TINA szimuláció 7-es verzió Tartalom: I. Optimalizálás 2. oldal II. Karakterisztika felvétele III. Félvezető eszközök karakterisztikája 6. oldal 9. oldal 1, Dióda karakterisztikája 9. oldal 2, Bipoláris NPN tranzisztor karakterisztikája 10. oldal IV. Váltakozó áramú mérések 14. oldal 1, Oszcilloszkóp használata 14. oldal 2, Soros R-L kör mérése 18. oldal 3, Aluláteresztő R-C szűrő 21. oldal 4, Búgófeszültség vizsgálata egy-utas egyenirányítónál 23. oldal 5, FE munkaponti mérése 25. oldal 6, FE erősítő mérése 26. oldal 7, Műveleti erősítő mérése 29. oldal V. Digitális technika 31.oldal 1, Impulzusformáló áramkörök 31. oldal 2, Digitális alapáramkörök realizálása 32. oldal 3, 4 bites aszinkron előreszámláló J-K tárolókból 33. oldal 4, Szinkron szekvenciális áramkör vizsgálata 35. oldal 1
I. Optimalizálás: 1, Feszültségosztó mérése: Két adatot kell beállítani: 1, Mit szeretnénk? Optimalizálás célja 2, Ehhez mit változtassunk meg? Vezérlő elem Nézzük meg egy egyszerű terhelt feszültségosztón: R1 500 Ut 5 R2 1k Rt 2k V Uki 2,86V Mint látható Uki értéke most 2,86 V. Legyen az a cél, hogy Uki értéke 1 V legyen. Ehhez a következőt kell tenni: 1, Optimalizáslási cél választása: Analízis menü, Optimalizálási cél választása: ekkor megváltozik az egér mutató, egy kis voltmérő jelenik meg mellette. Ezzel kattintsunk bele a feszültségmérőbe, akkor kijön a következő ablak: Mivel DC-ben (egyenáramban) vagyunk, ezért DC célfüggvény. 2
És itt válasszuk az értéket, és állítsunk be 1-et a nulla helyére. Azaz 1V-ot szeretnénk értéknek. Mértékegységet nem kell megadni, csak a prefixumot ha van (k, M, m, u, n, stb.) Majd OK-zuk le mindkét ablakot. Ekkor Uki mellett megjelenik egy duplanyíl: 2, Vezérlő elem választása: Ahhoz, hogy a célt elérjük, valamelyik alkatrészt meg kell változtatni. Meg kell tehát mondani a TINÁ-nak, hogy melyik alkatrésznek, melyik adatát változtathatja meg a cél eléréséhez, ez lesz a vezérlő elem. Analízis menü, Vezérlő elem választás. Megváltozik az egér mutató, egy kis ellenállás jelenik meg mellette. Ezzel kattintsunk a kiválasztandó alkatrészre, ez példánkban legyen az R2. Előjön a következő ablak: Itt ki kell választanunk, hogy R2 melyik adatát változtathatja meg a TINA a cél eléréséhez. Nyilvánvalóan az ellenállás értékét kell kijelölnünk. Tehát, kattintsunk a Kijelöl gombra! 3
Állítsuk be az intervallumot, amin belül keres a TINA. Ha túl nagy intervallumot adunk meg, sokáig tarthat a számolás, ha pedig olyant, ami nem tartalmazza a helyes értéket, akkor egy hibaüzenetet kapunk, hogy az optimális érték kívül esik a megadott tartományos. Ilyenkor próbálkozzunk újra, a min., vagy a max. érték odébb tolásával. Ha le OK-zzuk, R2 mellett is megjelenik a duplanyíl: Miután mindkét dolgot kiválasztottuk, jöhet a szimuláció: Analízis menü, Optimalizálás almenü, DC optimalizálás. Ezt csak le kell OK-zni, és indul a számolás. És a végeredmény: Ha OK-t nyomunk, akkor be is állítja R2 értékét a kiszámolt 133,33Ω-ra. 4
R1 500 Ut 5 R2 133,33 Rt 2k V Uki 1000mV Az interaktív módot bekapcsolva látható, hogy Uki értéke valóban 1 V. 5
II. Karakterisztika felvétele A karakterisztika egy olyan grafikon, melynek mindkét tengelyén villamos mennyiség található. Pl T 70.00 60.00 50.00 Áram [A] 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.00 250.00m 500.00m 750.00m 1.00 Bemeneti feszültség [V] Ezen a dióda karakterisztikán látszik, hogy a vízszintes tengelyen a dióda feszültsége, a függőlegesen pedig árama van ábrázolva. Matematikailag úgy mondjuk, hogy az áram van ábrázolva a feszültség függvényében. A karakterisztika felrajzoltatásához azt a mennyiséget, amit a vízszintes tengelyen akarunk ábrázolni bemenetnek, amit a függőleges tengelyen, azt pedig kimenetnek kell állítanunk. (Adatlapon az I/O állapot). Nézzük meg egy példán keresztül: Pt 3,13mW Rb 2k W Ut 5 Rt 2k Az ábrán egy valóságos feszültségforrás (Ut, Rb), és egy rákapcsolt terhelés látható (Rt). A Watt mérővel mérjük Rt teljesítményét, jelenleg 3,13 mw. Szeretnénk felrajzoltatni a teljesítményváltozás mértékét Rt változásának függvényében. Tehát a függőleges tengelyen lesz Pt (kimenetre kell állítani), és a vízszintesen Rt (bemenetre kell állítani). Az összes többi alkatrész I/O állapotát semmire. 6
Általában a TINA a fesz., vagy áramforrásokat automatikusan bemenetre, a műszereket kimenetre állítja. Ezeket egyesével végig kell nézni, és kiállítani Semmi -re. Az I/o állapotot az adatlapon lehet állítani. Pl. a fesz. Forrásnál: Át kell állítani Semmi -re. A Watt-mérőt kimenetre. Valószínűleg azon is lesz. Most már csak Rt-t kell beállítani bemenetnek. Ezt nem lehet megcsinálni az adatlapján, hanem az Elhelyez menüben van egy olyan, hogy Bemenet, erre katt rá. Megváltozik az egér mutató: egy I jelre. Ezzel kell rákattintani a bemenet pontjára, itt az Rt felső kivezetésére. Ekkor ezt egy négyzettel bekeretezi, majd rá kell kattantani Rt másik kivezetésére, ekkor Rt így fog kinézni: Rb 2k Pt W Ut 5 In1 Rt 2k 7
Grafikon felvétele: Analízis menü, DC analízis almenü, és ott DC transzfer karakterisztika. Itt ki kell választani a kezdő és végértéket. Legyen a kezdő 0, a végérték 5000. A pontok száma azt jelenti, hogy ezen a tartományon belül ennyi mérést végez, maradhat 100. A Bemenethez Rt van állítva egy így jó. OK. Íme: T 4.00m 3.00m Teljesítmény [W] 2.00m 1.00m 0.00 0.00 1.00k 2.00k 3.00k 4.00k 5.00k Bemeneti ellenállás [Ohm] T 4.00m a 3.00m Teljesítmény [W] 2.00m 1.00m 0.00 0.00 1.00k 2.00k 3.00k 4.00k 5.00k Bemeneti ellenállás [Ohm] A kurzort bekapcsolva meg tudjuk keresni a görbe maximumát, ami 2kΩ 8
III. Félvezető eszközök karakterisztikája 1, Dióda: Id Ud 5 A D1 1N1183 Karakterisztika felrajzolásához a vízszintes tengelyen ábrázolni kívánt mennyiséget kell bemenetnek beállítani. Itt tehát Ud lesz a bemenet. A függőleges tengelyen lévőt pedig kimenetnek kell állítani, itt tehát Id (ampermérő) a kimenet. Beállításait ld. előbb. (Valós mérésnél természetesen szükség van egy soros áramkorlátozó ellenállásra is, itt viszont a nélkül végezhető el a mérés. A karakterisztikán is látszik majd, hogy milyen nagy áramok jelennek meg a diódán.) Analízis menü, DC analízis almenü, DC transzfer karakterisztika Itt azt állítjuk be, hogy Ud értékét 0 és 1 volt között állítsa. A teljes karakterisztika (tehát záró és nyitó) felvételéhez a kezdő értéket negatívra kell állítani, itt kb. -50, -60 V-ra. Majd OK: T 70.00 60.00 50.00 Áram [A] 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.00 250.00m 500.00m 750.00m 1.00 Bemeneti feszültség [V] 9
2, Bipoláris NPN tranzisztor: A, Bemeneti: AM1 A T1!NPN UCE 5 UCE-t állítsuk Semmi -re. Ő nem vesz részt a mérésben, csupán a kollektor emitter feszültséget állítja be. VS1 a bemenet, AM1 a kimenet. (Valós mérésnél itt is szükségesek az ellenállások). VS1 5 Analízis menü, DC analízis almenü, DC transzfer karakterisztika Itt a VS1, tehát UBE értékének tartományát állítjuk be. T 5.00m 4.00m 3.00m Áram [A] 2.00m 1.00m 0.00-1.00m 0.00 250.00m 500.00m 750.00m 1.00 Bemeneti feszültség [V] 10
B, Kimeneti: Mivel a kimeneti karakterisztikát több különböző Ib-hez szokták felvenni, így ez egy kicsit bonyolultabb. Ic T1!NPN A UCE 5 A bázisra ilyenkor áramforrást tegyünk, ügyelve a polaritására! Ic a kimenet, UCE a bemenet! Ib-t vezérlőelemnek kell kiválasztani. Azaz, hogy a TINA több különböző Ib értékre is elvégezze a mérést. Ib 10m Analízis menü, Vezérlőelem választás: Mivel azt szeretnénk, hogy a TINA Ib értékét változtassa, így Kijelöl Kezdőérték: 0 Végérték 120 ma Esetek száma: 6 (ennyi Ib értéknél veszi fel a karakterisztikát) Ezután Analízis menü, DC analízis almenü, DC transzfer karakterisztika 11
Itt az UCE feszültség kezdő és végértékét választjuk ki. Ez 0-10V. T 20.00m Áram [A] 10.00m 0.00-10.00m Ic[4]: 72u[A] Ic[1] 0[A] Ic[2] 24u[A] Ic[3] 48u[A] Ic[4] 72u[A] Ic[5] 96u[A] Ic[6] 120u[A] Ic[2]: 24u[A] Bemeneti feszültség [V] Ic[6]: 120u[A] Ic[3]: 48u[A] Ic[1]: 0[A] Ic[5]: 96u[A] 0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 A címkézést utólag lehet megvalósítani: A görbék feliratozását ezzel a gombbal, a gombra, majd a grafikonra kattintva egyesével. A címkézést pedig ezzel: 12
IV. Váltakozó áramú mérések: 1, Oszcilloszkóp használata: Ur V R1 1k Ug C1 1u V Uc Generátor beállítása: A TINA a generátornál mindig egységugrás jelet állít be alapból. Ezért sose feledkezzünk meg a generátor átállításáról: Kattintsunk rá duplán: Itt a jelalaknál látható, hogy egységugrás, ezért katt az egységugrásra, majd a mellette megjelenő 3 pontra: 13
Előjön a Gerjesztés editor: Itt be lehet állítani a jel alakját, amplitúdóját, és frekvenciáját. Oszcilloszkóp: A műszerek fülben található, ez az ikonja: A műszer pedig: Megtehetjük, hogy bekötjük, de a TINA a voltmérőket is meg tudja jeleníteni az oszcilloszkópon! Ehhez elkészítjük az előbbi kapcsolást 2 voltmérővel. Az oszcilloszkóp képernyője, és kezelőfelülete a T&M menüből hívható elő. 14
A Channel pontban lehet beállítani, hogy melyik voltmérőt használja bemenetnek. A Storage blokkban lehet elindítani a mérést (RUN). A Horizontal blokkban a TIME/DIV-et lehet állítani, vagyis, hogy egy osztás hány secundumot jelentsen. Mivel 1 khz-es jelet állítottunk be, így ezt célszerű 1 ms, vagy alá állítani. A Vertical blokkban pedig a VOLTS/DIV állítható, vagyis hogy egy osztás hány voltnak felel meg. Mivel 1 V a tápunk csúcsértéke, így állítsuk 500 mv-ra. A Trigger blokkban tudjuk megállítani a jelet. Állítsuk Normalra. (Ekkor ismét RUN állapotba kell kapcsolnunk! TIPP: az AUTO gombbal automatikusan beállítja a jelet! (Elvileg, de nem mindig). Ha megállítjuk a mérést (STOP), akkor lehetőségünk van a képernyőn lévő jelalakokat exportálni. 15
A Data blokk középső ikonjával: Címkézhetjük, mérhetünk rajta a kurzorokkal, és másolhatjuk is többek közt. T 1.00 a Ur 500.00m Axis label 0.00 Uc -500.00m -1.00 Uc Ur 0.00 1.00m 2.00m 3.00m 4.00m 5.00m 16
2, Soros R-L kör mérése: V I Ug A 8,47mA -32,14 R1 1k Ug 10V 0 V UL 5,32V 57,86 L1 100m V UR 8,47V -32,14 Ug értéke 10 V, 1 khz. Szinuszos. R1 1kW, L 100 mh. AC mérést végezve kapjuk ezeket az értékeket. Kapcsoljuk be az oszcilloszkópot, most mindhárom voltmérő jelét felrajzoltathatjuk: 17
A jelalakokat elmentve: T 10.00 Ug 5.00 UR Axis label 0.00 UL -5.00-10.00 UL UR Ug 0.00 500.00u 1.00m 1.50m 2.00m Vegyük fel a soros R-L kör impedancia-frekvenciafüggését. Ehhez alakítsuk át az áramkört: Z ZM1 1k L1 100m R1 1k Ezután válasszuk ki az impedanciamérőt vezérlőelemnek. Analízis, Vezérlőelem választás, és katt a műszerre: 18
Jelöljük ki, hogy a frekvenciát változtassa: Logaritmikus legyen a skála, a mérések (esetek száma) 30 legyen. Nem lehet a kezdő frekvencia 0, mert 0-nak nem értelmezhető a logaritmusa! Ezután Analízis menü, AC analízis, AC transzfer karakterisztika: rajzoltatni, így azt jelöljük be. Mivel az amplitúdó és fázis görbét is fel szeretnénk 19
T 70.00k 60.00k 50.00k Impedancia [Ohm] 40.00k 30.00k 20.00k 10.00k 0.00 90.00 75.00 60.00 Fázis [deg] 45.00 30.00 15.00 0.00 10 100 1k 10k 100k Frekvencia [Hz] 3, Aluláteresztő RC szűrő: Ube R1 1k C1 100n V Uki Ube: 1V, 50 Hz, szinuszos Rajzoltassuk fel a átviteli jelleggörbét (Bode). Ehhez a frekvenciát kell változtatni, mérni Uki, és Ube értékét, majd kiszámolni Au értékét, és ábrázolni. A frekvenciát a generátoron lehet változtatni, ezért ki kell jelölni vezérlőelemnek, és ott kiválasztani a frekvenciát. Analízis menü, vezérlő elem választás, katt a gererátorra: Ott jelalak, három pont-ra: 20
Ott a frekvencia, és Kijelöl Itt nem érdemes bármit is változtatni, úgyis később még rákézdez, tehát OK. A görbe felvétele: Analízis, AC analízis, AC transzfer karakterisztika: 10 Hz és 100kHz között végezze el a mérést. 100 mérést végezzen, és a frekvenciaskála logaritmikus legyen. Rajzolja fel az amplitudó és a fázis diagramot is. 21
A határfrekvencia (R=Xc) alatt átenged, itt az au=0 db (1-szeres az erősítés). Határfrekvencián ehhez képest 3dB-lel kevesebb az erősítés, itt ugye -3 db. A piros kurzor ide van beállítva, és leolvasható a frekvencia értéke: (Az A merker x értéke) 1,59kHz. A kék jelölőt is erre a frekvenciára állítva leolvasható a B merker Y értéke, azaz a fázisszök értéke: -45. Aminek pontosan annyinak is kell lennie. 4, Búgófeszültség vizsgálata egy-utas egyenirányítónál: D1 1N1183 Ube=12 V, 50 Hz Ube C1 100u R1 1k V Uki A generátor pozitív szinusz hullámait a dióda átengedi, a negatívakat levágja. Így fél szinuszokat kapunk. A jel simításához kondenzátort használhatunk. Amikor a szinusz csúcsértéke után a feszültség értéke csökkenni kezd, a kondenzátor elkezd kisülni. Minél nagyobb a C értéke, annál lassabban sül ki, így a jel változása csökken. (azaz a búgófeszültség). 22
A mérés során több kölönböző C értéknél szeretnénk megvizsgálni, hogyan változik a kimeneti jelalak C nagyságának váltpztatásával. Ezért C értékét kell kiválasztani vezérlő elemnek. Vezérlőelem választás: C értéke: Kijelöl Itt beállítjuk, hogy a C kondenzátor értékét milyen határok között állítsa. (0-120 mikro), és hogy ezen a tartományon belül 5 esetet vizsgáljon. Ezután Analízis menü, Tranziens: A 80 ms 4 periódusidőnyi, mivel 50 Hz-es a frekvencia. 23
T 20.00 Uki[2]: 37,5u[F] Uki[3]: 65u[F] Uki[4]: 92,5u[F] Uki[5]: 120u[F] 10.00 Feszültség [V] 0.00 Uki[1]: 10u[F] -10.00-20.00 Ube Uki[1] 10u[F] Uki[2] 37,5u[F] Uki[3] 65u[F] Uki[4] 92,5u[F] 0.00 Uki[5] 120u[F] 20.00m 40.00m 60.00m 80.00m Idô [s] Tehát minél nagyobb a C, annál simább lesz a jel. Azaz annál kisebb a búgófeszültség. 5, FE munkaponti mérése: R1 120k Rc 5k Ut 12 Ic 1,82mA IB 7,44uA V T1 BC182 V UCE 1,98V UBE R2 20k 672,84mV RE 500 24
Ampermérő helyett használhatjuk az áramnyilakat is. 6, FE erősítő mérése: R1 120k Rc 5k Ut 12 VG1=10 mv 1 khz Be 7,07mV C1 2,2u rms VG1 R2 20k T1 BC182 RE 500 C2 2,2u Rt 10k Ki 45,19mV rms A bemenetre és a kimenetre voltmérő helyett helyezhetünk kivezetéseket is. Kiszámolható az erősítés: Au=Uki/Ube= =45,19/7,07= =6,39 ez 16,11 db. (rms=effektív érték) 25
Exportálva: T 80.00m 60.00m Ki Axis label 40.00m 20.00m 0.00-20.00m Be -40.00m -60.00m -80.00m Be Ki 0.00 1.00m 2.00m 3.00m 4.00m 5.00m Az erősítő fázist fordít! A két jelalak között 180 -os fáziseltérés van. Bode felvétele: Ehhez a generátor frekvenciáját kell változtatni. Tehát: Vezérlő elem választás. Válasszuk a generátor frekvenciáját. 26
Ezt csak OK. Majd Analízis menü, AC analízis, AC tranziens analízis. 27
Az alsó és a felső határfrekvencia meghatározása: Ahol au 3 db-el csökken a közepes erősítéshez képest, tehát 16,11dB-hez képest. Ez 13,11 db. Az A jelű kurzort az alsó frekvenciához, a B jelűt a felsőhöz állítjuk be. Így az A x értéke lesz az alsó határfrekvencia: fa=7,43 Hz A B jelű X értéke pedig a felső: ff=16,33 MHz. A sávszélesség: B=ff-fa= kb. 16,33 MHz 7, Műveleti erősítő mérése: Invertáló váltakozó feszültségű erősítő: Rv 200k Be 7,07mV rms C1 2,2u VG1 R1 20k 2 3-7 4 -Ut 12 OP1 ua741 6 C2 2,2u Ki 70,52mV rms Rk 200k Ut 12 R4 1k VG1= 10 mv, 1 khz, Válasszunk valós műveleti erősítőt, egy ma741-es típust. Ennél azonban be kell kötni a -Ut-t is! Ez legyen 12 V. Au kiszámítása: Au= - Rv/R1= - 200k/20k= - 10 Méréssel: Au=Uki/Ube= 70,52mV/7,07mV=9,974 au=20*lg Au= 19,77 db. 28
Mérés oszcilloszkólppal: T 100.00m Ki 50.00m Be Axis label 0.00-50.00m -100.00m 0.00 1.00m 2.00m 3.00m 4.00m 5.00m Jól látható a fázisfordítás, és az erősítés. BODE felvétele: Vezérlő elem: generátor frekvenciája Analízis, AC analízis, AC transzfer karakterisztika, 1Hz-től 10M-ig. Az alsó határfrekvencián az erősítés 3dB-lel csökken, vagyis 17-re. Ekkor leolvasható a frekvencia értéke az A jelű merker segítségével: (X érték): fa=71,57 Hz. Ezt C1, és/vagy C2 kondenzátorok okozzák, és kiszámolható. A felső szintén meghatározható a B jelű merkerrel: ff=83,36khz. Sőt a sávszélesség is: B=ff-fa=A-B=83,29 khz. 29
V. Digitális technika 1, Impulzusformáló áramkörök: Differenciáló áramkör: C1 10n Ube R1 1k V Uki Generátor beállítása: Négyszögjel, 5V-os amplitudó, és 10kHz. Ezután Analízis menü, és ott a Tranziens: Analízis ideje: 300 mikrosec. (A 10kHz-es jel periódusideje: 100 mikrosec., így 3 periódust fog kirajzolni). 30
T 10.00 Ube Uki 5.00 Feszültség [V] 0.00-5.00-10.00 0.00 100.00u 200.00u 300.00u Idô [s] 2, Digitális alapáramkörök realizálása: Adott a következő függvény: F=S(2,4,5,6,7,10,12,14). D a legnagyobb helyi értékű változó. Egyszerűsítsük le VK táblával: Az eredmény: Építsük meg a TINA program segítségével: 31
H L D U3 SN7404 1 U4 SN7408 & H L C U5 SN7408 U6 4075 L1 H B & ³1 L H L A U1 SN7404 1 U2 SN7408 & Vegyük fel az igazságtáblázatát a kapcsolók kapcsolgatásával. 3, 4 bites aszinkron előre számláló áramkör J-K tárolókból: U5 H U7 Clock J P U1 Q Q1 U2 Q2 U3 Q3 U4 Q4 J P Q J P Q J P Q K C Q K C Q K C Q K C Q A J-K tárolók P(negált), és C(negált) lábait állandó logikai 1-re kell kötni. A P=Preset=Beírás=aktiválása esetén a kimenet értéke 1 lesz. A C=Clear=Törlés aktiválása esetén a kimenet értéke 0 lesz. Mivel negáltak, ezért alacsony szintek aktívak, így 0 esetén aktívak. 1 esetén kizárjuk őket a működésből. Az első tárolóra adjuk az órajelet, az Órajelgenerátor2 nevű alkatrésszel. A tárolók kimeneteire a már előbb használt Kivezetés nevű kapcsot tegyük. Interaktív (Digitális!) mód bekapcsolása után elkezd számolni. A legkisebb helyi értékű kimenet a Q1, a legnagyobb a Q4. Rajzoltassuk fel a TINÁ-val a kapcsolás idődiagramját! Analízis menü, Digitális idődiagram almenü: A következő figyelmeztetést kapjuk: 32
Ezt nyugodtan figyelmen kívül hagyhatjuk, hiszen ezeket a lábakat szándékosan nem kötöttük be, és nem is hibának titulálja a program, csak figyelmeztetésnek. Kijön a következő ablak is: Itt az analízis idejét kell beállítani. Mivel a generátor frekvenciája 1 Mhz, aminek a periódusideje 1 mikro sec., és nekünk legalább 16 periódus kell, így állítsuk 20 mikrosec.-re. T H Clock Q1 L H Q2 L H Q3 L H Q4 L H L 0.00 5.00u 10.00u 15.00u 20.00u Idô [s] 33
4, Szinkron szekvenciális áramkör vizsgálata: És végül egy feladat az írásbeliről: Rajzoljuk meg TINÁ-ban, és készítsük el az idődiagramját! T H a b Clock L H QA L H QB L H QC L 0.00 2.50u 5.00u 7.50u 10.00u Idô [s] Látható, hogy az A és a B jelzők közötti szakasz ismétlődik. Ebből már könnyen felrajzolható az állapotdiagram is. 34