Программа для тестирования схем. Qucs — open-source сапр для моделирования электронных схем

Electronics Workbench Multisim 14 наиболее известная программа для конструирования, проектирования и моделирования радиоэлектронных схем. Multisim сочетает в себе профессиональные возможности с простотой работы интерфейса программы. Это идеальный инструмент не только для учебного, но и для промышленного производства.

Простая в использовании среда проектирования Multisim позволит пользователю уйти от использования традиционных методов моделирования схем, и обеспечит мощным инструментом для анализа схем. Утилита – позволяет оптимизировать свои проекты, минимизировать ошибки и снизить число итераций при разработке. Кроме того теперь в комплект ПО NI Ultiboard (проектирования топологии печатных плат).

Огромная подборка готовых радиоэлементов, диодов, конденсаторов, транзисторов и т.п. Поможет вам очень быстро смоделировать процессы происходящие почти в любой радиолюбительской конструкции.

Начнем с ознакомления с интерфейсом программы .

Особый интерес для радиолюбителя лежит в панели компонентов. С помощью нее происходит доступ к базе радиоэлементов. При нажатии на любую из выбранных пиктограмм открывается окно выбор компонента . В левой части окна мы выбираем требуемый компонент.

Вся база радиоэлектронных компонентов поделена на разделы (пассивные элементы, транзисторы, микросхемы и т. д.), а разделы на семейства (диоды - стабилитроны, светодиоды, тиристоры и т. д.). Надеюсь смысл ясен.

Кроме того, в окне выбора радио-элемента можно посмотреть обозначение выбранного компонента, описание его функции, выбрать тип корпуса.

Моделирование схем в Multisim

Давайте соберем несложную схему и посмотрим эмуляцию ее работы! За основу я взял , где в качестве нагрузки подключил светодиоды.

При необходимости можем использовать различные виртуальные измерительные приборами, например осциллограф и посмотреть сигналы в любых точках схемы.

Соберём простую электрическую цепь, для этого нам понадобиться (dc-power) источник постоянного напряжения и парочка (resistor) сопротивлений.

Допустим нам требуется определить ток в неразветвленной части цепи, напряжение на первом сопротивлении и мощность на втором. Для этого нам потребуются три виртуальных измерительных прибора два мультиметр и ваттметр. Первый мультиметр установим в режим измерения силы тока - амперметра, другой – вольтметра. Токовую обмотку ваттметра подсоединим во вторую ветвь - последовательно, обмотку напряжения параллельно второму сопротивления.

После того как виртуальная схема собрана нажимаем на кнопку пуск и смотрим показания измерительных приборов.

На всякий пожарный по проверим правильность показаний виртуальных измерительных устройств.

Как видно из расчетов виртуальные показания оказались верными.

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 (

В связи с широким развитием вычислительных устройств задача расчета и моделирования электрических схем заметно упростилась. Наиболее подходящим программным обеспечением для данных целей является продукт National instruments – Multisim (Electronic Workbench).

В данной статье рассмотрим простейшие примеры моделирования электрических схем с помощью Multisim.

Итак, у нас имеется Multisim 12 это последняя версия на момент написания статьи. Откроем программу и создадим новый файл с помощью сочетания Ctrl+N.

После создания файла перед нами открывается рабочая зона. По сути, рабочая зона Multisim – это поле для собирания требуемой схемы из имеющихся элементов, а их выбор, поверьте велик.

Кстати вкратце о элементах. Все группы по умолчанию расположены на верхней панели. При нажатии на какую либо группу, перед вами открывается контекстное окно, в котором вы выбираете интересующий вас элемент.

По умолчанию используется база элементов – Master Database. Компоненты содержащиеся в ней разделены на группы.

Перечислим вкратце содержание групп.

Sources содержит источники питания, заземление.

Basic – резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.

Diodes – содержит различные виды диодов.

Transistors - содержит различные виды транзисторов.

Analog - содержит все виды усилителей: операционные, дифференциальные, инвертирующие и т.д.

TTL - содержит элементы транзисторно-транзисторная логики

CMOS - содержит элементы КМОП-логики.

MCU Module – управляющий модуль многопунктовой связи.

Advanced_Peripherals – подключаемые внешние устройства.

Misc Digital - различные цифровые устройства.

Mixed - комбинированные компоненты

Indicators - содержит измерительные приборы и др.

С панелью моделирования тоже ничего сложного, как на любом воспроизводящем устройстве изображены кнопки пуска, паузы, останова. Остальные кнопки нужны для моделирования в пошаговом режиме.

На панели приборов расположены различные измерительные приборы (сверху вниз) - мультиметр , функциональный генератор, ваттметр, осциллограф, плоттер Боде, частотомер, генератор слов, логический конвертер, логический анализатор, анализатор искажений, настольный мультиметр.

Итак, бегло осмотрев функционал программы, перейдём к практике.

Пример 1

Для начала соберём простенькую схему, для этого нам понадобиться источник постоянного тока (dc-power) и пара резисторов (resistor).

Допустим нам необходимо определить ток в неразветвленной части, напряжение на первом резисторе и мощность на втором резисторе. Для этих целей нам понадобятся два мультиметра и ваттметр. Первый мультиметр переключим в режим амперметра, второй – вольтметра, оба на постоянное напряжение. Токовую обмотку ваттметра подключим во вторую ветвь последовательно, обмотку напряжения параллельно второму резистору.

Есть одна особенность моделирования в Multisim – на схеме обязательно должно присутствовать заземление, поэтому один полюс источника мы заземлим.

После того как схема собрана нажимаем на пуск моделирования и смотрим показания приборов.

Проверим правильность показаний (на всякий случай=)) по закону Ома

Показания приборов оказались верными, переходим к следующему примеру.

Пример 2

Соберём усилитель на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. В качестве источника входного сигнала используем функциональный генератор (function generator). В настройках ФГ выберем синусоидальный сигнал амплитудой 0,1 В, частотой 18,2 кГц.

С помощью осциллографа (oscilloscope) снимем осциллограммы входного и выходного сигналов, для этого нам понадобится задействовать оба канала.

Чтобы проверить правильность показаний осциллографа поставим на вход и на выход по мультиметру, переключив их предварительно в режим вольтметра.

Запускаем схему и открываем двойным кликом каждый прибор.

Показания вольтметров совпадают с показаниями осциллографа, если знать что вольтметр показывает действующее значение напряжения, для получения которого необходимо разделить амплитудное значение на корень из двух.

Пример 3

С помощью логических элементов 2 И-НЕ соберём мультивибратор, создающий прямоугольные импульсы требуемой частоты. Чтобы измерить частоту импульсов воспользуемся частотомером (frequency counter), а проверим его показания с помощью осциллографа.

Итак, допустим, мы задались частотой 5 кГц, подобрали опытным путём требуемые значения конденсатора и резисторов. Запускаем схему и проверяем, что частотомер показывает приблизительно 5 кГц. На осциллограмме отмечаем период импульса, который в нашем случае равен 199,8 мкс. Тогда частота равна

Мы рассмотрели только малую часть всех возможных функций программы. В принципе, ПО Multisim будет полезен как студентам, для решения задач по электротехнике и электронике, так и преподавателям для научной деятельности и т.д.

Надеемся данная статья оказалась для вас полезной. Спасибо за внимание!