E-materiały do kształcenia zawodowego

Wykonywanie pomiarów i ocena stanu technicznego urządzeń elektroniki i informatyki medycznej

MED.07. Montaż i eksploatacja urządzeń elektronicznych i systemów informatyki medycznej - Technik elektroniki i informatyki medycznej 311411

bg‑azure

Wybrane aplikacje do projektowania, symulacji i testowania obwodów i elementów elektronicznych

ATLAS INTERAKTYWNY

1

Spis treści

RxgHFOQuFzRRO
Nagranie dźwiękowe tożsame z poniższą treścią.

Zadania i czynności zawodowe technika urządzeń elektroniki i informatyki medycznej związane z oceną stanu technicznego urządzeń elektroniki i informatyki medycznej:

  • rysowanie schematu elektrycznego i elektronicznego,

  • wykonywanie symulacji opracowanych obwodów elektrycznych i elektronicznych,

  • wykonywanie pomiarów w obwodach elektrycznych i elektronicznych oraz  przeprowadzenie analizy z wykorzystaniem symulacji,

  • projektowanie i testowanie płytki PCB na podstawie opracowanych schematów elektrycznych i elektronicznych,

z wykorzystaniem wybranych programów komputerowych.

2

LTspice

1
R17pcHGqiG38A1
LTspice
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ilustracja przedstawia fragment płyty głównej komputera. W środkowej części znajduje się nazwa oprogramowania Linear Technology. W lewym górnym rogu logo zbudowane z wielkich liter L oraz T nawiązujących do nazwy programu.  W dolnej części znajduje się pięć ikon: ołówek, książkę, wykres, puzzel, trójkąt z wykrzyknikiem. Do każdej ikony podpięty jest punkt interaktywny, pod którym ukryte są informacje.

Punkt 1. Informacje ogólne. LTspice to bezpłatne oprogramowanie do projektowania, symulacji i testowania obwodów i elementów elektronicznych. Oprogramowanie korzysta z rozwiązań opartych o symulator SPICE, które wzbogacone jest graficznym interfejsem (GUI).
Podstawowe okno oprogramowania z otwartym nowym polem roboczym
Dostępny dla systemów operacyjnych: Windows, MacOS, Linux.

Punkt 2. Biblioteka elementów. Bogate zasoby modeli typowych elementów elektronicznych, wraz z możliwością załadowania/zaimplementowania/dorzucenia zewnętrznych plików jak i własnych autorskich modeli.
Wsparcie zapewnione jest przez jednego z wiodących producentów układów półprzewodnikowych, która jest właścicielem oprogramowania. Producent dostarcza odpowiednie biblioteki modeli wraz z powstającymi nowymi komponentami. Zawarte matematyczne parametry nowych elementów pozwalają na przeprowadzenie symulacji gotowego systemu. Zapewnia to weryfikację oczekiwanych parametrów założonych w projekcie, bez poniesienia znaczących kosztów, związanych z zakupem elementów oraz czasu montażu.

Przycisk 3. Analiza przebiegów w czasie. Oprogramowanie pozwala na wykonanie symulacji działania zaprojektowanego obwodu elektrycznego, który odzwierciedla możliwie realnie prace i zachowanie rzeczywistych komponentów elektronicznych.
Deklaracja wszystkich niezbędnych parametrów elektrycznych, pozwala na wykreślenie przebiegów czasowych sygnałów w rozpatrywanym obwodzie elektrycznym.

Punkt 4. Możliwości.

  • Darmowe oprogramowanie z zaawansowanymi możliwościami analizy czasowych obwodów analogowych.

  • Projektowanie schematów elektrycznych.

  • Symulacja działania obwodów elektronicznych.

  • Testowanie i weryfikacja (analiza) parametrów elementów elektronicznych.

  • Dodawanie własnych modeli i komponentów – środowisko SPICE.

  • Wprowadzanie parametrów obwodu i elementów w postaci komend środowiska SPICE.

  • Wsparcie globalnego producenta półprzewodników w zakresie aplikacji oraz bibliotek nowych modeli i komponentów.

Punkt 5. Wady.

  • brak funkcji projektowania płytek PCB (ang. Printed Circuit Board) oraz ich testowanie,

  • przeznaczony do symulacji obwodów analogowych.

Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

3

Qucs – Quite universal circuit simulator

1
R7mmP7MnR1fEw1
Qucs – Quite universal circuit simulator
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ilustracja przedstawia fragment płyty głównej komputera. W środkowej części znajduje się nazwa oprogramowania QUCS. W lewym górnym rogu logo, które zawiera nazwę programu, a nad nią ukośne linie.  W dolnej części znajduje się pięć ikon: ołówek, książkę, wykres, puzzel, trójkąt z wykrzyknikiem. Do każdej ikony podpięty jest punkt interaktywny, pod którym ukryte są informacje.

Punkt 1. Informacje ogólne. Qucs - Quite universal circuit simulator
Oprogramowanie na licencji GPL (ang. General Public License), które poddawane jest ciągłej pracy i usprawnieniom. Mimo prowadzonych prac oprogramowanie zapewnia spore możliwości projektowania, symulowania i analizy obwodów elektronicznych.
Inferfejs GUI (ang. Graphical User Interface), w przyjazny sposób zapewnia możliwość przeciągania/rozmieszczania/dodawania elementów oraz innych bloków funkcyjnych programu Qcus. Dostępna jest analiza parametrów obwodu: DC, AC, S‑parameteres, szumów i stanów przejściowych.

Dostępny dla systemów operacyjnych: Oprogramowanie dedykowane systemom GNU/Linux, ale działa również w systemach powyżej Windows 10 oraz macOS.

Punkt 2. Biblioteka elementów. Spora ilość typowych modeli elementów elektronicznych takich jak: tranzystory, diody, warystory, mostki. Istnieje możliwość importowania gotowych modeli przygotowanych w środowisku SPICE.
Wstęga/Okno wyboru komponentu dostępne jest w przyjemnej formie graficznej oraz w postaci listy wyboru elementów.

Punkt 3. Analiza wyników. Program umożliwia realizację symulacji zaprojektowanego schematu obwodu elektronicznego, po deklaracji niezbędnych parametrów elektrycznych i rodzaju przeprowadzonej symulacji m. in.: DC, AC, Transient, Sweep.
Symulacja wymaga szczegółowego zdefiniowania każdego parametru pomiaru osobno (dla przykładu UCE oraz Ib).
Późniejsza analiza pozwala na wykreślenie kilku rodzajów wykresów, dla wprowadzonych parametrów. Na rysunku Okno wyniku symulacji z możliwymi różnymi formami wykresów przedstawione są przebiegi w postaci tabel oraz wykresów kartezjańskich.

Punkt 4. Możliwości.

  • Projektowanie obwodów elektronicznych.

  • Symulacja obwodów.

  • Zaawansowane możliwości analizy i prezentacji sygnałów.

  • Wprowadzanie matematycznych równań (parametryzacja i analiza obwodu).

  • Podstawowa biblioteka elementów z obszerną ilością modeli.

  • Import modeli z środowisk SPICE.

Punkt 5. Wady.

  • dodatkowe biblioteki wymagają osobnego wgrania,

  • konieczność dodatkowej konwersji innych rozszerzeń plików bibliotek elementów, lub korzystanie z modeli SPICE,

  • obsługa wymaga znacznej uwagi od użytkownika, konieczne jest wprowadzenie dużej ilości parametrów ręcznie,

  • skomplikowane dodawanie szczegółowych parametrów przeprowadzanych symulacji,

  • brak funkcji projektowania płytek PCB oraz ich testowania.

Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

4

KiCad

1
R17Xh7yfnP5eD1
KiCad
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ilustracja przedstawia fragment płyty głównej komputera. W środkowej części znajduje się nazwa oprogramowania KiCad, w lewym górnym rogu logo, które zawiera nazwę programu, a w niej wyróżnione dwie pierwsze litery.  W dolnej części znajduje się pięć ikon: ołówek, książkę, wykres, puzzel, trójkąt z wykrzyknikiem. Do każdej ikony podpięty jest punkt interaktywny, pod którym ukryte są informacje.

Punkt 1. Informacje ogólne. KiCad - Open source
Oprogramowanie pozwalające na projektowanie, symulacje i testowanie obwodów elektronicznych typu EDA (Electronic Design Automation) wraz z możliwością projektowania płytek PCB i ich weryfikacją.

Dostępny dla systemów operacyjnych: Windows, Linux, MacOS.

Punkt 2. Biblioteka elementów. Szeroki wybór w dostępności modeli elementów elektronicznych wraz z możliwości importu zewnętrznych bibliotek plików. Wyszukiwanie elementów jest intuicyjne i pozwala wyświetlić znacznie więcej informacji o elemencie wraz z jego footprint’em.

Punkt 3. Analiza wyników. Stworzony schemat elektryczny w programie KiCAD, po symulacji może zostać przetworzony/konwertowany/przeniesiony do nowej funkcjonalności – projektowanie płytek PCB. Opcja pozwala na wykonanie projektu rzeczywistej płytki PCB z rozkładem elementów, który możne zostać zaprezentowany w graficznej formie 3D. Program jest darmowy, mimo tego posiada zaawansowane funkcje testowe jakimi są np. DRC – Design Rule Checing.
Aplikacja realizuje możliwość testowania zaprojektowanego obwodu elektronicznego w zaawansowanym zakresie, opartym o środowisko SPICE.

Punkt 4. Możliwości.

  • Projektowanie schematów obwodów elektronicznych.

  • Zaawansowane projektowanie i wizualizacja płytek PCB.

  • Dostęp do tysięcy elementów z podstawowej biblioteki – obszerna biblioteka elementów, footprintów, modeli 3D.

  • Kompatybilność z modelami środowiska SPICE.

  • Weryfikacja reguł elektrycznych – wykrywa konflikty połączeń czy brakujące elementy.

  • Współpraca z zewnętrznymi środowiskami takimi jak SPICE.

  • Eksport plików z programów darmowych i płatnych (m.in. Eagle, Altium Designer, CADSTAR),

  • Wprowadzanie i definiowanie reguł DRC (ang. Designe Rule Check).

Punkt 5. Wady.

  • Mało intuicyjne GUI przez nadmiar informacji.

  • Możliwe utrudnienie przy symulacji – braki w bibliotekach symulacji i footprintu.

Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

5

EasyEDA

1
R10xChSoXXTl51
EasyEDA
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ilustracja przedstawia fragment płyty głównej komputera. W środkowej części znajduje się nazwa oprogramowania EasyEDA. W lewym górnym rogu logo, które zawiera nazwę programu, a a nad nią kształt chmurki.  W dolnej części znajduje się pięć ikon: ołówek, książkę, wykres, puzzel, trójkąt z wykrzyknikiem. Do każdej ikony podpięty jest punkt interaktywny, pod którym ukryte są informacje.

Punkt 1. Informacje ogólne. EasyEDA - Easy Electronics Design Automation. Platforma pozwalająca na projektowanie i wizualizację obwodów elektronicznych, która sprzężona jest z zewnętrznymi źródłami, ułatwiającymi przekształcenie myśli/pomysłu w realne urządzenie. Pozwala na podstawową symulację zaprojektowanego obwodu w środowisku SPICE. Wynikiem symulacji jest raport tekstowy, który wymaga późniejszej dodatkowej analizy.
Wymaga posiadania założenia darmowego konta.

Dostępny dla systemów operacyjnych: Windows, Linux, macOS. Również możliwość pracy przez przeglądarkę internetową Chrome, Edge, Safari, Firefox i inne.

Punkt 2. Biblioteka elementów. Podstawowe biblioteki elementów w EasyEDA zawierają gotowe modele z wizualnymi reprezentacjami plików tzw. footprint, co znacząco ułatwia późniejsze kroki przy projektowaniu i wizualizacji rozmieszczenia elementów PCB.

Punkt 3. Analiza wyników. Projektowanie ułatwione jest w zakresie wprowadzania tzw. reguł projektowania na poziomie płytki PCB – platforma EasyEDA. Definicje reguł mogą zostać w łatwy sposób wprowadzone przez czytelne i dedykowane do tego okno. Projekt weryfikowany jest pod kątem wcześniej wprowadzonych reguł, co spotykane jest w bardziej zaawansowanych symulatorach obwodów elektronicznych.
Platforma umożliwia wizualizację w trybie widoku 2D oraz 3D zaprojektowanej płytki PCB wraz z umieszczonymi elementami*.
*Dodatkowa wizualizacja pełnej PCB z elementami 3D – wymaga akceleracji układu graficznego o większej mocy, co może być utrudnione przy użyciu przeglądarki oraz ograniczeń trybu Standard.

Analiza wyników po przeprowadzonych symulacjach jest bardzo uproszczona i przedstawiona w postaci raportu tekstowego. Wyniki wstępnie przygotowane w pliku wymagają późniejszego przetworzenia i wizualizacji.

Punkt 4. Możliwości.

  • Projektowanie i wizualizacja obwodów elektronicznych.

  • Podstawowa symulacja obwodów (środowisko SPICE).

  • Bogactwo źródeł elementów.

  • Wsparcie i kompatybilność z zewnętrznymi darmowymi i płatnymi platformami projektowania PCB (m.in. KiCad, Altium Designer, Eagle).

  • Czytelność i łatwość obsługi (interfejs przeglądarki).

  • Projekty zapisywane w chmurze z możliwością stacjonarnego zapisu danych.

  • Wymiana i udostępnianie projektów – praca zespołowa (w zależności od wersji).

Punkt 5. Wady.

  • Konieczność rejestracji darmowego konta.

  • Wynik symulacji, to raport tekstowy do szerszej analizy.

Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

6

Porównanie Aplikacji do projektowania, symulacji i testowania obwodów elektronicznych

funkcje oprogramowania

KiCAD

LTspice

EasyEDA

Qucs

wsparcie SDK
(ang. Software development kit)

TAK

TAK

TAK

projektowanie schematów elektrycznych

TAK

TAK

TAK

TAK

projektowanie
płytek PCB

TAK

TAK

symulacja obwodów elektronicznych

TAK

TAK

TAK

TAK

wsparcie producentów (nowe elementy)

TAK

TAK

TAK

rodzaj platformy/systemu

Windows
Linux
MacOS

Windows
Linux
MacOS

przeglądarki zgodne z HTML5

Windows
Linux

funkcja Importu/Exportu plików z do zewnętrznych aplikacji

TAK

TAK

ocena funkcjonalności oprogramowania „AIO”

+++

+

++

+

funkcja udostępniania projektu i pracy wspólnej

TAK

możliwość wizualizacji 3D

TAK

TAK

posiadanie funkcji DRC (Designe Rule Checking)

TAK

TAK

SDK

Ocena funkcjonalności oprogramowania „AIO” – All‑in‑One - sprawdzono, które z aplikacji posiada najwięcej fukcji z projektowania, symulacji i testowania obwodów elektronicznych. Skala od dużo (+++) do minimalnie (+).

Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

Powiązane ćwiczenia