Xây dựng bộ bài thí nghiệm mô phỏng cho môn học Cấu kiện điện tử

Nếu nút lệnh này được chọn, chương trình sẽ cho phép hiển thị trình trạng lỗi của linh kiện, người dùng có thể thay đổi tình trạng lỗi của từng linh kiện trong bản Thuộc tính

HƯỚNG ĐẪN THÍ NGHIỆM CKĐT, CS ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ DÙNG PHẦN MỀM TINA NGUYEN DUC HIEP MỞ ĐẦU Hiện khoa Điện tử - Viễn thông, Điện - Điện tử trường đại học học viện nước giảng dạy môn Cấu kiện điện tử có thí nghiệm xây dựng kít thí nghiệm có sẵn Một số trường trọng đến việc xây dựng thí nghiệm mô dựa phần mềm thiết kế điện tử tự động Đối với trường đại học nước ngồi, việc kết hợp thí nghiệm dựa kít thí nghiệm có sẵn thí nghiệm mơ dựa phần mềm thiết kế điện tử tự động việc giảng dạy mơn học thực tốt Qua sinh viên vừa nắm vững kiến thức lý thuyết để áp dụng vào thực tế, vừa nâng cao khả thiết kế mạch phần mềm Trong 10 năm gần đây, thị trường giới xuất nhiều phần mềm Thiết kế - Mô mạch điện tử phần mềm Vẽ mạch in Có thể kể phần mềm tên tuổi : Circuit Marker 2000, OrCard, Multisim, Proteus, Tina… Các phần mềm cơng cụ để giúp kỹ sư, nhà sản xuất tối ưu hóa cơng việc mình, từ tạo sản phẩm điện tử xác, đáng tin cậy giá thành thấp Trong phần mềm kể phần mềm TINA nhà sản xuất DesignSoft phát hành năm 2008 số phần mềm Thiết kế - Mô mạch điện tử Vẽ mạch in tiếng TINA gói phần mềm mạnh dùng để phân tích, thiết kế, mơ tín hiệu số, tín hiệu tương tự, VHDL kết hợp mạch điện tử hay mạch in chúng Do đề tài “Xây dựng thí nghiệm mơ cho mơn học Cấu kiện điện tử” dựa công cụ mô phần mềm TINA đưa nhằm mục đích giới thiệu cho sinh viên ngành ĐT-VT ngành Điện – Điện tử công cụ mô mạnh môi trường đào tạo Đồng thời đề tài giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế mạch điện, tìm hiểu hoạt động ứng dụng cấu kiện điện tử thông qua thí nghiệm mơ Tài liệu gồm chương : Chương 1: Giới thiệu phần mềm TINA Chương 2: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Chương 3: Giới thiệu máy đo ảo Chương 4: Các thí nghiệm mơ Chúng tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp đóng góp ý kiến quý báu; xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Học viện, lãnh đạo Khoa Kỹ thuật Điện tử tạo điều kiện để chúng tơi hồn thành đề tài Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2010 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TINA 1.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm 1.2 Các đối tượng phần mềm .7 1.3 Cấu hình máy tính yêu cầu CHƯƠNG HƯỚNG DẪN CƠ BẢN SỬ DỤNG PHẦN MỀM 2.1 Giao diện phần mềm 2.2 Sử dụng chuột .14 2.2.1 Sử dụng chuột phải 14 2.2.2 Sử dụng chuột trái .15 2.3 Các đơn vị đo .15 2.4 Cách nối dây – Đặt linh kiện 16 2.4.1 Cách đặt linh kiện vào mạch 16 2.4.2 Cách nối dây 17 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC MÁY ĐO ẢO 18 3.1 Giới thiệu loại máy đo ảo .18 3.1.1 Máy tạo sóng chức (Function Generator): 18 3.1.2 Máy đo đa số (Digital Multimeter - DMM) .19 3.1.3 Máy ghi dạng sóng XY (XY Recorder) 20 3.1.4 Máy sóng ảo ( Oscilloscope) .22 3.1.5 Máy phân tích tín hiệu (Signal Analyzer) 24 3.1.6 Máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer) 26 3.1.7 Máy phân tích mạng (Network Analyzer) 27 3.1.8 Máy phân tích logic (Logic Analyzer) 28 3.1.9 Máy tạo tín hiệu số (Digital Signal Generator) 29 3.2 Nguồn tương tự nguồn số 31 3.2.1 Nguồn tương tự 31 3.2.2 Nguồn số 37 CHƯƠNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM MƠ PHỎNG 44 BÀI SỐ 1: ĐIỐT .44 BÀI SỐ 2: ĐIỐT BJT 49 BÀI SỐ 3: FET 55 KẾT LUẬN 64 CHƯƠNG GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TINA 1.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm Bộ thiết kế TINA (TINA Design Suite) gói phần mềm mạnh để phân tích, thiết kế, mơ tín hiệu số, tương tự, VHDL kết hợp mạch điện tử hay mạch in chúng Phần mềm TINA cung cấp chức phân tích RF, mạch quang điện, kiểm tra gỡ lỗi ứng dụng vi điều khiển vi xử lý Một tính đặc biệt phần mềm cho phép người sử dụng đưa mạch thực tế thông qua cổng USB điều khiển phần cứng TINALab II TINALab II biến máy tính thành thiết bị đo T&M đa mạnh, thay hồn toàn tổ hợp máy đo máy sóng, máy đo dịng điện, đo điện áp, đo điện trở; máy đo tần số, máy phân tích phổ, … (Hình 1.1) Các kỹ sư điện tử nhận thấy phần mềm TINA có nhiều ưu điểm như: dễ sử dụng công cụ hiệu cao, giảng viên đáng giá cao tính phần mềm mơi trường đào tạo Hình 1.1 – Phần cứng TINALab II TINA chia thành hai phiên TINA Bộ thiết kế TINA (TINA Design Suite) TINA có phần mơ mạch Bộ thiết kế TINA cịn có thêm tính thiết kế PCB tiên tiến Modun thiết kế mạch in tích hợp đầy đủ có tất đặc điểm cần thiết cho việc thiết kế PCB tiên tiến, bao gồm PCB linh hoạt nhiều lớp với nguồn tách rời, tự động đặt tự động dây mạnh, tách hết dây lại, đổi chân (pin) cổng (gate),… Phần mềm TINA xây dựng với nhiều Phần tương tác với nhau, người thiết kế vẽ mạch sơ đồ nguyên lý chuyển sang dạng mạch in, quan sát mạch in dạng 3D xuất tập tin hình ảnh để gửi đến nhà sản xuất… Ngồi ra, TINA cịn cung cấp cơng cụ phân tích khác như:  Phân tích DC: tính tốn điểm làm việc chiều đặc tuyến truyền đạt mạch tương tự Người sử dụng hiển thị điện áp đo tính tốn điện áp nút cách lựa chọn nút trỏ Đối với mạch số, chương trình giải phương trình trạng thái logic hiển thị kết nút theo bước  Phân tích độ (Transient analysis): chế độ transient chế độ hỗn hợp TINA, đáp ứng mạch theo dạng sóng đầu vào tính tốn Các dạng sóng đầu vào lựa chọn từ vài tùy chọn (xung, bước đơn vị, sóng hình sin, sóng tam giác, sóng vng, sóng hình thang, dạng sóng kích thích mà người dùng tự định nghĩa) tham số hóa theo yêu cầu Đối với mạch số, xung đồng hồ lập trình máy phát tín hiệu số có sẵn  Phân tích Fourier: Ngồi việc tính tốn hiển thị đáp ứng hệ số dãy Fourier, méo hài tín hiệu tuần hồn phổ Fourier tín hiệu khơng tuần hồn tính tốn  Mơ số: TINA bao gồm mô nhanh mạnh cho mạch số Ta theo dấu hoạt động mạch bước một, tiến phía trước lùi lại phía sau, xem sơ đồ thời gian hồn chỉnh cửa sổ phân tích logic đặc biệt Ngoài cổng logic, thư viện linh kiện lớn TINA cịn có IC phần tử số khác  Mô VHDL: TINA bao gồm mô VHDL để kiểm tra thiết kế VHDL môi trường số mơi trường tín hiệu hỗn hợp tượng tự - số Nó hỗ trợ tiêu chuẩn ngơn ngữ IEEE 1076-1987 10761993 tiêu chuẩn IEEE 1164 (tiêu chuẩn logic) Các mạch chứa khối VHDL chỉnh sửa từ thư viện TINA, cấu kiện FPGAs & CPLDs, VHDL người dùng tự tạo tải từ Internet Người dùng chỉnh sửa nguồn VHDL cấu kiện VHDL xem kết Với tùy chọn mô VHDL tùy chọn, người dùng phát triển gỡ lỗi code VHDL bên bên ngồi TINA Bộ mơ VHDL bao gồm Hiển thị dạng sóng, Quản lý dự án Trình duyệt phân tầng  Mơ vi điều khiển: TINA bao gồm phạm vi rộng vi điều khiển (PIC, AVR, 8051) cho phép người sử dụng kiểm tra, gỡ lỗi chạy cách tương tác Kết hợp với Trình biên dịch hợp ngữ (assembler) cho phép người dùng sửa đổi code hợp ngữ xem kết  Phân tích AC: cho phép tính tốn điện áp, dịng điện, trở kháng, cơng suất Thêm vào đó, phần mềm cho phép vẽ đồ thị biên độ, đồ thị pha Nyquist Bode đặc tính trễ nhóm mạch tương tự Đối với mạng phi tuyến việc tuyến tính điểm làm việc thực cách tự động  Ngồi TINA cịn cung cấp tính Biên tập gỡ lỗi theo biểu đồ tiến trình (flowchart), Phân tích mạng, Phân tích nhiễu, Phân tích ký hiệu, Phân tích “tình xấu nhất” Monte-Carlo, Tối ưu hóa, Tiền xử lý  Các thiết bị đo ảo: đặc điểm bật TINA mà phần mềm Thiết kế - Mô mạch điện tử khác khơng có, hỗ trợ nhiều thiết bị đo ảo, bao gồm máy tạo sóng chức năng, máy đo đa số, máy ghi dạng sóng trục XY, máy sóng, máy phân tích tín hiệu, máy phân tích phổ, máy phân tích logic, máy phân tích mạng, …  Các đo lường kiểm tra thời gian thực: TINA xa việc mô phần cứng phụ trợ lắp đặt máy chủ Với phần cứng này, cơng cụ mạnh TINA thực phép đo thời gian thực mạch thực hiển thị kết thiết bị đo ảo Một đặc điểm bật khác TINA chức bo mạch 3D thật, cho phép tự động xây dựng giống ảnh 3D sống động bo mạch mà hàn Khi TINA chạy chế độ tương tác, linh kiện chuyển mạch, LED, thiết bị,… trở thành “như thật” làm việc bo mạch ảo linh kiện thật mạch thực tế Chức TINA sử dụng để chuẩn bị xây dựng thí nghiệm Chú ý, điện dung cao tương đối tồn hàng chân kề Đối với mạch tần số cao (trên 100kHz), điện dung dẫn đến hoạt động không mong muốn Ta lắp ráp mạch bước cách tạo toàn mạch bo mạch Nhặt di chuyển phần bo mạch sử dụng chuột TINA tự động xếp lại việc dây cách tự động trì kết nối Công cụ bo mạch chủ yếu dành cho mục đích giáo dục để chuẩn bị thí nghiệm mơi trường 3D an tồn Cơng cụ bo mạch sử dụng để hướng dẫn cách dây thực tế bo mạch việc kiểm tra phòng thí nghiệm Cách sử dụng chức bo mạch 3D: từ menu View, chọn Live 3D Breadboard New Cửa sổ 3D Viewer xuất với bo mạch trống (chưa có cấu kiện) cửa sổ TINA Cửa sổ bên cho phép xem cửa sổ thiết kế mạch nguyên lý cửa sổ bo mạch lúc Sau người sử dụng lắp mạch theo sơ đồ ngun lý thơng thường hình ảnh linh kiện dây nối hiển thị cách đồng thời bo mạch (hình 1.2) Hình 1.2 - Chức bo mạch 3D thật Tóm lại, tương tác cao, đầy đủ tính dễ sử dụng làm cho phần mềm TINA chiếm ưu phần mềm Thiết kế mạch khác nay… 1.2 Các đối tượng phần mềm  Với ưu điểm trên, phần mềm TINA công cụ vô đắc lực hỗ trợ cho kỹ sư thiết kế mạch điện tử, nhà sản xuất mạch in  Phần mềm hỗ trợ mô tương tự mô số nên giảng viên đánh giá cao môi trường nghiên cứu trường đại học  Bên cạnh đó, phần mềm cơng cụ giúp cho sinh viên, nghiên cứu sinh ngành điện tử viễn thông tiếp cận với việc mô mạch điện tử, thiết kế mạch in cách trực quan dễ dàng  Hiện nay, nhà sản xuất DesignSoft thương mại hoá nhiều phiên TINA khác với giá thành khác để phục vụ cho đối tượng khác nhau… 1.3 Cấu hình máy tính u cầu Để sử dụng phần mềm TINA, người sử dụng phải có cấu hình máy tính tối thiểu sau:  CPU Pentium II cao  64 MB nhớ (RAM)  Ổ cứng cịn trống 100 MB  Ổ CD-ROM  Màn hình màu SVGA  Hệ điều hành: Windows 9x, Windows NT/ME/XP, Windows 2000 Để bắt đầu chương trình TINA, người dùng làm theo cách sau:  Từ Start chọn: Start -> Programs -> Tina -> Tina.exe  Bấm vào Biểu tượng Desktop: Lưu ý: Sử dụng phím F1 để xem Hướng dẫn theo chủ đề CHƯƠNG HƯỚNG DẪN CƠ BẢN SỬ DỤNG PHẦN MỀM Trong chương này, tìm hiểu Giao diện Cấu trúc tổ chức phần mềm Từ bước làm quen với việc sử dụng phần mềm 2.1 Giao diện phần mềm Sau khởi động, giao diện chương trình xuất hiện: Hình 2.1 – Giao diện chương trình 11 Menu Bar: Trình đơn hiển thị danh sách lệnh The Cursor or Pointer: Con trỏ - sử dụng để lựa chọn lệnh chỉnh sửa sơ đồ nguyên lý Ta di chuyển trỏ chuột máy tính Phụ thuộc vào chế độ hoạt động mà trỏ có dạng sau:  hình mũi tên cửa sổ chương trình 10 ... khoa Điện tử - Viễn thông, Điện - Điện tử trường đại học học viện nước giảng dạy môn Cấu kiện điện tử có thí nghiệm xây dựng kít thí nghiệm có sẵn Một số trường trọng đến việc xây dựng thí nghiệm. .. mạch điện tử hay mạch in chúng Do đề tài ? ?Xây dựng thí nghiệm mơ cho mơn học Cấu kiện điện tử? ?? dựa công cụ mô phần mềm TINA đưa nhằm mục đích giới thiệu cho sinh viên ngành ĐT-VT ngành Điện – Điện. .. mềm thiết kế điện tử tự động Đối với trường đại học nước ngồi, việc kết hợp thí nghiệm dựa kít thí nghiệm có sẵn thí nghiệm mơ dựa phần mềm thiết kế điện tử tự động việc giảng dạy môn học thực tốt