Выбор прикладных программ для моделирования электрических схем
Скворцов Виталий — [email protected]
Низаметдинов Константин — [email protected]
№ 1’2013
PDF версия
В настоящее время существует множество прикладных программ для моделирования электрических схем, например MATLAB, SwitcherCAD, QUCS, NI Multisim и т. д. С их помощью можно смоделировать большинство схем, поскольку то, чего не может одна моделирующая среда, сможет другая. Таким образом, используя два–три инструмента, можно перекрыть все потребности инженеров-разработчиков. Однако существуют и специфические потребности, к примеру, моделирование помехоэмиссии по цепям питания. Статья посвящена поиску наиболее удобного и точного инструментария, позволяющего исследовать уровень кондуктивной помехоэмиссии силовыми преобразователями в питающую сеть.
Поскольку вопрос электромагнитной совместимости (ЭМС) все острее встает перед разработчиками при проектировании электронных устройств (ЭУ), появляется необходимость в программном обеспечении (ПО), позволяющем облегчить задачу такого рода.
- для проведения испытаний не требуется дорогостоящее оборудование и квалифицированный персонал;
- на стадии проектирования есть возможность уменьшить уровень электромагнитных помех (ЭМП) ЭУ схемотехническими методами, не прибегая к дополнительным, усложняющим схему многозвенным фильтрам;
- всегда существует вероятность выхода из строя ЭУ в процессе испытаний.
Условия эксперимента
В качестве объекта исследования был взят непосредственный одноключевой преобразователь повышающего типа (рис. 1). В качестве метода исследования программного продукта на адекватность моделирования выбран метод сопоставления результатов исследований натурного образца и результатов моделирования аналогичной схемы в соответствующем программном пакете. Собранный по рис. 1 макет преобразователя исследовался на уровень кондуктивных электромагнитных помех по методике ГОСТ Р 51318.
Рис. 1. Схема макета преобразователя
Преобразователь такого класса может работать в режимах непрерывного и прерывистого тока дросселя. Исследования были проведены на макете в режиме прерывистого тока. Для анализа частотной области радиопомех исследования были проведены при частотах работы преобразователя 20 и 50 кГц. При этом величиной индуктивности L1 задавались как режим работы преобразователя, так и значение коммутируемого тока (таблица).
| Параметр | Значение | ||
| Ток коммутации Iк, А | 4 | 2,3 | 1,92 |
| Частота преобразования fпр, кГц | 20 | 20 | 50 |
| Индуктивность дросселя L1, мкГн | 50 | 85 | 50 |
| Мощность нагрузки Pн, Вт | ≃25 Вт | ||
В процессе экспериментов при изменении параметров схемы неизменной оставалась мощность нагрузки.
Диаграммы рис. 2 иллюстрируют режим прерывистого тока преобразователя при токе коммутации 1,92 А.
Рис. 2. Диаграммы (режим прерывистого тока преобразователя при токе коммутации 1,92 А)
Чтобы получить результаты моделирования ЭМП, близкие к данным, полученным в ходе выполнения экспериментов, необходимо учитывать многие паразитные параметры электрической схемы и ее компонентов, такие как емкости переходов в полупроводниковых элементах, времена рассасывания неосновых носителей, сопротивление каналов, емкости и индуктивности проводов и дорожек на печатных платах и т. д. Однако основными источниками ЭМП в электронных устройствах являются ключевые переключающие компоненты: транзисторы и диоды. В процессе исследований были учтены следующие паразитные параметры компонентов: омическое сопротивление затвора, истока и стока; пороговое напряжение; максимальная и минимальная нелинейная емкость затвор–сток; емкость затвор–исток; емкость перехода внутреннего диода; ток насыщения внутреннего диода и его сопротивление; суммарный заряд затвора и т.
На основании описанного в литературе функционала были выделены три программных продукта: MATLAB, NI Multisim и SwitcherCAD. В каждом из них было проведено исследование схемы (рис. 1) в одном из указанных ранее режимов, результаты моделирования сопоставлялись с результатами исследования макета в этом режиме как во временной, так и в частотной области.
Полученные результаты
MATLAB — пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений. Среда моделирования обладает довольно обширными возможностями для проведения различных исследований электрических схем, существует возможность выбора метода решений дифференциальных уравнений. Однако есть и недостатки, к которым относится значительное время моделирования, невозможность использования реальных компонентов для анализа коммутационных процессов, а также необходимость покупки лицензии. Моделирование в программном пакете MATLAB не позволило получить результаты, сопоставимые с экспериментальными данными, ни во временной, ни в частотной области.
NI Multisim (ранее MultiSIM) представляет собой пакет из программ для моделирования электронных схем, а также построения электронных схем и их последующей разводки. Данная моделирующая среда имеет большую библиотеку реальных электронных компонентов и электронных средств измерения. Это позволяет достичь наиболее достоверных результатов. К существенному недостатку можно отнести высокую стоимость программы, однако возможно приобрести бесплатную студенческую версию с ограничением в использовании до 50 элементов на схеме. Результаты моделирования повышающего преобразователя NI Multisim позволяют говорить о сходимости результатов с точностью 5% во временной области. Результаты моделирования в частотной области не коррелируют с экспериментальными данными.
Рис. 3. Спектрограммы, полученные в результате моделирования и экспериментальных исследований при Iк = 4 А, fпр = 20 кГц
SwitcherCAD/LTSpice — программа, разработанная компанией Linear Technology, предназначенная для проектирования электронных цепей (аналоговых и цифровых) и анализа их параметров в различных режимах.
Средства программы позволяют строить электронные цепи средней и большой сложности за счет создания подцепей. В отличие от рассмотренных ранее программ, SwitcherCAD характеризуется более высокой скоростью моделирования и меньшим объемом требуемого дискового пространства. Также достоинством программы является ее свободное распространение (freeware). К недостаткам SwitcherCAD следует отнести «менее дружественный» интерфейс, а также ограниченное количество собственных библиотек элементов. При использовании данного пакета удалось получить результаты моделирования и натурных испытаний во временной области с точностью до 5%. Сравнительные результаты моделирования напряжения помех на входе устройства и экспериментов в частотной области приведены на рис. 3–5.
Рис. 4. Спектрограммы, полученные в результате моделирования и экспериментальных исследований при Iк = 2,3 А, fпр = 20 кГц
Рис. 5. Спектрограммы, полученные в результате моделирования и экспериментальных исследований при Iк = 1,92 А, fпр = 50 кГц
В процессе моделирования SwitcherCAD строит спектрограммы в дБВ, причем, не пиковых значений, а RMS (среднеквадратичных).
Для их соотнесения с экспериментальными, данные необходимо перевести в дБмкВ. Полученные результаты позволяют говорить о сходимости данных моделирования в частотной области с данными экспериментов.
Выводы
В ходе проведенной работы были протестированы моделирующие программы на возможность измерения кондуктивной помехоэмиссии. Полученные данные не отражают всей специфики реальных испытаний, однако результаты моделирования в SwitcherCAD полностью удовлетворяют предварительным (оценочным) исследованиям. По результатам исследования можно рекомендовать SwitcherCAD как среду наиболее простую, понятную и адекватно справляющуюся с поставленной задачей. К тому же, согласно [1], SwitcherCAD является наиболее быстрой средой для расчета.
Литература
- Востриков А. В., Абрамешин А. Е. Тестирование коммерческого программного обеспечения для моделирования и анализа эквивалентных электрических схем космических аппаратов // Технологии ЭМС.
2012. № 1(40).
2012. № 1(40).CAD или САПР программы — системы автоматизированного проектирования
QCad Community Edition — 2D система автоматизированного проектирования с открытым исходным кодом.
Включает в себя различные инструменты для черчения и проектирования на компьютере и работает с форматом DXF.
Основные возможности QCad Community Edition:
- Поддерживает большое количество графических примитивов — точки, линии, полилинии, круги, эллипсы, дуги, а также тексты, штриховки и сплайны.
- Поддерживает атрибуты графических примитивов — цвет, тип линии и ширина линии.
- В работе используются слои, каждый примитив может находиться на отдельном слое, что полезно при организации и структурировании чертежа.
- Применяется концепция блоков — именованных групп графических примитивов, которые, располагаясь в блоке могут обладать различными атрибутами, масштабом и т.д.
- Большое количество вспомагательных элементов, облегчающих черчение — линейки, сетки и т. д.
- Поддержка работы в Декартовой системе координат и в системе полярных координат.
- Примитивы могут подвергаться изменениям и редактированию, например, их можно перемещать, поворачивать, отражать и масштабировать сохраняя геометрию изменяемых примитивов.
- Дополнительные возможности по работе с примитивами — удаление, копирование, удаление с копированием.
- Возможность работы с растровыми изображениями и экспорта чертежа как изображения.
- Возможность распечатывать чертежи.
- Просмотр информации о текущих событиях в программе с помощью панели статуса.
- Поддерживает работу с командной строкой.
- Система справки на английском языке устанавливается вместе с программой.
- Пользовательский интерфейс с поддержкой русского языка.
- Кроссплатформенное приложение — для Windows, Mac OS X, Linux и Unix систем.
д.Скачать QCAD Community Edition: https://www.qcad.org/en/download.
LibreCAD — программа для проектирования, 2D САПР система с открытым исходным кодом.
Представлена различными инструментами для черчения и проектирования на компьютере.
Особенности LibreCAD:
- Базируется на тех же исходных кодах, что и QCad Community Edition и наследует её функциональность.
- Слегка модернизированный пользовательский интерфейс.
- Поддержка русского и украинского языков.
- Пока недостаточно документации, но можно использовать от QCad.
- Кроссплатформенное приложение — для Windows, Mac OS X, Linux и Unix.
Официальный сайт и страница загрузки: https://librecad.org.
FreeCAD — 3D CAD (computer aided design) или CAE (computer aided engineering) программа — САПР направленная на решение инженерных задач в области машиностроения, но также может применяться для решения других задач компьютерного проектирования и моделирования, например в архитектуре.
Возможности FreeCAD:
- Позволяе моделировать сложные объёмные формы.
- Возможность черчения графических примитивов в 2D — линии, дуги, арки, круги, также добавлять текст.
- Производить различные модификации — сдвиг, поворот, отражение в различных плоскостях, изменение масштабов и т.д.
- Возможность создания 3D графических примитивов — куб, конус, цилиндр, сфера, тор.
- Применение булевых операций над 2D и 3D графическими примитивами — объединение, разность и др.
- Проигрывание 3D сцен — 3D рендеринг.
- Поддерживает трассировку лучей.
- Возможность как 3D, так и 2D представления.
- Сохраняет файлы в собственном формате с расширением FCStd, может импортировать и экспортировать файлы форматов STEP, IGES, OBJ, DXF, SVG, U3D и STL.
- В пользовательском интерфейсе реализована концепция Workbench, когда инструменты группируются по определённым задачам.
- Работает с векторным графическим форматом SVG.
- Возможность записи макросов для автоматизации процесса разработки.
- Поддержка работы с командной строкой.
- Расширение функциональности за счёт дополнительных модулей.
- Возможность написания скриптов с использованием языка программирования Python.
- Система справки на английском языке устанавливается вместе с программой.
- Кроссплатформенный — работает на Windows, Linux и Mac OSX.
- Мультиязычный, с поддержкой русского и украинского языка.
.jpg)
Где скачать FreeCAD и как начать работать с программой читайте в статье FreeCAD — бесплатный САПР с возможностью 3D моделирования.
NanoCAD — поставляется как базовая бесплатная САПР-платформа. Представляет собой «цифровой кульман» — аналог такого специального механического прибора для черчения.
Включает в себя все необходимые инструменты для проектирования, создания и печати чертежей.
Особенности NanoCAD:
- Качественно работает на любых типах видеокарт — поддерживает две графические библиотеки: OpenGL и библиотеку DirectX.
- Поддержка файлов в формате DWG — читает и записывает совместимые с AutoCAD DWG-файлы, программа полностью совместима с самыми современными версиями AutoCAD.
- Совершенный алгоритм поиска и ввода команд значительно ускоряет работу, реализованы автозавершение и автокоррекция ввода команд в командной строке.
- Быстрый поиск и выбор объектов — новый поисковый алгоритм ищет элементы чертежа по всему документу и в пределах текущего рабочего пространства.
- Усовершенствовано окно «Свойства» — выполняются математические операции в полях ввода значений, расширенное отображение свойств для полилиний, сплайнов, таблиц и внешних ссылок.
Читайте, Почему инженеры выбирают бесплатный NanoCAD и как получить NanoCAD бесплатно.
KiCad EDA Suite — бесплатный программный комплекс, САПР для автоматизированной разработки электрических схем и проектирования печатных плат.
Возможности KiCad:
- Встроенный менеджер проектов позволяет создавать проекты и сохранять соответствующие им параметры.
- Редактор электронных схем позволяет рисовать и компонировать схемы.
- Редактор топологии печатных плат используется совместно с редактором схем, позволяет сформировать схему электрических цепей.
- Инструмент сопоставления посадочных мест компонентам — ассоциация компонентов схемы с физическими
модулями. - Программа визуализации используется для визуального контроля файлов рисунка платы.
- Возможность создавать сопутствующую документацию.
- Поддерживается работа со слоями.
- Возможность распечатывать чертежы и схемы печатных плат на принтере, в том числе и послойно.
- Программа поставляется со встроенной библиотекой электронных компонентов.
- Проверка схем на соответствие электрическим правилам.
- Сохранение проектов ввиде ZIP архивов.
- Интерфейс с поддержкой русского языка.
- Документация устанавливается вместе с программой.
- Многоплатформенное приложение — для Microsoft Windows, Linux, FreeBSD и Mac OS X.
Официальный сайт KiCad: https://www.kicad.org.
TinyCAD — бесплатная САПР для Windows, предназначена для проектирования электрических схем.
Позволяет схематически изображать радиодетали — диоды, транзисторы и другие элементы электронных схем — провода, переключатели, соединения, шины и т.д.
Основные возможности TinyCAD:
- Интуитивно понятный пользовательский интерфейс.
- Позволяет рисовать различные геометрические фигуры — линии, многоугольники, дуги, эллипсы, также добавлять подписи ввиде текста.
- Поставляется с библиотекой компонентов — различных узлов и радиодеталей.
- Встроенный редактор компонентов позволяет организовывать библиотеки, изменять существующие и создавать собственные компоненты.
- Каждый элемент схемы — символ, имеет свои свойства, такие как положение, ориентацию, размер, текстовые атрибуты.
- Возможность распечатки электронных схем на принтере или экспорта схемы как изображения.
- Возможность копировать и вставлять схемы в документы Microsoft Office или OpenOffice прямо из TinyCAD.
- Интерфейс программы на английском языке.
- Файлы справки устанавливаются вместе с программой.
Скачать программу: https://www.tinycad.net.
FidoCadJ — небольшая кроссплатформенная CAD система, для черчения электронных схем.
Особенности FidoCadJ:
- Поддерживает основные функции рисования графических примитивов — линии, многоугольники, кривые Безье, дуги, эллипсы.
- Содержит библиотеку компонентов электрических схем.
- Позволяет распечатывать диаграммы или экспортировать их в форматы PDF, SVG и другие графические фопматы.
- Поддерживает работу со слоями.
- Интерфейс на английском языке.
- Работает на MacOSX, Linux и Windows системах.
Программа использует виртуальную машину java, читайте в этой статье, как скачать и установить JVM.
Страница FidoCadJ: https://github.com/DarwinNE/FidoCadJ.
Archimedes — простая 2D CAD система, предназначена для проектирования в области архитектуры.
Функциональность Archimedes:
- Возможность черчения графических примитивов — линии, полилинии, кривые, арки, эллипсы, многоугольники.
- Возможность добавлять текстовые описания и размеры.
- Трансформация фигур — перемещение, изменение масштаба, отражение в различных плоскостях, поворот, растягивание.
- Поддерживает работу со слоями.
- Возможность экспорта чертежа в форматах PDF и SVG.
- Возможность распечатывания чертежей.
- Кроссплатформенное приложение, работает в GNU/Linux, Mac OS X и Windows.
- Интерфейс программы английский.
Программа использует виртуальную машину java, читайте в этой статье: Как скачать и установить JVM.
Страница загрузки: https://sourceforge.net/projects/arquimedes/files.
Другие разделы по теме:
- Программы для 3D — моделирования и работы с 3D графикой
- Программы для работы с графикой — редакторы и просмотрщики изображений
- IDE — интегрированные среды разработки программ
- Файловые менеджеры — программы для работы с файлами
- FTP клиенты и серверы — программы для работы с FTP протоколом
- Программы для электронной почты — почтовые клиенты
- Программы для офиса — работа с документами
Automation Studio™ — Гидравлическое, пневматическое, электрическое моделирование и моделирование ПЛК
Обучение будущих техников и инженеров гидравлическим, пневматическим, электрическим системам и системам ПЛК с помощью моделирования.
Что нового в Automation Studio™
E 7Automation Studio™ E 7 — Educational Edition предназначен для поддержки учителей в предоставлении контента, а также для улучшения опыт обучения ученика. Найдите новые иллюстрированные пользовательские библиотеки, библиотеки AB500 и AB5000, каталог частотно-регулируемых приводов, транзисторы, виртуальные 3D-системы и многое другое. Доступен новый форум для быстрого доступа к последним демонстрационным файлам и пользовательским библиотекам. Вы также можете поделиться своими проектами и опытом с другими инструкторами и пользователями по всему миру. Посмотрите, что нового!
Лучший инструмент для создания, моделирования, анимации и устранения неполадок в цепях!
С момента своего основания в 1986 году Automation Studio™ доказала свою эффективность в технических и инженерных учебных заведениях по всему миру, помогая учащимся лучше понять поведение и взаимодействие технологий с помощью интуитивно понятного визуального подхода к обучению, прежде чем переходить к практическому опыту.
Просмотр по образовательным программам
Электрооборудование
Электрооборудование
Гидравлика
Пневматика
Grafcet SFC
Блок-схема
Цифровая электроника
- Оживите свои схемы с помощью моделирования с помощью нашего программного обеспечения для проектирования схем
- Библиотеки тысяч 2D-символов САПР и электрических символов, готовых к моделированию, отсортированных по технологиям
- Иллюстрированные пользовательские библиотеки для улучшения навыков подключения к пневматике, ПЛК, электричеству, возобновляемым источникам энергии, электронике и т. д., чтобы помочь учащимся перейти на реальное оборудование
- Измерительные приборы, такие как: мультиметр, токоизмерительные клещи, осциллограф, гидравлический тестер, термометр и др.
- Создание или активация предопределенных сбоев для развития навыков поиска и устранения неисправностей в электрической цепи, гидравлической или пневматической схеме, а также для улучшения обучения ПЛК
- Виртуальные 3D-системы с использованием программного обеспечения Unity 3D CAD
- Создание библиотек, содержащих только необходимые компоненты для конкретных упражнений
- Поезд с готовыми к использованию компонентами из Каталоги производителей
- Возможности удаленного доступа для электронного обучения
- Создание цифрового двойника вашего оборудования
- Виртуальные системы: конвейер, светофор, лифт, автомойка, pick&place и др.
- Улучшите навыки чтения чертежей, работая с международными стандартами, включая ISO, IEC, NEMA, SAE, JIC и т. д.
- Подключение к реальным устройствам, таким как ПЛК (Allen Bradley, Siemens, LSIS и т. д.), Arduino™ и другим устройствам, совместимым с OPC.
- Постройте смоделированные параметры для мониторинга и визуализации поведения системы
д.), Arduino™ и другим устройствам, совместимым с OPC.Заинтересованы?
Узнайте больше об Automation Studio
TMЗапросить живую онлайн-демонстрацию!
Automation Studio™ Educational Edition — функции
Automation Studio™ — это уникальное программное решение для технологий гидроэнергетики и автоматизации, позволяющее преподавать и учиться в увлекательной и эффективной форме! Это позволяет вам легко создавать или воспроизводить задания и учебные материалы, адаптируя их к вашим учебным программам.
Дополнительные функции
Посмотрите, как Automation Studio™ подходит для вашей программы
Любопытно?
Discover Automation Studio
TM Educational EditionОбучение и поддержка
Заинтересованы?
Узнайте больше о Automation Studio
TMЗапросите предложение!
Автоматизация электронного проектирования | Программное обеспечение Сименс
- › Аэрокосмическая промышленность и оборона
Аэрокосмическая промышленность и оборона
w3.org/1999/xhtml»> Инновации и совместное, синхронизированное управление новыми программамиИсследуйте отрасль
- › Автомобильная промышленность и транспорт
Автомобилестроение и транспорт
Интеграция технологий механических, программных и электронных систем для автомобильных систем
Исследуйте отрасль
- › Потребительские товары и розничная торговля
Потребительские товары и розничная торговля
Инновационные продукты посредством эффективного управления интегрированными составами, упаковкой и производственными процессами
Исследуйте отрасль
- › Электроника и полупроводники
Электроника и полупроводники
w3.org/1999/xhtml»> При разработке новых продуктов используются данные для повышения качества и прибыльности, а также сокращения времени выхода на рынок и затратИсследуйте отрасль
- › Энергетика и коммунальные услуги
Энергетика и коммунальные услуги
Сотрудничество в цепочке поставок при проектировании, строительстве, техническом обслуживании и выводе из эксплуатации критически важных активов
Исследуйте отрасль
- › Тяжелое оборудование
Тяжелое оборудование
Производители тяжелого строительного, горнодобывающего и сельскохозяйственного оборудования, стремящиеся к максимальной производительности
Исследуйте отрасль
- › Промышленное оборудование
Промышленное оборудование
w3.org/1999/xhtml»> Интеграция планирования производственного процесса с проектированием и проектированием для современных сложных машинИсследуйте отрасль
- › Страхование и финансы
Страхование и финансы
Прозрачность, соответствие требованиям и подотчетность в страховой и финансовой отраслях
Исследуйте отрасль
- > Морской
Судостроение
Инновации в судостроении для устойчивого снижения стоимости развития будущих флотов
Исследуйте отрасль
- › СМИ и телекоммуникации
Медиа и телекоммуникации
