Mô phỏng mạch với TINA Design Suite và TINACloud

By Prof. Dr. Dogan Ibrahim

Với e-book, tác giả Elektor bán chạy nhất, Giáo sư Tiến sĩ Dogan Ibrahim nhằm mục đích dạy thiết kế và phân tích các mạch điện và điện tử, đồng thời phát triển bảng mạch PCB bằng cả TINA và TINACloud. Cuốn sách dành cho các kỹ sư điện/điện tử, sinh viên đại học kỹ thuật điện/điện tử tại các trường cao đẳng và đại học kỹ thuật, sinh viên sau đại học và nghiên cứu, giáo viên và những người có sở thích. Nhiều ví dụ mô phỏng đã được thử nghiệm và hoạt động được cung cấp bao gồm hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật điện/điện tử tương tự và kỹ thuật số. Chúng bao gồm các mạch AC và DC, điốt, điốt zener, mạch bán dẫn, bộ khuếch đại hoạt động, sơ đồ bậc thang, mạch 3 pha, điện cảm lẫn nhau, mạch chỉnh lưu, bộ tạo dao động, mạch lọc tích cực và thụ động, logic kỹ thuật số, VHDL, MCU, chế độ chuyển đổi nguồn điện, thiết kế PCB, chuỗi Fourier và quang phổ. Người đọc không cần phải có bất kỳ kinh nghiệm lập trình nào trừ khi họ muốn mô phỏng các mạch MCU phức tạp.

Mục lục:

Chương 1 ● Giới thiệu

1.1 ● Why simulation? 13
1.2 ● Mô phỏng điện tử 14
1.3 ● SPICE modelling of electronic circuits 15
1.4 ● Chương trình TINA 16
1.4.1 ● Schematic capture 17
1.4.2 ● 3D trực tiếp Breadboard Tool 17
1.4.3 ● Thiết kế PCB 17
1.4.4 ● Kiểm tra Quy tắc Điện (ERC) 17
1.4.5 ● Trình soạn thảo biểu tượng sơ đồ 18
1.4.6 ● Quản lý thư viện 18
1.4.7 ● IBIS model support 18
1.4.8 ● Parameter Extractor 18
1.4.9 ● Trình chỉnh sửa văn bản và phương trình 18
1.4.10 ● DC analysis 19
1.4.11 ● Phân tích nhất thời 19
1.4.12 ● Tự động hội tụ 19
1.4.13 ● Phân tích nhiễu nhất thời 19
1.4.14 ● Fourier analysis 19
1.4.15 ● Digital simulation 20
1.4.16 ● Mô phỏng HDL 20
1.4.17 ● Mô phỏng vi điều khiển (MCU) 20
1.4.18 ● Trình chỉnh sửa sơ đồ và trình gỡ lỗi 20
1.4.19 ● AC analysis 21
1.4.20 ● Network analysis 21
1.4.21 ● Linear AC Noise analysis 21
1.4.22 ● Phân tích tượng trưng 21
1.4.23 ● Monte-Carlo và phân tích trường hợp xấu nhất 21
1.4.24 ● Công cụ thiết kế 21
1.4.25 ● Optimisation 22
1.4.26 ● Hậu xử lý 22
1.4.27 ● Bản trình bày 22
1.4.28 ● Chế độ tương tác 22
1.4.29 ● Công cụ ảo 23
1.4.30 ● Real-time Test & Measurements 23
1.4.31 ● Đào tạo và Kiểm tra 23
1.4.32 ● Mở rộng Cơ điện tử 23

Chương 2 ● Phiên bản TINA

2.1 ● Overview 24
2.2 ● Tính năng phiên bản 24
2.3 ● Options 27
2.4 ● Supplementary hardware 27
2.4.1 ● LabXplorer: Công cụ đa chức năng dành cho Giáo dục và Đào tạo với địa phương và
khả năng đo lường từ xa 27

Chương 3 ● Quy trình cài đặt TINA

3.1 ● Hardware and software requirements 29
3.2 ● Cài đặt 29
3.3 ● Cài đặt phiên bản khóa cứng (dongle) của TINA 36
3.4 ● Cấp quyền cho phiên bản được bảo vệ bằng phần mềm của TINA 37

Chương 4 ● Bắt đầu – Mô phỏng các mạch đơn giản

4.1 ● Trình chỉnh sửa sơ đồ 38
4.2 ● Mô phỏng 1 – Điện trở nối tiếp và song song 39
4.3 ● Simulation 2 – Resistor – capacitor circuit 49
4.4 ● Mô phỏng 3 – Mạch điện trở – tụ điện 61
4.5 ● Simulation 4 – Power consumption – using a power meter 67
4.6 ● Mô phỏng 5 – Điện áp giữa các thành phần – sử dụng vôn kế 69
4.7 ● Mô phỏng 6 – Dòng điện qua các bộ phận sử dụng Ampe mét 70
4.8 ● Mô phỏng 7 – Đo trở kháng bằng Máy đo trở kháng 71
4.9 ● Mô phỏng 8 – Đo điện trở bằng Ôm kế 73
4.10 ● Mô phỏng 9 – Vẽ điện áp giữa các thành phần bằng thành phần Máy hiện sóng 74
4.11 ● Simulation 10 – Measuring frequency using a frequency meter 78
4.12 ● Simulation 11 – AC circuit analysis I 79
4.13 ● Mô phỏng 12 – Phân tích mạch điện xoay chiều II 82
4.14 ● Mô phỏng 13 – Phân tích mạch điện xoay chiều III 84
4.15 ● Mô phỏng 14 – Định lý Thevenin – Giải tích mạch điện xoay chiều 86
4.16 ● Simulation 15 – Norton’s Theorem – AC circuit analysis 89
4.17 ● Mạch 3 pha 92
4.17.1 ● Mô phỏng 16 – Phân tích mạch nối sao 3 pha có tải điện trở 93
4.17.2 ● Mô phỏng Phân tích mạch nối sao 17 – 3 pha có điện trở và
tải quy nạp 95
4.18 ● Mutual inductance 98
4.18.1 ● Mô phỏng 18 – Điện cảm hỗ tương 99

Chương 5 ● Mô phỏng và thiết kế mạch đi-ốt

5.1 ● Mô phỏng 1 – Mạch diode đơn giản 102
5.2 ● Mô phỏng 2 – Mạch chỉnh lưu nửa sóng 103
5.3 ● Mô phỏng 3 – Mạch chỉnh lưu nửa sóng có biến áp 104
5.4 ● Mô phỏng 4 – Mạch chỉnh lưu toàn sóng với biến áp có điểm giữa 105
5.5 ● Mô phỏng 5 – Mạch chỉnh lưu cầu toàn sóng với biến áp 107
5.6 ● Mô phỏng 6 – Mạch kẹp điốt 109
5.7 ● Mô phỏng 7 – Đặc tính đi-ốt Zener 110
5.8 ● Simulation 8 – Zener diode voltage regulator 112
5.9 ● Simulation 9 – Zener diode symmetrical voltage limiter 113
5.10 ● Mô phỏng 10 – Mạch bộ ba điện áp 114

Chương 6 ● Mô phỏng và thiết kế mạch bán dẫn

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 ● Mô phỏng 4 – Bộ khuếch đại bóng bán dẫn bộ phát chung nhiều tầng – Sử dụng mạch con trong TINA 127
6.5 ● The Netlist 131
6.6 ● Mô phỏng 5 – Bộ dao động Colpitts bóng bán dẫn BJT 132
6.7 ● Transistor as a two port network 136
6.7.1 ● Transistor h parameters 139
6.8 ● Mô phỏng 6 – Bộ khuếch đại nguồn chung bán dẫn JFET 142
6.9 ● Mô phỏng 7 – Đường cong đặc tính của bóng bán dẫn JFET 146
6.10 ● Mô phỏng 8 – Công tắc bóng bán dẫn BJT 147
6.11 ● Thyristor và triac 149
6.11.1 ● Mô phỏng 9 – Điều khiển pha thyristor 149
6.11.2 ● Mô phỏng 10 – Điều khiển pha Triac 151
6.12 ● Bộ khuếch đại công suất âm thanh 153
6.12.1 ● Mô phỏng 11 – Bộ khuếch đại công suất âm thanh loại AB 154

Chương 7 ● Mô phỏng và thiết kế mạch khuếch đại hoạt động

7.1 ● Các đặc điểm chính 161
7.2 ● Mạch khuếch đại hoạt động 162
7.2.1 ● Bộ khuếch đại đảo ngược 163
7.2.1 ● Inverting amplifier 163
7.2.2 ● Bộ khuếch đại không đảo 163
7.2.3 ● Tín hiệu theo điện áp 164
7.2.4 ● Bộ khuếch đại cộng điện áp 165
7.2.5 ● Bộ trừ điện áp 166
7.2.6 ● Bộ tích hợp điện áp 167
7.2.7 ● Bộ phân biệt điện áp 168
7.2.8 ● Current to voltage converter 169
7.3 ● Mô phỏng 1 – Bộ khuếch đại đảo ngược 171
7.4 ● Simulation 2 – Summing amplifier 174
7.5 ● Mô phỏng 3 – Bộ khuếch đại tích hợp điện áp 175
7.6 ● Simulation 4 – Half-wave rectifier circuit 176
7.7 ● Công cụ thiết kế 178
7.7.1 ● Mô phỏng 5 – Thiết kế ví dụ 178
7.8 ● Tối ưu hóa 180
7.8.1 ● Mô phỏng 6 – Thiết kế ví dụ – Mạch điện xoay chiều 183
7.8.2 ● Mô phỏng 7 – Thiết kế ví dụ – Mạch DC 185
7.9 ● Dao động hình sin . 187
7.9.1 ● Mô phỏng 8 – Bộ tạo dao động dịch pha 187
7.9.2 ● Mô phỏng 9 – Bộ dao động cầu Wien 189
7.9.3 ● Mô phỏng 10 – Bộ tạo dao động Colpitts 192
7.10 ● Máy tạo sóng vuông 194
7.10.1 ● Mô phỏng 11 – Bộ tạo sóng vuông khuếch đại hoạt động 194
7.10.2 ● Mạch tích hợp mô phỏng 12 – 555 196

Chương 8 ● Mô phỏng và thiết kế mạch lọc

8.1 ● Bộ lọc TINA 199
8.2 ● Mô phỏng 1 – Thiết kế bộ lọc tích cực thông thấp bậc 2 201
8.3 ● Mô phỏng 2 – Thiết kế bộ lọc tích cực thông thấp bậc cao 206
8.4 ● Simulation 3 – Designing a high-pass active filter 207
8.5 ● Mô phỏng 4 – Thiết kế bộ lọc tích cực thông dải 209
8.6 ● Mô phỏng 5 – Thiết kế bộ lọc thụ động thông thấp 210

Chương 9 ● Mô phỏng và thiết kế mạch logic kỹ thuật số

9.1 ● Mô phỏng logic kỹ thuật số sử dụng TINA 212
9.2 ● Mô phỏng 1 – Cổng AND đơn giản 212
9.3 ● Mô phỏng 2 – Bộ cộng một nửa sử dụng cổng 215
9.4 ● Mô phỏng Bộ đếm đồng bộ 3 – 2 bit 216
9.5 ● Mô phỏng Hiển thị LED 4 – 7 đoạn 217
9.6 ● Mô phỏng Bộ đếm nhị phân 5 – 4 bit với các chỉ báo logic 218
9.7 ● Mô phỏng Bộ đếm thập phân 6 – 4 bit với màn hình 7 đoạn 219
9.8 ● Simulation 7 – 8-bit decade counter with two 7-segment displays 220
9.9 ● Mô phỏng 8 – Bộ đếm thập phân 4 bit và hiển thị 7 đoạn – Sử dụng Bộ tạo dữ liệu 4 bit 221
9.10 ● Simulation 9 – Creating a full adder – using a MACRO 223
9.11 ● Sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) 225
9.11.1 ● Sử dụng mô phỏng VHDL trong TINA để phân tích mạch kỹ thuật số 226
9.11.2 ● Mô phỏng 10 – Mạch cộng một nửa – VHDL 226
9.11.3 ● Mô phỏng 11 – Mạch đếm – VHDL 230
9.11.4 ● The VHDL Debugger 233
9.12 ● Sử dụng mô phỏng Verilog trong TINA để phân tích mạch kỹ thuật số 235

Chương 10 ● Công cụ thiết kế logic

Chương 11 ● Mô phỏng vi điều khiển

11.1 ● Tổng quan 246
11.2 ● Sử dụng trình chỉnh sửa Lưu đồ 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 ● Lưu đồ gỡ lỗi 252
11.3 ● Using assembly programming 253
11.3.1 ● Simulation 3 – Counter – PIC series microcontroller 253
11.3.2 ● Sửa mã asm 255
11.3.3 ● Gỡ lỗi mã ASM 256
11.4 ● Sử dụng lập trình C 257
11.4.1 ● Mô phỏng 4 – Bộ đếm – Vi điều khiển ATTINY13 258
11.4.2 ● Mô phỏng 5 – Đèn giao thông – Vi điều khiển ATTINY13 261
11.4.3 ● Mô phỏng 6 – Bộ đếm LCD – Arduino Uno 263
11.4.4 ● Mô phỏng 7 – Bộ giải trình tự đèn giao thông– Vi điều khiển PIC 266
11.4.5 ● Mô phỏng 8 – Đèn nhấp nháy– Vi điều khiển STM32 268
11.5 ● Thiết bị nhớ 272
11.5.1 ● Mô phỏng Hệ số nhân kỹ thuật số 9 – 2-bit x 2-bit – Bộ nhớ ROM . 272
11.5.2 ● Mô phỏng Bộ đếm nhị phân 10 – 4 bit với hai màn hình hex – Bộ nhớ ROM . 275

Chương 12 ● Mạch logic bậc thang

12.1 ● Tổng quan . 278
12.2 ● Mô phỏng 1 – Logic bậc thang với đèn và động cơ 278
12.3 ● Các thành phần logic bậc thang dưới dạng các thành phần logic kỹ thuật số 279
12.4 ● Latching circuit 281
12.4.1 ● Mô phỏng 2 – Mạch động cơ chốt 281
12.4.2 ● Mô phỏng 3 – Điều khiển động cơ tiến/lùi 283
12.4.3 ● Simulation 4 – Conveyor belt controller 284

Chương 13 ● Mạch cấp nguồn chế độ chuyển mạch (SMPS)

13.1 ● Tổng quan . 286
13.2 ● Mô phỏng 1 – Mạch TPS61031 SMPS 286

Chương 14 ● Thiết kế bảng mạch in (PCB)

14.1 ● Tổng quan 293
14.2 ● Đồ án mạch đa dao động bóng bán dẫn lưỡng cực 293
14.2.1 ● Thiết kế 294
14.2.2 ● Mô phỏng 294
14.2.3 ● Kiểm tra tên dấu chân 295
14.2.4 ● Phân tích ứng suất 297
14.2.5 ● Lưu sơ đồ 297 của bạn
14.2.6 ● Bắt đầu chương trình TINA PCB. 298
14.2.7 ● Tệp Gerber 302
14.2.8 ● Tệp khoan GCode NC 302
14.2.9 ● Thông tin về PCB 303
14.2.10 ● Danh sách thành phần 303
14.2.11 ● Danh sách mạng 304

Chương 15 ● Kỹ thuật thiết kế PCB

15.1 ● Tổng quan 307
15.2 ● Tạo Bus trong Schematic Editor và PCB Designer của TINA 307
15.3 ● Nhiều đơn vị trong cùng một gói 310
15.4 ● Nguồn cấp cho các thành phần logic 313
15.5 ● Khối mạch lặp (dùng chức năng Copy Macro) 316
15.6 ● Tạo Bo mạch công nghệ hai lớp, hai mặt, gắn trên bề mặt 320
15.7 ● Tạo linh kiện PCB 325

Chương 16 ● Tạo biểu tượng sơ đồ và dấu chân

16.1 ● Tổng quan 328
16.2 ● Ví dụ 328
16.3 ● Sử dụng trình hướng dẫn IC trong trình chỉnh sửa Biểu tượng Sơ đồ 332
16.4 ● Sử dụng Footprint editor 335
16.5 ● Thuật sĩ IC trong Footprint Editor 339
16.5.1 ● Ví dụ thiết kế 340
16.6 ● Thêm Dấu chân PCB Công cộng vào TINA 343
16.7 ● Thêm các mô hình Dấu chân 3D Công cộng vào TINA 346

Chương 17 ● Sử dụng TINACloud

17.1 ● Tổng quan 348
17.2 ● Bắt đầu sử dụng TINACloud 349
17.3 ● Ví dụ mô phỏng 350
17.4 ● Mẫu thiết kế PCB 355
17.5 ● Chia sẻ sơ đồ TINA 357 của bạn

Chương 18 ● Các công cụ hữu ích khác

18.1 ● Tổng quan 359
18.2 ● 3D Breadboard 359
18.3 ● Phân tích ứng suất (Khói) 360
18.4 ● Kiểm tra quy tắc điện (ERC) 362
18.5 ● Màn hình nối tiếp 362
18.6 ● Trình khám phá thành phần 362
18.7 ● Tìm thành phần 363
18.8 ● Mạch bảo vệ 364
18.9 ● Xuất 365
18.10 ● Nhập 365
18.11 ● Chuỗi Fourier 365
18.12 ● Phổ Fourier 367
18.13 ● Phân tích tiếng ồn 367
18.14 ● Phân tích tiêu hao năng lượng 369
18.15 ● Thông dịch viên 370
18.15.1 ● Ví dụ 1 – Mạch RLC 371
18.15.2 ● Ví dụ 2 – Mạch điện một chiều 373
18.15.3 ● Ví dụ 3 – Mạch điện xoay chiều 374
18.15.4 ● Đánh giá tích phân 375
18.15.5 ● Giải hệ phương trình tuyến tính 375
18.15.6 ● Vẽ sơ đồ 376
18.15.7 ● Sơ đồ Bode 377
18.15.8 ● Định nghĩa tín hiệu 379
18.15.9 ● Các chức năng được hỗ trợ 381
18.16 ● DC Phân tích nhiệt độ 382
18.17 ● Bộ trích xuất tham số 382
18.18 ● Trình chỉnh sửa máy trạng thái hữu hạn 384

Chương 19 ● Người quản lý thư viện

Chương 20 ● Mảng cổng có thể lập trình theo trường (FPGA)

20.1 ● Tổng quan 391
20.2 ● Lập trình bo mạch FPGA với Mục nhập thiết kế sơ đồ bằng TINA – Ví dụ 1
391
20.3 ● Lập trình bo mạch FPGA với Mục nhập thiết kế sơ đồ bằng TINA – Ví dụ 2
400
20.4 ● Lập trình bo mạch FPGA trong VHDL với TINA 404
20.5 ● Lập trình bo mạch FPGA trong Verilog với TINACloud 407
20.6 ● Lưu trữ chương trình trong bộ nhớ cố định của bo mạch Basys 3 411
20.7 ● Bộ đếm giây trên bảng FPGA Basys 7 4 đoạn 3 chữ số sử dụng TINA với
VHDL 415
20.8 ● Bộ đếm nút bấm trên bo mạch FPGA Basys 7 4 đoạn 3 chữ số sử dụng TINA với
VHDL 428

Chương 21 ● Thông tin bổ sung

21.1 ● Trang web TINA 431
21.2 ● TINA-TI 434
21.3 ● Các liên kết hữu ích khác 434
21.4 ● Tệp trợ giúp TINA 435
● Phần kết 436
● Chỉ số 437