qucs что это за программа
Qucs что это за программа
Симулятор схем с удобным графическим интерфейсом, позволяющий конструировать и рассчитывать производительность электронных цепей и контуров различного уровня сложности.
Приложение Qucs (или Quite Universal Circuit Simulator) основано на открытом исходном коде и, подобно аналогичным редакторам, обладает всеми необходимыми для модификации схем средствами. Для удобства имеется поддержка «горячих клавиш» и выпадающие меню. При работе со сложными схемами предлагается использование подсхем, позволяющих отделить часть основной схемы в виде блоков. Кроме того, программное обеспечение имеет собственный текстовый редактор, приложения для расчета фильтров и согласованных цепей, калькуляторы линий и синтеза аттенюаторов. Присутствует возможность оформления чертежа путем добавления рамки и штампа. К схемам можно подключать пользовательские уравнения, причем в формулах могут быть использованы все доступные функции данного софта или их сочетания.
Qucs имеет обширную базу современных компонентов, разбитых на группы: дискретные (резисторы, конденсаторы и т.д.), нелинейные (в основном транзисторы и диоды), цифровые (базовые цифровые устройства и логические вентили) и некоторые другие (источники, измерители, линии передачи данных). Особыми группами представлены виды моделирования, рисунки и диаграммы. Каждый элемент имеет собственное диалоговое окно свойств, которое может быть подвергнуто редактированию. Если в библиотеке нет необходимого компонента, то его можно добавить туда при наличии SPICE-модели.
После запуска симуляции Qucs многократно пересчитывает созданную электрическую цепь. Длительность процесса моделирования зависит от мощности компьютера и сложности цепи. Предлагаются следующие виды моделирований (программа позволяет их комбинировать): на постоянном токе, переходного процесса, на переменном токе, S-параметров. Для исследования цифровых схем есть цифровое моделирование, а для того чтобы показать, как изменяются параметры цепи в результате изменения характеристик одного или нескольких элементов, предусмотрена функция «развертки параметров». Также имеется возможность выбирать вид полученных после симуляции данных, а именно табличную или декартовскую диаграммы, трехмерную или Смита, полярную или круговую. Диаграммы имеют свои собственные настраиваемые характеристики, которые зависят от применяемых видов моделирования. Для определения значений функций в определенные моменты времени в программе предусмотрен механизм маркеров.
Внешний вид главного окна ПО зависит от используемой операционной системы, однако отличия не существенны. Для каждого проекта программа создает множество отдельных файлов со схемами, данными и графиками, причем по умолчанию все они сохраняются в корневой папке симулятора. В программу встроен файловый конвертер, а окончательные или промежуточные результаты могут быть распечатаны на принтере. Программа поддерживает экспорт файлов на языке Verilog-A в код C++, имеется прямая связь с подцепями VHDL и символами Verilog-HDL. Последние версии софта используют интерфейс GNU Octave.
Авторами данного софта является команда программистов Qucs team. Данная САПР успешно применяется как отдельными пользователями (радиолюбителями, инженерами-схемотехниками, конструкторами электронных устройств), так и целыми учебными заведениями и организациями. Команда разработчиков софта предлагает всем желающим связаться с ними, дабы поддержать данный проект.
Хотя Qucs по возможностям и качеству ничем не уступает коммерческим аналогам, программа абсолютно бесплатная. Программа постоянно развивается, а благодаря открытому коду Qucs предоставляет опытным пользователям возможность полностью переделать ее под собственные нужды.
Софт имеет удобный справочный раздел, помогающий быстро освоиться и начать работу, а на сайте проекта содержатся дополнительные статьи, информационные документы и примеры.
Qucs поддерживает более двух десятков языков, в том числе и русский. Процесс русификации проходил при участии авторов данного софта.
Программное обеспечение работает на всех общеупотребительных платформах: Mac OS, Linux и Windows. Для операционной системы Windows поддерживаются версии XP, Vista, 7 и 8.
Распространение программы: бесплатная
Новый кандидат в релизы САПР Qucs-0.0.19S-RC6
Qucs — это кроссплатформенный (Linux, Windows, MacOS-X) симулятор электронных схем с открытым кодом. О нём рассказывают мои предыдущие статьи на Хабре:
Пока очередной релиз Qucs вновь отложен на неопределённый срок, вышел кандидат в релизы Qucs-0.0.19S-RC6 с поддержкой SPICE. Этот релиз-кандидат значительно отличается от всех предыдущих. Скачать пакеты для двух платформ (Windows и Linux) можно здесь: github.com/ra3xdh/qucs/releases/tag/0.0.19S-rc6
Под катом будет рассказано о нововведения в данном релиз-кандидате.
Установка
Linux
Процедура установки для Linux не изменилась. Нужно собирать пакет из исходников. Требуются компиляторы и Qt4 для разработчиков. Нужно собрать отдельно Qucs и движок моделирования Qucsator:
При этом всё поставится в /usr/local, и если туда уже установлена предыдущая версия Qucs, то она перезапишется. Чтобы установить QucsS в другой каталог, нужно изменить команду configure:
Если требуется только SPICE, то можно собрать только интерфейс Qucs:
Ngspice следует установить при помощи пакетного менеджера. Он есть во всех современных дистрибутивах.
При первом запуске QucsS попросит указать симулятор по умолчанию.
Windows
Для Windows следует скачать бинарный инсталлятор. Совместно с QucsS рекомендуется использовать специальную сборку Ngspice, которую также можно скачать со страницы релиза. Сборка Ngspice, скачанная с официального сайта проект работать будет, но не позволяет писать логи, т.к. имеет неотключаемый GUI.
Обзор новых функций Qucs-0.0.19S-RC6
Кроме исправления багов и синхронизации с кодовой базой головного проекта, QucsS содержит ряд очень важных новых функций.
Установка симулятора по умолчанию
Изменилась процедура запуска моделирования при помощи SPICE-симулятора. Теперь можно назначить симулятор по умолчанию, который будет запускаться каждый раз, когда пользователь вызывает моделирование (например нажав F2). Использовать специальный пункт меню Simulate with SPICE теперь не нужно. Если выбран один из SPICE-движков, то для работы программы теперь не требуется движок Qucsator и полная установка.
Симулятор по умолчанию можно назначить либо при первом запуске программы, либо потом выбрав в главном меню Simulation->Select default simulator. Если выбран один из SPICE-движков, то несовместимые с ним компоненты и библиотеки не показываются. Диалог установки симулятора по умолчанию выглядит так:
Дефолтный симулятор следует выбрать в выпадающем списке в верхней части окна. Пользователям Windows нужно также обязательно указать правильный путь к исполняемым файлам симуляторов.
Расчёт рабочей точки при помощи Ngspice
Реализован расчёт рабочей точки по постоянному току (по нажатию F8) для SPICE-движков. Теперь если симулятором по умолчанию назначен Ngspice, то он и будет рассчитывать рабочую точку. Результаты расчёта выглядят так:
Новый набор аналоговых блоков XPSPICE
Компоненты XSPICE вынесены в специальную библиотеку Xanalogue. XSPICE позволяет использовать компоненты, моделирующие схему на уровне блоков. Новая библиотека содержит модели усилителей, сумматоров, перемножителей, делителей, интеграторов, ограничителей и т.п. Вот как они выглядят:
Модели трансформаторов и сердечников
Добавлены компоненты, позволяющие моделировать трансформаторы и катушки с ферромагнитным сердечником. Имеется библиотека Transformers, содержащая трансформаторы и библиотека Cores с моделями сердечников (в основном стальные сердечники). Данный функционал доступен только через Ngspice. На рисунке показана схема лампового УНЧ (на лампе 6П6С), которая иллюстрирует использование новых библиотечных моделей трансформаторов и SPICE-моделей.
Создавать свои трансформаторы можно применяя комбинацию компонентов Icouple (обмотка) и Core (сердечник). Идеальные трансформаторы можно создать, используя компонент «K coupling»
Создание нестандартных SPICE компонентов
Поддержка моделей XSPICE CodeModel
Добавлена поддержка языка описания моделей аналоговых компонентов XSPICE CodeModel (известен с 1991 года). Он позволяет создавать новые модели и подключать их к движку моделирования Ngspice без перекомпиляции. Подробнее о синтаксисе CodeModel моделей можно прочитать в мануале Ngspice и XSPICE. Подключить модель CodeModel можно используя комбинацию компонентов «XSPICE generic device» (УГО компонента) и «XSPICE CodeModel» (исходный текст модели). На схеме можно видеть пример использования таких моделей:
Модель CodeModel состоит из пары файлов cfunc.mod (реализация модели) и ifspec.ifs (описание интерфейса). Вот так выглядит исходный текст (файл cfunc.mod) CodeModel модели усилителя:
Подключение немодифицированных библиотек со SPICE-моделями
Добавлен специальный компонент «SPICE Library device», который позволяет использовать SPICE-библиотеки без их модификации и слоёв совместимости. Можно использовать один из имеющихся шаблонов символов для компонента. Пока доступны только шаблоны для ОУ с 3 или 5 выводами. Достаточно указать путь к библиотеке, название компонента, шаблон символа и при необходимости параметры компонента. Схем иллюстрирует как можно таким образом подключить ОУ. Планируется автоматизировать данный процесс. В будущем SPICE библиотеки будут отображаться в менеджере библиотек вместе с нативными библиотеками Qucs, и компоненты из них будут доступны для вставки в схему. Также планируется добавить редактор библиотек и символов по аналогии с PCAD Library Executive.
Заключение
Как именно будет дальше развиваться проект QucsS — неизвестно. В настоящее время Qucs и QucsS достаточно сильно разошлись. Я рассматриваю различные варианты. Возможно Qucs и QucsS в этом году объединятся. Но не исключено и выделение QucsS в самостоятельный проект с другим названием уже в этом году.
Qucs: моделируем и анализируем
В отличие от некоторых более «продвинутых» аналогов, в Qucs нет моделирования в реальном времени: система сначала проводит необходимые расчеты, а затем отображает результаты в виде графиков, диаграмм и таблиц. На мой взгляд, отсутствие симуляции в режиме «онлайн» не является большой проблемой, поскольку визуально отследить электрические процессы просто невозможно из-за их малой длительности (миллисекунды или даже меньше). Впрочем, подобное упущение позволит исправить разработка на Битрикс (http://digitalpromo.com.ua/sites/) соответствующего сетевого решения, включающего в себя все плюсы Qucs и не имеющего минусов!
Исследование того или иного аспекта функционирования схемы требует своего подхода к моделированию. В Qucs можно использовать следующие типы симуляции:
> Моделирование на постоянном токе. Используется для анализа цепей постоянного тока.
> Моделирование переходного процесса. Позволяет наблюдать, как, например, происходит заряд конденсатора или определить время срабатывания реле.
> Моделирование на переменном токе. Используется для построения частотных характеристик элементов и цепей.
> Развертка параметра. Позволяет определить, как будут меняться характеристики цепи при изменении заданного параметра какого-либо из ее элементов.
> Цифровое моделирование. Используется для анализа цифровых схем.
> Оптимизация. Позволяет оптимизировать цепь по заданным критериям.
> Моделирование S-параметров. Используется для «малосигнального» моделирования.
> Гармонический баланс. Позволяет провести спектральный анализ сигнала.
Результаты моделирования отображаются с помощью объектов из раздела «Диаграммы», помещенных на схему. При этом в свойствах таблицы или диаграммы необходимо выбрать, какие из доступных параметров будут отображаться.
В Qucs доступны следующие виды диаграмм:
> Декартовы двухмерные и трехмерные графики.
> Графики в полярных координатах.
> Диаграммы Смита.
> Круговые диаграммы.
> Таблицы.
> Временные диаграммы.
> Таблицы истинности.
В качестве примера на рис. выше показана реализация схемы интегрирующей RC-цепи, которую можно найти в любом учебнике по основам радиотехники. В отличие от книги, «сухую» теорию здесь можно проверить в эксперименте пусть и виртуальным путем перебора различных значений сопротивления резистора, емкости конденсатора и длительности импульса.
Программа для моделирования электронных цепей. Она дает вам возможность установить схему с графическим пользовательским интерфейсом и моделировать поведение большого сигнала, малого сигнала и шума цепи. Симулятор электрических схем Qucs поддерживает растущий список аналоговых и цифровых компонентов, а также SPICE подсхемы. Переведен на русский язык.
Типы анализа
Типы анализа включают S-параметр (включая шум), AC (включая шум), DC, Анализ переходных процессов, Гармонический Баланс (еще не законченный), Цифровое моделирование (VHDL и Verilog-HDL).
Особенности симулятора электрических схем Qucs
Qucs имеет графический интерфейс для ввода электрической схемы и последующей симуляции. Данные моделирования могут быть представлены в различных типах схем, в том числе Диаграмму Смита, Декартову, Табличную, Полярную, сочетание Смит-Полярной, 3D-декартову, Кривая Местоположения, Временная диаграмма и Таблица истинности.
Документация предлагает много полезных учебных руководств (WorkBook), отчетов (ReportBook) и технических описаний средств моделирования.
Другие функции включают в себя калькулятор линии электропередач, фильтр синтеза, инструмент Смит-диаграммы для питания и согласования шума, синтез аттенюатора, модель устройства и менеджер библиотек подсхемы, оптимизатор для аналоговых проектов, интерфейс Verilog-A, поддержка нескольких языков (GUI и внутренняя справочная система), подсхемы (в том числе параметры) иерархия, мощная пост-обработка данных возможно с использованием уравнения и символически определенные нелинейные и линейные устройства.
Набор инструментов
Qucs состоит из нескольких самостоятельных программ, взаимодействующих друг с другом через GUI.
GUI используется для симуляции электрической схемы, настройки моделирования, отображения результатов моделирования, написания кода VHDL и т.д.
Текстовый редактор используется, чтобы вывести на экран нетлисты и информацию о журналировании моделирования, и отредактировать файлы, включенные определенными компонентами.
Приложение синтеза фильтров может использоваться, чтобы проектировать различные типы фильтров.
Калькулятор линии передачи может использоваться, чтобы проектировать и анализировать различные типы линий передач (например, микрополосковые линии, коаксиальные кабели).
Компонент менеджер библиотеки содержит модели для реальных устройств (например, транзисторы, диоды, мосты, ОУ). Это может быть расширено пользователем.
Приложение синтеза аттенюатора может использоваться, чтобы проектировать различные типы пассивных аттенюаторов.
Компоненты
Следующие категории компонентов обеспечены:
Модели Транзисторов
Qucs предоставляет множество моделей транзисторов. Они включают в себя:
Краткое описание математических функций
Следующие операции и функции могут быть применены в уравнениях Qucs:
Новости проекта Qucs: доступен кандидат в релизы с поддержкой моделирования схем в SPICE
Qucs — это симулятор электронных схем с открытым кодом. О нём рассказывают мои предыдущие статьи на хабре.
Сейчас наш проект готовится к следующему релизу 0.0.19, который выйдет в ближайшие недели. Данная заметка содержит обзор наиболее ожидаемого за все последние годы нововведения: поддержки моделирования схем Qucs в SPICE-совместимых симуляторов.
Qucs использует ядро моделирования Qucsator, разработанное с нуля. Это ядро имеет много преимуществ (моделирование S-параметров, расширенный постпроцесоор), но также имеет многочисленные баги, связанные с моделированием во временной области (Transient analysis). Эти баги в частности не позволяют моделировать в Qucs силовую электронику. Теперь в Qucs можно смоделировать, например такую схему:
Скачать пакеты для Linux и Windows с поддержкой Ngspice можно здесь:
github.com/ra3xdh/qucs/releases/tag/0.0.19S-rc1
Буква «S» в номере релиза означает SPICE. По-видимому вместе с релизом 0.0.19 выйдет два набора пакетов: с индексом «S» и с обычной нумерацией, так как дальнейшая судьба spice4qucs неясна.
Документация для spice4qucs находится здесь: qucs-help.readthedocs.org/en/spice4qucs
Под катом будет кратко рассмотрено использование spice4qucs.
Предыстория
В течение примерно 10 месяцев я и Mike Brinson (London Metropolitan University) занимались разработкой подсистемы spice4qucs, которая позволяет моделировать схемы Qucs с использованием внешних консольных симуляторов Ngspice qucs-help.readthedocs.org/en/spice4qucs и Xyce xyce.sandia.gov. Наибольший интерес представляет Ngspice, который является лучшим open-source симулятором схем, но не имеет графического интерфейса. С нашим набором патчей Qucs может служить интерфейсом для Ngspice.
Ход разработки можно отследить здесь:
Назначение spice4qucs
Spice4qucs представляет собой стройную систему костылей и подпорок набор патчей, который позволяет подключать внешние SPICE-совместимые симуляторы к Qucs. Исходный код находится в главном репозитории Qucs в ветке rebase_spice4qucs: github.com/Qucs/qucs/tree/rebase_spice4qucs Код получился достаточно насыщенный костылями, так как использование нетлиста отличного от SPICE в дефолтном симуляторе Qucs было изначально вредной идеей. Это могло только породить костыли.
Итак, spice4qucs выполняет следующие функции:
Установка
В дистрибутивы Linux данный пакет пока не входит, поэтому нужно всё откомпилировать вручную:
Должен быть установлен Qt4 для разработчиков и GCC.
Установка для Windows проста. Нужно запустить инсталлятор, выбрать путь для установки и нажать Next->Next->Finish.
Также нужно установить Ngspice. В сборки он не входит и его нужно ставить отдельно. В Linux такой пакет уже есть и его можно установить при помощи пакетного менеджера, например:
Использование
Рассмотрим использование. Предполагается, что читатель уже раньше работал с Qucs и знает как моделировать в нём схемы. Наибольший интерес для практики представляет Ngspice. По использованию Xyce — читайте нашу документацию (ссылка до ката).
В качестве примера смоделируем колебательный контур. Посмотрим АЧХ в диапазоне частот от 1 до 10 Мгц (AC analysis) и отклик колебательного контура на синусоидальное воздействие частотой 7,5 МГц и амплитудой 0,6 В. (Transient analysis).
Сначала собираем следующую схему. Сохраняем схему как RCL.sch Эту схему можно промоделировать в Qucs, нажав Simulation->Simulate (F2) и убедиться, что всё работает.
Теперь смоделируем схему в Ngspice. Нажимаем Simulation->Simulate with Spice. Открывается диалоговое окно.
В раскрывающемся списке (1) можно выбрать симулятор. Выбираем Ngspice. Если симулятор установлен в нестандартном месте, то нужно задать путь к исполняемому файлу симулятора. Для этого следует нажать Settings и перейти в следующее диалоговое окно:
Этот шаг обязателен для Windows. Нужно указать в верхнем поле (Ngspice executable location) путь к файлу ngspice.exe. Для Linux как правило подходит путь по умолчанию. Теперь возвращаемся в предыдущий диалог и нажимаем Simulate. В диалоговом окне видим, что моделирование прошло успешно:
Также можно экспортировать схему в Spice-netlist, нажав копку Save Netlist. Вот так выглядит нетлист для нашей схемы:
Нажимаем Exit, переходим на страницу просмотра и строим диаграмму. Размещаем декартовскую диаграмму. Открывается диалог свойств диаграммы.
В выпадающем списке (1) выбираем RCL, в выпадающем списке (2) выбираем Ngspice. Потом выбираем переменные, графики которых нужно построить (двойным щелчком мыши). Они переходят в список в правой части окна (показано стрелкой). Всё, моделирование завершено, получаем АЧХ (ток виртуального датчика тока — ac.i(pr1)) и осциллограммы напряжения (tran.v(vIn), tran.v(vR) ). Их нужно построить на разных графиках.
Обратите внимание, что имена узлов схемы имеют форму записи, принятую в SPICE. Префикс указывает тип моделирование (tran. или ac.) и симулятор (ngspice/).
Возможности
Дальнейшие перспективы
Дальнейшая судьба проекта spice4qucs неясна. Вместе с релизом 0.0.19 выйдет два комплекта пакетов — с поддержкой spice4qucs и без неё. Вопрос о включении данного набора патчей в upstream остаётся открытым.
В дальнейшем будут добавляться новые компоненты и виды моделирования, в частности цифроаналоговые модели. Можно будет назначать каждой схеме дефолтный симулятор: Ngpsice, Qucsator или Xyce и выполнять моделирование, используя системный диалог (F2).
Возможно осенью я начну параллельно разработку собственного открытого проекта, базирующегося на исходных кодах Qucs и spice4qucs и нацеленного на глубокую интеграцию со SPICE и моделирование аналоговой электроники. Дефолтный симулятор Qucsator будет выпилен и заменён на Ngspice и будет обеспечена совместимость с библиотекам SPICE, реализованы компоненты полностью совместимые со SPICE и т.п.