4.6 ● Bibliotekshanterare 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Text- och ekvationsredigerare 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Transientanalys 19
1.4.12 ● Autokonvergens 19
1.4.13 ● Transientbrusanalys 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● HDL-simulering 20
1.4.17 ● Simulering av mikrokontroller (MCU) 20
1.4.18 ● Flödesschemaredigerare och Debugger 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Symbolisk analys 21
1.4.23 ● Monte-Carlo och värsta tänkbara analys 21
1.4.24 ● Designverktyg 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Efterbehandlare 22
1.4.27 ● Presentation 22
1.4.28 ● Interaktivt läge 22
1.4.29 ● Virtuella instrument 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Utbildning och examination 23
1.4.32 ● Mekatronikförlängning 23

Kapitel 2 ● TINA-versioner

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Versionsfunktioner 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Multifunktionsinstrument för utbildning och träning med lokala och
Fjärrmätningsmöjligheter 27

Kapitel 3 ● TINA installationsprocedur

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Installation 29
3.3 ● Installera hårdvarunyckelversionen (dongle) av TINA 36
3.4 ● Auktorisering av den mjukvaruskyddade versionen av TINA 37

Kapitel 4 ● Komma igång – Simulering av enkla kretsar

4.1 ● Schematisk redigerare 38
4.2 ● Simulering 1 – Serie- och parallellmotstånd 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Simulering 3 – Motstånd – induktor-kondensatorkrets 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Simulering 5 – Spänning över komponenter – med voltmetrar 69
4.7 ● Simulering 6 – Genomgående strömkomponenter som använder amperemätare 70
4.8 ● Simulering 7 – Impedansmätning med impedansmätaren 71
4.9 ● Simulering 8 – Motståndsmätning med Ohmmeter 73
4.10 ● Simulering 9 – Plotta spänning över komponenter med en oscilloskopkomponent 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Simulering 12 – AC-kretsanalys II 82
4.14 ● Simulering 13 – AC-kretsanalys III 84
4.15 ● Simulering 14 – Thevenins sats – AC-kretsanalys 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● 3-faskretsar 92
4.17.1 ● Simulering 16 – 3-fas stjärnkopplad kretsanalys med resistiv belastning 93
4.17.2 ● Simulering 17 – 3-fas stjärnkopplad kretsanalys med resistiv och
induktiv belastning 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Simulering 18 – Ömsesidig induktans 99

Kapitel 5 ● Diodkretsdesign och simulering

5.1 ● Simulering 1 – Enkel diodkrets 102
5.2 ● Simulering 2 – Halvvågslikriktarkrets 103
5.3 ● Simulering 3 – Halvvågslikriktarkrets med transformator 104
5.4 ● Simulering 4 – Helvågslikriktarkrets med centrumuttagstransformator 105
5.5 ● Simulering 5 – Helvågsbrygglikriktarkrets med transformator 107
5.6 ● Simulering 6 – Diodklämkrets 109
5.7 ● Simulering 7 – Zenerdiodegenskaper 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Simulering 10 – Spänningstrippelkrets 114

Kapitel 6 ● Transistorkretsdesign och simulering

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 ● Simulering 4 – Flerstegs gemensam emittertransistorförstärkare – Använda subkretsar i TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Simulering 5 – BJT transistor Colpitts oscillator 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Simulering 6 – JFET transistor gemensam källförstärkare 142
6.9 ● Simulering 7 – JFET-transistorkarakteristikkurvor 146
6.10 ● Simulering 8 – BJT-transistoromkopplare 147
6.11 ● Tyristorer och triacer 149
6.11.1 ● Simulering 9 – Tyristorfaskontroll 149
6.11.2 ● Simulering 10 – Triac faskontroll 151
6.12 ● Ljudeffektförstärkare 153
6.12.1 ● Simulering 11 – Klass AB ljudeffektförstärkare 154

Kapitel 7 ● Operationsförstärkarens kretsdesign och simulering

7.1 ● Nyckelegenskaper 161
7.2 ● Operationsförstärkarkretsar 162
7.2.1 ● Inverterande förstärkare 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Icke-inverterande förstärkare 163
7.2.3 ● Spänningsföljare 164
7.2.4 ● Spänningsadderförstärkare 165
7.2.5 ● Spänningsavdragare 166
7.2.6 ● Spänningsintegrator 167
7.2.7 ● Spänningsdifferentiator 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Simulering 1 – Inverterande förstärkare 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Simulering 3 – Spänningsintegrerande förstärkare 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● Designverktyget 178
7.7.1 ● Simulering 5 – Exempeldesign 178
7.8 ● Optimering 180
7.8.1 ● Simulering 6 – Exempeldesign – AC-krets 183
7.8.2 ● Simulering 7 – Exempeldesign – DC-krets 185
7.9 ● Sinusformade oscillatorer . 187
7.9.1 ● Simulering 8 – Fasskiftoscillator 187
7.9.2 ● Simulering 9 – Wien Bridge-oscillator 189
7.9.3 ● Simulering 10 – Colpitts oscillator 192
7.10 ● Fyrkantsvågsgeneratorer 194
7.10.1 ● Simulering 11 – Operationsförstärkare fyrkantvågsgenerator 194
7.10.2 ● Simulering 12 – 555 integrerad krets 196

Kapitel 8 ● Filterkretsdesign och simulering

8.1 ● TINA-filter 199
8.2 ● Simulering 1 – Designa ett 2:a ordningens lågpassaktivt filter 201
8.3 ● Simulering 2 – Utformning av ett aktivt lågpassfilter av högre ordning 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Simulering 4 – Designa ett bandpassaktivt filter 209
8.6 ● Simulering 5 – Design av ett passivt lågpassfilter 210

Kapitel 9 ● Digital logisk kretsdesign och simulering

9.1 ● Digital logisk simulering med TINA 212
9.2 ● Simulering 1 – Enkel OCH-grind 212
9.3 ● Simulering 2 – Halvadderare med grindar 215
9.4 ● Simulering 3 – 2-bitars synkronräknare 216
9.5 ● Simulering 4 – 7-segments LED-display 217
9.6 ● Simulering 5 – 4-bitars binär räknare med logiska indikatorer 218
9.7 ● Simulering 6 – 4-bitars dekaderäknare med 7-segmentsdisplay 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Simulering 8 – 4-bitars dekaderäknare och 7-segmentsdisplay – Använda en 4-bitars datagenerator 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Använda hårdvarubeskrivningsspråk (HDL) 225
9.11.1 ● Använda VHDL-simulering i TINA för att analysera digitala kretsar 226
9.11.2 ● Simulering 10 – Halvadderarkrets – VHDL 226
9.11.3 ● Simulering 11 – Räknarkrets – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Använda Verilog-simulering i TINA för att analysera digitala kretsar 235

Kapitel 10 ● Logic Design Tool

Kapitel 11 ● Simulering av mikrokontroller

11.1 ● Översikt 246
11.2 ● Använda flödesschemaredigeraren 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 ● Flödesschemafelsökning 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● Ändra asm-koden 255
11.3.3 ● Felsökning av ASM-koden 256
11.4 ● Använda C-programmering 257
11.4.1 ● Simulering 4 – Räknare – ATTINY13 mikrokontroller 258
11.4.2 ● Simulering 5 – Trafikljus – ATTINY13 mikrokontroller 261
11.4.3 ● Simulering 6 – LCD-räknare – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Simulering 7 – Trafikljussekvenserare – PIC mikrokontroller 266
11.4.5 ● Simulering 8 – Blinkande ljus – STM32 mikrokontroller 268
11.5 ● Minnesenheter 272
11.5.1 ● Simulering 9 – 2-bitars x 2-bitars digital multiplikator – ROM-minne . 272
11.5.2 ● Simulering 10 – 4-bitars binär räknare med två hex-displayer – ROM-minne . 275

Kapitel 12 ● Ladder Logic Circuits

12.1 ● Översikt . 278
12.2 ● Simulering 1 – Steglogik med ljus och motor 278
12.3 ● Stegelogikkomponenter som digitala logikkomponenter 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Simulering 2 – Låsande motorkrets 281
12.4.2 ● Simulering 3 – Framåt/bakåt motorstyrning 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

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

13.1 ● Översikt . 286
13.2 ● Simulering 1 – TPS61031 SMPS-krets 286

Kapitel 14 ● Printed Circuit Board (PCB) Design

14.1 ● Översikt 293
14.2 ● Bipolär transistor multivibratorkretsprojekt 293
14.2.1 ● Designen 294
14.2.2 ● Simulering 294
14.2.3 ● Kontrollera footprint-namn 295
14.2.4 ● Stressanalys 297
14.2.5 ● Spara ditt schema 297
14.2.6 ● Starta TINA PCB-program. 298
14.2.7 ● Gerber-fil 302
14.2.8 ● GCode NC borrfil 302
14.2.9 ● PCB-information 303
14.2.10 ● Komponentlista 303
14.2.11 ● Nätlista 304

Kapitel 15 ● PCB Design Tekniker

15.1 ● Översikt 307
15.2 ● Skapa bussar i schemaredigeraren och PCB-designern för TINA 307
15.3 ● Flera enheter i samma paket 310
15.4 ● Strömförsörjning av logikkomponenter 313
15.5 ● Upprepande kretsblock (med funktionen Kopiera makro) 316
15.6 ● Skapa ett tvålagers, dubbelsidigt, ytmonterat teknologikort 320
15.7 ● Skapa PCB-komponenter 325

Kapitel 16 ● Göra schematiska symboler och fotspår

16.1 ● Översikt 328
16.2 ● Exempel 328
16.3 ● Använda IC-guiden i Schematic Symbol Editor 332
16.4 ● Använda Footprint-redigeraren 335
16.5 ● IC Wizard i Footprint Editor 339
16.5.1 ● Exempeldesign 340
16.6 ● Lägga till Public PCB Footprints till TINA 343
16.7 ● Lägga till Public 3D Footprint-modeller till TINA 346

Kapitel 17 ● Använda TINACloud

17.1 ● Översikt 348
17.2 ● Börja använda TINACloud 349
17.3 ● Exempelsimulering 350
17.4 ● Exempel PCB-design 355
17.5 ● Dela ditt TINA-schema 357

Kapitel 18 ● Andra användbara verktyg

18.1 ● Översikt 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Stressanalys (rök) 360
18.4 ● Kontroll av elektriska regler (ERC) 362
18.5 ● Seriell monitor 362
18.6 ● Komponentutforskare 362
18.7 ● Hitta komponent 363
18.8 ● Skyddskrets 364
18.9 ● Exportera 365
18.10 ● Importera 365
18.11 ● Fourier-serien 365
18.12 ● Fourierspektrum 367
18.13 ● Bulleranalys 367
18.14 ● Effektförlustanalys 369
18.15 ● Tolk 370
18.15.1 ● Exempel 1 – RLC-krets 371
18.15.2 ● Exempel 2 – DC-krets 373
18.15.3 ● Exempel 3 – AC-krets 374
18.15.4 ● Utvärdera integraler 375
18.15.5 ● Lösa linjärt ekvationssystem 375
18.15.6 ● Rita diagram 376
18.15.7 ● Bodediagram 377
18.15.8 ● Signaldefinition 379
18.15.9 ● Funktioner som stöds 381
18.16 ● DC Temperaturanalys 382
18.17 ● Parameterutdragaren 382
18.18 ● Finite State Machine Editor 384

Kapitel 19 ● Bibliotekshanteraren

Kapitel 20 ● Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)

20.1 ● Översikt 391
20.2 ● Programmera FPGA-kort med schematisk designinmatning med TINA – Exempel 1
391
20.3 ● Programmera FPGA-kort med schematisk designinmatning med TINA – Exempel 2
400
20.4 ● Programmering av FPGA-kort i VHDL med TINA 404
20.5 ● Programmering av FPGA-kort i Verilog med TINACloud 407
20.6 ● Lagra programmet i det icke-flyktiga minnet på Basys 3-kort 411
20.7 ● Sekundräknare på det 7-segments 4-siffriga Basys 3 FPGA-kortet som använder TINA med
VHDL 415
20.8 ● Tryckknappsräknare på det 7-segments 4-siffriga Basys 3 FPGA-kortet som använder TINA med
VHDL 428

Kapitel 21 ● Ytterligare information

21.1 ● TINA webbplats 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Andra användbara länkar 434
21.4 ● TINA Hjälpfiler 435
● Epilog 436
● Index 437