В настоящее время существует не так уж и много open-source САПР. Тем не менее, среди САПР для электроники (EDA) есть весьма достойные продукты. Этот пост будет посвящён моделировщику электронных схем с открытым исходным кодом . Qucs написан на С++ с использованием фреймворка Qt4. Qucs является кроссплатформенным и выпущен для ОС Linux, Windows и MacOS.

Разработку данной САПР начали в 2004 году немцы Michael Margraf и Stefan Jahn (в настоящее время не активны). Сейчас Qucs разрабатывается интернациональной командой, в которую вхожу и я. Руководителями проекта являются Frans Schreuder и Guilherme Torri. Под катом будет рассказано о ключевых возможностях нашего моделировщика схем, его преимуществах и недостатках по сравнению с аналогами.

Главное окно программы показано на скриншоте. Там смоделирован резонансный усилитель на полевом транзисторе и получены осциллограммы напряжения на входе и выходе и также АЧХ.

Как видно, интерфейс интуитивно понятен. Центральную часть окна занимает собственно моделируемая схема. Компоненты размещаются на схеме методом перетаскивания из левой части окна. Виды моделирования и уравнения также являются особыми компонентами. Более подробно принципы редактирования схем описаны в документации к программе.

Формат схемного файла Qucs основан на XML и к нему поставляется документация. Поэтому схема Qucs может быть легко сгенерирована сторонними программами. Это позволяет создавать ПО для синтеза схем, которое является расширением Qucs. Проприетарное ПО как правило использует бинарные форматы.

Перечислим основные компоненты, имеющиеся в Qucs:

1. Пассивные RCL-компоненты
2. Диоды
3. Биполярные транзисторы
4. Полевые транзисторы (JFET, MOSFET, MESFET и СВЧ-транзисторы)
5. Идеальные ОУ
6. Коаксиальные и микрополосковые линии
7. Библиотечные компоненты: транзисторы, диоды и микросхемы
8. Файловые компоненты: подсхемы, spice-подсхемы, компоненты Verilog

Библиотека компонентов использует собственный формат, основанный на XML. Но можно импортировать существующие библиотеки компонентов, основанные на Spice (приводятся в даташитах на электронные компоненты).

Поддерживаются следующие виды моделирования:

1. Моделирование рабочей точки на постоянном токе
2. Моделирование в частотной области на переменном токе
3. Моделирование переходного процесса во временной области
4. Моделирование S-параметров
5. Параметрический анализ

Результаты моделирования можно экспортировать в Octave/Matlab и выполнить там постобработку данных.

Qucs основан на вновь разработанном движке схемотехнического моделирования. Отличительной особенностью этого движка является встроенная возможность моделирования S-параметров и КСВ, что важно для анализа ВЧ-схем. Qucs может пересчитывать S-параметры в Y- и Z-параметры.

На скриншотах показан пример моделирования S-параметров широкополосного усилителя высокой частоты.

Итак, отличительной особенностью Qucs является возможность анализа комплексных частотных характеристик (КЧХ), построение графиков на комплексной плоскости и диаграмм Смита, анализ комплексных сопротивлений и S-параметров. Эти возможности отсутствуют в проприетарных системах MicroCAP и MultiSim, и здесь Qucs даже превосходит коммерческое ПО и позволяет получить недостижимые для симуляторов электронных схем, основанных на Spice результаты.

Недостатком Qucs является малое количество библиотечных компонентов. Но этот недостаток не является препятствием к использованию, так как Qucs совместим с форматом Spice в котором приводятся модели электронных компонентов в даташитах. Также моделировщик работает медленнее, чем аналогичные Spice-совместимые моделировщики (например MicroCAP (проприетарный) или Ngspice (open-source)).

В настоящее время мы работаем над возможностью предоставления пользователю выбора движка для моделирования схемы. Можно будет использовать встроенный движок Qucs, Ngspice (spice-совместимый консольный моделировщик, похожий на PSpice) или Xyce (моделировщик с поддержкой параллельных вычислений через OpenMPI)

Теперь рассмотрим перечень нововведений в недавнем релизе Qucs 0.0.18 перспективных направлений в разработке Qucs:

1. Улучшена совместимость с Verilog
2. Продолжается портирование интерфейса на Qt4
3. Реализован список недавних открытых документов в главном меню.
4. Реализован экспорт графиков, схем в растровые и векторные форматы: PNG, JPEG, PDF, EPS, SVG, PDF+LaTeX. Эта функция полезна при подготовке статей и отчётов, содержащих результаты моделирования
5. Возможность открытия документа схемы из будущей версии программы.
6. Исправлены баги, связанные с зависанием моделировщика при определённых условиях.
7. Ведётся разработка системы синтеза активных фильтров для Qucs (ожидается в версии 0.0.19)
8. Ведётся разработка сопряжения с прочими open-source движками для моделирования электронных схем (

Для проектирования и тестирования простых схем достаточно взять макетную плату и начать размещать на ней интересующие компоненты с возможностью быстрой замены того или иного элемента. Макетные платы позволяют легко проверить цепь на наличие ошибок перед пайкой готового продукта. Но если у вас более сложная схема или если вам нужно выполнить довольно непростое моделирование прохождения сигналов по вашему проекту, прежде чем вы начнете собирать конечное устройство, вам понадобится программное обеспечение для моделирования схем или попросту симулятор.

Основными требованиями, предъявляемыми большинством людей (особенно новичками в электронике) к симуляторам электронных схем, являются простота в использовании и как можно меньшая цена, в идеале вообще за бесплатно. Также очень важна функциональность.

Хотя легко получить пробную версию чего-то вроде OrCAD PSpice, это программное обеспечение не имеет всех доступных функций, если вы не хотите, конечно, раскошелиться с целью их приобретения. К счастью, есть абсолютно бесплатное полнофункциональное программное обеспечение для моделирования электронных схем, называемое Qucs (Quite Universal Circuit Simulator), выпущенное под лицензией GPL. Qucs предлагает достойную альтернативу другим платным симуляторам схем. Qucs запускает собственное программное обеспечение отдельно от SPICE, поскольку SPICE не лицензируется для повторного использования.

Qucs имеет большинство компонентов, которые вам понадобятся для моделирования на уровне близком профессиональному, а также это программное обеспечение имеет огромное количество различных моделей транзисторов. Саму программу можно найти на http://qucs.sourceforge.net/. Для более подробной информации на странице Qucs Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Quite_Universal_Circuit_Simulator) перечислены все доступные функции, также имеется страница часто задаваемых вопросов.

По заверениям разработчиков Qucs еще не закончен полностью, и, скорее всего, функции будут добавляться время от времени, поэтому окончательной версии может и не быть, тем не менее, сегодня Qucs уже представляет собой очень функциональный инструмент для моделирования электронных схем. Графический интерфейс пользователя Qucs хорошо развит и позволяет настраивать схемы и представлять результаты моделирования в различных типах диаграмм. Скриншоты, представленные ниже, подтверждают это.

Список бесплатных программ моделирования электронной цепи онлайн очень полезный для вас. Эти симуляторы электроцепи, которые я предлагаю, не нужно быть загружен в компьютере, и они могут работать непосредственно с веб-сайта.1. EasyEDA дизайн электронной цепи, моделирование цепи и PCB дизай :
EasyEDA удивительный бесплатный онлайн симулятор электроцепи , который очень подходит для тех, кто любит электронную схему. EasyEDA команда стремится делать сложную программу дизайна на веб-платформе в течение нескольких лет, и теперь инструмент становится замечательным для пользователей. Программная среда позволяет тебя сам проектировать схему. Проверить операцию через симулятор электроцепи. Когда вы убедитесь функцию цепи хорошо, вы будете создавать печатную плату с тем же программным обеспечением. Есть более 70,000+ доступных диаграмм в их веб-базах данных вместе с 15,000+ Pspice программами библиотеки. На сайте вы можете найти и использовать множество проектов и электронных схем, сделанные другими, потому что они являются публичными и открытыми аппаратными оснащениями. Он имеет некоторые довольно впечатляющие варианты импорта (и экспорта). Например, вы можете импортировать файлы в Eagle, Kikad, LTspice и Altium проектант, и экспортировать файлы в.PNG или.SVG. Есть много примеров на сайте и полезных программ обучения , которые позволяют людей легко управлять.

2. Circuit Sims : Это был один из первых вебов исходя из эмуляторов электроцепи с открытым кодом я тестировал несколько лет назад. Разработчик не удалось повысить качество и увеличить графический интерфейс пользователя.

3. DcAcLab имеет визуальные и привлекательные графики, но ограничивается моделированием цепи. Это несомненно отличная программа для обучения, очень проста в использовании. Это делает вас видеть компоненты, как они сделаны. Это не позволит вам проектировать схему, но только позволит сделать практику.

4. EveryCircuit представляет собой электронный эмулятор онлайн с хорошими сделанными графиками. Когда вы входите в онлайн программу, и она будет просить вас создать бесплатный счет, чтобы вы можете сохранить ваши проекты и иметь ограниченную часть площади рисовать вашу схему. Чтобы использовать его без ограничений, требующих годовой взнос в размере $ 10. Он можно скачивать и использоваться на платформах Android и iTunes. Компоненты имеют ограниченную способность имитировать с небольшими минимальными параметрами. Очень просто в использовании, он имеет прекрасную систему электронного дизайна. Она позволяет вам включать (вставлять) моделирование в ваши веб-страницы.

5. DoCircuits : Хотя она оставляет людям первое впечатление от путаницы о сайте, но она дает много примеров о том, как работает программа, можно видеть себя на видео "будет начать в пять минут". Измерения параметров электронной схемы продемонстрируют с реалистичными виртуальными инструментами.

6. PartSim электронный симулятор схемы онлайн. Он был способным к моделированию. Вы можете рисовать электрические схемы и протестировать их. Он еще новый симулятор, так что есть несколько компонентов, чтобы сделать моделирования для выбора.

7. 123D Circuits Активная программа разработана AutoDesk, она позволяет вам создавать схему, можно увидеть её на макетной плате, использовать платформу Arduino, имитировать электронную схему и окончательно создать PCB. Компоненты продемонстрируются в 3D в их реальной форме. Вы можете запрограммировать Arduino непосредственно из этой программы моделирования, (она) действительно производит глубокое впечатление.

Симулятор с дружелюбным интерфейсом для разработки и расчета электронных цепей и контуров.

Программное обеспечение Quite Universal Circuit Simulator является редактором с графическим интерфейсом с комплексом технических возможностей для конструирования схем. Для управления сложными схемами включена возможность разворачивания подсхем и формирования блоков. Софт включает встроенный текстовый редактор, приложения для расчета фильтров и согласованных цепей, калькуляторы линий и синтеза аттенюаторов. Чертеж можно оформить с обрамлением рамки и стандартного штампа.

Qucs включает широкую базу современных компонентов, разделенных на категории: дискретные (резисторы, конденсаторы и др), нелинейные (транзисторы и диоды), цифровые (базовые цифровые устройства и логические вентили) и другие (источники, измерители). Особый интерес представляют рисунки и диаграммы.

Qucs может настраиваться на множество языков, включая русский.

Программа функционирует на Mac OS, Linux и Windows XP, Vista, 7 и 8.

Бесплатно.

Симулятор “Начала электроники”

Существует очень интересная программа, которая представляет собой несложный симулятор для демонстрации работы электрических схем и работы измерительных приборов. Удобство его не только в наглядности, но и в том, что интерфейс на русском языке. Она позволяет смоделировать на макетнице очень простые принципиальные схемы. Называется программа “Начала электроники”. Ссылка на нее внизу страницы, видео канала Михаила Майорова.

Для радиолюбителей и самодельщиков есть всё в этом китайском магазине .

Программа работает, начиная от Windows 98 и заканчивая Windows 7. Интерфейс выглядит следующим образом.

Внизу располагается чертеж печатной платы, но для нас наибольший интерес представляет панелька с макетной платой. Наверху кнопки управления: загрузить схему из файла, сохранить схему, очистка макетной платы, получить мультиметр, получить осциллограф, показать параметры деталей, состояние деталей, справочник, (кратко изложены понятия об электричестве), небольшой список лабораторных работ для самостоятельного их проведения, инструкция по пользованию симулятором, информация об авторах, выход из программы.

На видео о том, как работает симулятор цепи.

Что можно собрать на симуляторе схем?

На этом простом симуляторе можно собрать довольно много интересных вещей. Для начала давайте смоделируем обычный фонарик. Для этого нам потребуется лампочка, две батарейки и, естественно, все это надо будет соединить перемычками. Ну и какой же фонарик без выключателя и лампочки?

Двойным щелчком вызываем окно параметров батарейки. На появившейся вкладке видим напряжение, внутреннее сопротивление, показывающее ее мощность, миниполярность. В данном случае батарейка вечная.

Когда схема собрана, нажимаем два раза выключатель и лампочка почему то сгорает. Почему? Суммарное напряжение последовательно соединенных батареек 3 вольта. Лампочка по умолчанию была на 2,5 вольта, поэтому и сгорела. Ставим 3-вольтовую лампочку и снова включаем. Лампочка благополучно светится.

Теперь берем вольтметр. Вот у него загораются “ладошки”. Это измерительные щупы. Давайте перенесем щупы к лампочке и поставим измерение постоянного напряжения с пределом 20 Вольт. На мониторе показывает 2,97 вольта. Теперь попробуем измерить силу тока. Для этого берем второй мультиметр. Прибор, подсоединенный в схему, показал почти 50 миллиампер.

Практически как на настоящем мультиметре, можно измерить множество параметров. Есть также в симуляторе осциллограф, у которого даже регулируется яркость луча. Кроме того, есть реостат, можно двигать движок. Есть переменный конденсатор, шунты, нагревательная печка, резисторы, предохранители и другое. К сожалению, в данном симуляторе нет транзисторов.

Сегодня хочу рассказать об очень интересном сервисе, который попался мне на просторах интернета - это сервис для черчения электрических схем , который называется Scheme-it. Сервис мне понравился тем, что позваляет нарисовать электическую схему "на коленке", то есть по быстрому. Ниже я подготовил краткий обзор данного сервиса.

Scheme-it-это онлайн инструмент для черчения принципиальных и структурных схем, электротехнических чертежей, который позволяет не только создавать схемы, но и сохраняя их на сервере давать открытые web-ссылки на ваши схемы.

Сервис доступен по адресу http://www.digikey.com/schemeit .

Сервис включает в себя полный набор схематических символов для построения электрических цепей, а также интегрированный Digi-Key каталог, который поддерживает вставку изображений продуктов и фотографии.

Инструмент также включает в себя интегрированный перечень элементов (спецификацию), с помощью которого можно выбрать конкретный электрорадиоэлемент из каталога и связать параметры реального элемента с элементом схемы.

Как сохранять, открывать и удалять электрические схемы в программе Scheme-it.

Для того, чтобы сохранять созданные в программе электрические схемы и в последствии открывать их с сервера Digi-Key вам необходимо войти на сайт под своим логином.

Если вы не имеете учетной записи в Digi-Key, то пройдите простую процедуру регистрации на сайте через окно, которое открывается при входе на сайт Digi-Key на страницу онлайн программы для черчения схем по адресу http://www.digikey.com/schemeit.

Либо нажмите на кнопку Войти / регистрация (в верхнем правом углу приложения) и создайте новую учетную запись.

Главное меню программы (Main)

Главное меню состоит из четырех блоков: Project, Output, Edit, Histori .

Кнопка "Новый" создает новый проект. Если у вас открыт проект с несохраненными изменениями, приложение предложит вам сохранить изменения, прежде создать новый проект.

Кнопка "Открыть" показывает диалоговое окно, содержащее ранее сохраненных проектов. Диалоговое окно также содержит кнопку удаление, которая позволяет удалить проект. Выделите проект, который вы хотите удалить, и затем нажмите на кнопку Удалить .

Все вышеизложенные функции будут доступны вам после регистрации на сайте программы.

Блок Output.

Кнопка "Экспорт" позволяет экспортировать текущий проект в виде файла изображения *.png или в виде pdf–документа.

Кнопка "Share" позволяет создавать и публиковать веб-ссылку вашей схемы. Веб-ссылка содержит файл изображения схемы внутри веб-страницы и доступна для просмотра в стандартном веб-браузере. Ссылка является открытой.

Кнопка "Print" открывает схему в новом окне, которую можно распечатать используя стандартное меню браузера.

Блок Edit.

Кнопка «Вырезать» вырезает выделенный элемент схемы в буфер обмена.

Кнопка «Копировать» - помещает выделенный элемент в буфер обмена.

Кнопка «Вставить» извлекает из буфера обмена скопированный ранее элемент.

Кнопка «Удалить» удаляет выделенный элемент из схемы.

Блок History

Кнопка «Назад» возвращает на одно действие назад.

Кнопка «Вперед» переход на ранее выполненную операцию.

Рисование схем с помощью программы Scheme-it.

В левой части сайта Scheme-it содержит обширную библиотеку схематических и графических символов (УГО) для использования в принципиальных и структурных электрических схемах, а также в различных рисунках. Для размещения этих символов на схеме, нажмите на необходимую категорию, выберите семейство символов, затем нажмите на символ и перетащите его на схему (используя левую кнопку мыши).

Таким образом, путем последовательных перемещений необходимых элементов, и соединяя их между собой, создается электрическая схема.

Для соединения выводов элементов между собой, нажмите левой кнопкой мыши на выбранном выводе электрорадиоэлемента и не отпуская мышь, протяните линию к следующему элементу.

Пример рисования электтрической схемы усилителя на транзисторах.

Для изменения пространственной ориентации объектов на электрической схеме существует вкладка . При нажатии на эту вкладку вам станут доступны следующие инструменты:

Создание пользовательских условно-графических отображений и символов элементов эклектических схем

В программе Scheme-it есть возможность создавать свои собственные символы. В категории «Пользовательский символ» (Custom Symbol) имеются простейшие элементы для создания собственных символов.

Простейшие элементы включают в себя корпус элемента и выводы элемента (ножки, контакты и т.д.).

Корпус элемента схемы.

Корпус нужен для создания основы будущего условно-графического элемента схемы. Формы корпуса включают в себя: прямоугольник, скругленный прямоугольник и треугольник. При перемещении корпуса на схему, элемент автоматически включается в спецификацию схемы.

Выводы элемента.

При помощи выводов создается окончательный вид графического элемента. Выводы могут подключаться сверху, снизу, слева, справа.

Для подключения соответствующего вывода, просто перетащите его на будущую схему.

Выводы можно перемещать вдоль соответствующей стороны.

Соединение элементов электрической схемы.

Scheme-it позволяет создавать соединения трех типов:

Вывод-вывод (контакт-контакт);

Вывод-провод:

Провод-провод.

Соединение типа: «Вывод-вывод (контакт-контакт)»

Для соединения двух выводов радиоэлементов, необходимо нажать левой кнопкой мыши на первом выводе, подвести курсор ко второму выводы и кликнуть левой кнопкой мыши. Для изменения конфигурации соединительного провода нажмите на него мышкой и перетащите в необходимое место.

Соединение типа «Вывод-провод».

Для соединения вывода элемента схемы с проводом, необходимо кликнуть на выводе элемента левой клавишей, подвести курсор к необходимому месту соединения на проводи и кликнуть левой клавишей второй раз.

Соединение типа «Провод - провод».

Для соединения двух проводов, необходимо кликнуть на выбранном месте соединения первого провода, тем самым создастся первое соединение, далее кликнут на необходимом месте на втором проводе создастся второе соединение.

Добавление и редактирование текста элементов схем.

Свойства текста.

При добавлении в схему различных элементов, рядом с ними появляются некоторые текстовые пометки, например обозначение, номинал и т. д.

Для изменения свойств этого текста необходимо выделить данную текстовую пометку (выделяется зеленой пунктирной лентой), перейти в верхнее меню на вкладку «Font». Далее в кладке «Font» устанавливаются необходимые свойства текста (цвет, масштаб шрифта, стиль, выравнивание, обтекание).

Добавление текста к существующим символам.

Добавить текст к существующему символу можно щелкнув двойным щелчком левой клавишей мыши на изображении элемента. При этом откроется окно «Свойства компонента» , в котором можно заполнить недостающие характеристики этого элемента.

Такие как «обозначение» , «имя» , «номинал» и др. Не забудьте для отображения данных характеристик на схеме поставить напротив них галочки.

Перечень элементов (BOM менеджер)

Сервис для черчения схем он-лайн Scheme-it имеет инструмент - перечень элементов (спецификацию), в который автоматически добавляются все элементы схемы с их свойствами: обозначение, имя, номинал, номер детали, описание и др.

При добавлении нового элемента в схему программа автоматически добавляет его в перечень элементов.

Для просмотра свойства элемента схемы и его атрибутов необходимо дважды щелкнуть на выбранном элементе, после этого откроется окно свойств элемента.

В этом окне можно менять любые атрибуты элемента схемы.

В правой части программы для рисования схем Scheme-it имеется панель, с помощью которой вы сможете осуществлять поиск по каталогу Digi-Key.

Это функция полезна для просмотра справочных данных по конкретному электрорадиоэлементу.

Достоинства сервиса:

• достаточно простой интерфейс программы (не смотря на английский язык);
• сервис-хорошая возможность для рисования схем на чужем компьютере без установки специальных программ (достаточно иметь интернет);
• возможность сохранения схем на сервере;
• публикация открытых ссылок на ваши схемы, находящиеся на сервере;
• экспорт в рисунок PNG или документ PDF;

Недостатки :

• отсутствие русского языка интерфейса и справки (однако можно воспользоваться встройннй в браузер переводчик!);
• библиотека компонентов выполнена не по отечественным стандартам;
• необходимость иметь постоянный интернет для работы сервиса.

Итак, поработав в программе я могу сделать следующие выводы :

Достаточно интересный сервис, хотя библиотека элементов схем выполнена не по ГОСТ, имеются интересные обозначения и значки. Рекомендую использовать для черчения не больших электрических схем, в том случае если нет возможности поработать с специальными программами для черчения схем (например чужой компьютер и т. д.). Имеющаяся библиотека достаточна для черчения базовых схем электроники.

P.S: Вариант использования сервиса для черчения электрических схем Scheme-it с помощью встроенного в браузер переводчика

Предлагаю посмотреть подробное видео о том как пользоватся онлайн сервисом для черчения электрических схем: