Тема 8. Середовища проектування та програмні симулятори. Середовище EasyEDA

Середовища проектування

EDA (Electronic Design Automation) — це програмні середовища для автоматизації проектування електронних пристроїв. Вони дозволяють створювати принципові електричні схеми, розробляти друковані плати, проводити аналіз та симуляцію роботи схем, готувати файли для виробництва.

Основні функції EDA-середовищ:

1. Схемотехнічне проектування: створення принципових електричних схем; використання бібліотек компонентів (резистори, конденсатори, мікросхеми, мікроконтролери тощо); автоматична нумерація елементів (анотація); перевірка логічних зв’язків (ERC – Electrical Rule Check).
2. Проектування друкованих плат (PCB Layout): розташування компонентів на платі; трасування з’єднань – ручне, напівавтоматичне чи автоматичне; підтримка багатошарових плат; контроль дизайну (DRC – Design Rule Check); формування файлів для виробництва (Gerber, Drill, Pick&Place).
3. Моделювання та симуляція: імітація роботи аналогових та цифрових схем; тестування мікроконтролерів; перевірка швидкодії, теплових режимів, енергоспоживання.
4. 3D-візуалізація: перегляд готової плати у 3D; перевірка габаритів і сумісності з корпусом; можливість експорту в механічні CAD-системи (SolidWorks, Fusion 360).
5. Документування та підготовка до виробництва: генерація специфікацій компонентів (BOM – Bill of Materials); формування виробничих файлів (Gerber, ODB++, NC Drill); креслення монтажних карт, посадкових місць (Footprints).
6. Інтеграція та співпраця: робота у команді (контроль версій, GitHub); інтеграція з базами компонентів; зв’язок із механічним проєктуванням (ECAD-MCAD integration).

Огляд популярних EDA-систем

Fritzing – відкрите середовище для проектування електроніки, орієнтоване на освіту, прототипування та DIY. Воно створене, щоб полегшити перехід від макетної плати до друкованої плати (PCB).

Основні можливості:

• Режим макетної плати – візуальне зображення підключень так, як на breadboard.
• Режим схеми – автоматичне або ручне створення принципової схеми.
• Режим плати – створення друкованої плати, розташування компонентів і трасування.
• Експорт Gerber-файлів – підготовка проєкту до виробництва.
• Бібліотека Arduino та популярних модулів – дозволяє швидко вставляти мікроконтролери, сенсори, модулі.

Переваги: інтуїтивний інтерфейс, гарна візуалізація breadboard-підключень, інтеграція з Arduino, можливість переходу від макету до PCB. Недоліки: менше функцій, ніж у професійних EDA, обмежені можливості трасування, повна версія програми доступна як платна підтримка проєкту (хоча старі версії можна завантажити безкоштовно).

KiCad – безкоштовне та відкрите програмне забезпечення для створення електронних схем і друкованих плат. Розробляється з 1992 року, підтримується спільнотою та професійними інженерами. Сьогодні є одним із найбільш використовуваних інструментів у світі DIY, освіті та навіть у промисловості.

Основні можливості:

• Редактор схем – створення принципових електричних схем, перевірка правил (ERC).
• Редактор друкованих плат – розташування компонентів, трасування, контроль правил (DRC).
• 3D-візуалізація – перегляд готової плати у 3D, експорт у CAD (STEP).
• Бібліотеки компонентів – величезна база + можливість створювати власні.
• Підготовка до виробництва – генерація Gerber-файлів, BOM, Pick&Place.
• Плагіни та скрипти на Python автоматизація проєктування.
• Підтримка багатошарових плат (6–8 шарів і більше).
• Підтримує базову симуляцію аналогових схем.

Переваги: повністю безкоштовне і з відкритим кодом, підтримує професійні функції (багатошарові плати, 3D-моделі), постійно розвивається завдяки великій спільноті, багато навчальних матеріалів і бібліотек у відкритому доступі. Недоліки: інтерфейс менш адаптований під користувача, ніж у комерційних EDA, вимагає деякого часу на освоєння, менше можливостей симуляції, ніж у більш професійних середовищах.

Autodesk Eagle – комерційне EDA-середовище для проектування електронних схем і друкованих плат. Широко застосовується у хобі-проєктах, стартапах і малому бізнесі.

Основні можливості:

• Редактор схем – зручний інтерфейс для побудови електричних схем.
• Редактор друкованих плат – розташування компонентів і трасування доріжок (ручне, напівавтоматичне, авто).
• Вбудовані бібліотеки – велика база компонентів, включаючи Arduino, ESP, модулі сенсорів.
• DRC та ERC-контроль – перевірка правил проектування.
• Скрипти (ULP) – можливість автоматизації (User Language Programs).
• 3D-інтеграція з CAD-системою Autodesk Fusion 360.
• Експорт Gerber для виробництва плат.

Переваги: простий і зрозумілий інтерфейс, велика база бібліотек компонентів, інтеграція з Fusion 360 (одразу можна поєднувати електроніку з механікою), багато навчальних матеріалів. Недоліки: безкоштовна версія має обмеження (2 шари, обмежений розмір плати), немає вбудованого симулятора схем, поступається більш професійним рішенням.

DipTrace – комерційне EDA-середовище для проектування електронних схем і друкованих плат. Розроблене компанією Novarm (Україна), відоме завдяки інтуїтивному інтерфейсу та простоті освоєння. Використовується як у навчанні, так і в малому та середньому бізнесі.

Основні можливості:

• Редактор схем – зручне створення принципових схем, контроль правил (ERC).
• Редактор друкованих плат – трасування плат (ручне, напівавтоматичне, авто).
• 3D-моделювання – перегляд плати у 3D, експорт у механічні CAD (STEP).
• Бібліотеки компонентів – велика база + зручний редактор для створення власних компонентів і футпринтів.
• Імпорт/експорт – підтримка Gerber, DXF, P-CAD, Eagle, Altium.
• BOM (Bill of Materials) – автоматичне створення специфікації.
• Робота з багатошаровими платами – підтримка до 16 шарів (залежить від ліцензії).

Переваги: простий і зрозумілий інтерфейс, інтеграція з 3D CAD, потужний редактор бібліотек, можливість імпорту/експорту з інших EDA, безкоштовна версія для навчання та некомерційного використання. Недоліки: обмежені можливості безкоштовної версії, менше можливостей для великих і складних проєктів, не має повноцінного симулятора схем.

Proteus Design Suite – комерційне EDA-середовище від компанії Labcenter Electronics (Велика Британія), яке об’єднує редактор принципових схем, проектування друкованих плат та потужний симулятор електронних схем.

Основні модулі Proteus:

• ISIS (Intelligent Schematic Input System) – редактор принципових схем + симуляція.
• ARES (Advanced Routing and Editing Software) – редактор друкованих плат.
• VSM (Virtual System Modelling) – симуляція мікроконтролерів із виконанням прошивки.
• BOM & 3D Viewer – створення специфікації, перегляд плати у 3D.

Можливості симуляції Proteus:

• Аналогові схеми: підсилювачі, фільтри, джерела живлення.
• Цифрові схеми: логічні елементи, тригери, регістри.
• Мікроконтролери: PIC, AVR, ARM Cortex-M, STM32, деякі 8051 та інші.
• Завантаження прошивку у HEX та перевірка роботи програми разом із реальною схемою.

Переваги: повноцінна симуляція мікроконтролерів разом із периферією, поєднання «схема → симуляція → PCB» в одному середовищі, велика бібліотека компонентів, зручність для навчання та швидкої перевірки ідей. Недоліки: комерційний продукт (ліцензія досить дорога), менш зручний для великих промислових проєктів, іноді обмежені бібліотеки сучасних мікросхем (потрібно створювати самому).

Altium Designer – професійне EDA-середовище для розробки електроніки. Вважається одним із найпотужніших і найпоширеніших інструментів у світі для промислового проєктування друкованих плат.

Основні можливості:

• Schematic Editor – створення електричних схем.
• PCB Layout – трасування плат (2D/3D, багатошарові плати, HDI, flex).
• 3D-моделювання та інтеграція з механічними CAD.
• Signal Integrity/Power Integrity – аналіз цілісності сигналів, перехідних процесів, шумів.
• High-Speed Design – робота з високошвидкісними інтерфейсами (DDR, PCIe, USB 3.0 тощо).
• FPGA Design – підтримка проєктування на рівні FPGA (інтеграція з HDL).
• Бібліотечний менеджмент – централізовані бібліотеки компонентів.
• Altium 365/Concord Pro – хмарна платформа для командної роботи.

Можливості симуляції Altium Designer:

• Mixed-Signal Circuit Simulation (SPICE) – вбудований SPICE-сумісний симулятор для аналогових і цифрових схем.
• Signal Integrity Analyzer – аналіз якості сигналів (затримки, рефлексії, перешкоди).
• Power Delivery Network Analysis – моделювання розподілу живлення.

Переваги: потужний інструмент для промислових багатошарових плат, інтеграція з 3D CAD і перевірка механічної сумісності, розвинуті засоби аналізу сигналів, хмарні сервіси для командної роботи, дуже велика база бібліотек. Недоліки: дуже висока вартість ліцензії, вимагає потужного комп’ютера, має складніший інтерфейс (довгий поріг входу для новачків), орієнтований більше на промисловість.

Середовище EasyEDA

EasyEDA – це безкоштовне онлайн-середовище для проектування електронних схем і друкованих плат, яке працює безпосередньо у веб-браузері. Воно особливо зручне для початківців і малих проектів завдяки своїй простоті використання та інтеграції з онлайн-сервісами для виготовлення друкованих плат.

Не зважаючи на те, що середовище працює в браузері, воно має доволі багатий функціонал та практично нічим не поступається іншим аналогам. На додачу до цього воно має інтеграцію з сервісом по виготовленню друкованих плат JLCPCB, а також з постачальником електронних компонентів LCSC, що дозволяє при проектуванні схеми вибирати компоненти, доступні для замовлення та навіть побачити їх вартість. До недоліків використання середовища можна віднести потребу в стабільному Інтернет-з’єднанні, без якого робота з ним неможлива.

Для використання онлайн-середовища EasyEDA достатньо мати на компʼютері чи будь-якому іншому пристрої (ноутбук, планшет) сучасний веб-браузер з підтримкою HTML5 та доступ до мережі Інтернет. Крім того, можна також завантажити програму-клієнт, хоча функціональної переваги перед браузером у неї немає.

EasyEDA є доволі простим та інтуїтивно зрозумілим середовищем, з яким легко починати вивчати проектування електричних схем та розробку друкованих плат. Середовище дозволяє працювати над одним проектом в команді, ділитися з іншими людьми своїми проектами або ж отримувати доступ до сотень тисяч вже створених проектів.

Програма має багатий функціонал в плані розробки принципових електричних схем: створення як простих схем так і цілих симуляцій; експорт створених схем у різних форматах (PDF, PNG, SVG, DXF) або у форматі, що підтримується середовищем EasyEDA (json); експорт у форматі, підтримуваному Altium Designer; експорт переліку компонентів BOM (Bill Of Material), що підтримується більшістю виробників.

Середовище забезпечує ряд можливостей по роботі з PCB: розробка друкованих плат з підтримкою багатошаровості (до 6 шарів); виконання трасування в автоматичному або ручному режимі; перевірка на відповідність спроектованої плати стосовно вимог розробки DRC (Design Rules Checking); експорт друкованої плати в найбільш поширених графічних форматах (як растрових так і векторних); представлення готового виробу в 3D-вигляді; створення виробничої документації (Gerber-файл, Pick and Place файл (координати розміщення компонентів на платі)).

EasyEDA дозволяє імпортувати готові проекти з інших популярних середовищ – Altium Designer, Autodesk Eagle, KiCad, а також імпортувати векторну графіку у форматі DXF, яку можна використати як для нанесення на плату у вигляді шовкографії так і для формування профілю створюваної друкованої плати.

Користувач отримує доступ до бази, що містить більш ніж мільйон готових бібліотек, з можливістю їх редагувати або ж створювати свої власні в залежності від потреб. Це дозволяє працювати з унікальними електронними компонентами.

Отримати доступ до середовища можна перейшовши в браузері за адресою https://easyeda.com та пройшовши доволі просту процедуру реєстрації (потрібно вказати лише ім’я користувача, адресу електронної пошти, пароль та підтвердити кодом електронну пошту) або використати вже існуючий Google-акаунт. Без реєстрації користувач не зможе зберігати свої проєкти та бібліотеки.

Далі користувачу пропонується обрати один з варіантів роботи: використовувати браузер (Design online) або застосунок-клієнт (Download).

Після вибору варіанту роботи в браузері, користувач повинен обрати версію середовища: стандартну редакцію (Std Edition) – дещо спрощену версію програмного забезпечення, яка краще підходить для новачків, студентів та ентузіастів; професійну редакцію (Pro Edition) – більш функціональний варіант середовища, яка орієнтоване на професійних розробників та серйозні корпоративні проекти з розширеним набором інструментів.

Головне вікно середовища, яке зʼявляється після вибору стандартної редакції містить кілька основних модулів, кожен з яких відповідає за певний функціонал: панель навігації, верхнє меню, панель монтажних інструментів, панель інструментів для малювання, панель інструментів PCB, полотно, панель атрибутів, фільтр.

Панель навігації є дуже важливою для середовища, оскільки дозволяє отримати доступ до проектів, файлів, деталей та бібліотек. Вона включає наступні закладки: Проєкт (Project), Менеджер розробки (Design Manager), Загальна бібліотека (Common Library), Бібліотека (Library), LCSC, JLCPCB.

Закладка Проєкт (Project) містить перелік всіх проектів створених користувачем або доступних йому (наприклад, проекти, до яких йому надали доступ або в яких він приймає участь як один із розробників). Також тут можна виконати певні дії над проєктом чи його складовими (схемою, PCB).

Закладка Менеджер розробки (Design Manager) відображає можливі помилки та зауваження в процесі проектування схеми чи плати, а також може містити результати перевірки правильності проектування плати перед її виготовленням.

Загальна бібліотека (Common Library) містить набір стандартних або поширених електронних компонентів, які можуть використовуватися для побудови симуляцій або ж принципових схем. Сюди входять резистори, конденсатори, котушки індуктивності, джерела живлення, стандартні конектори та роз’єми, перемикачі і кнопки, діоди, світлодіоди, транзистори, стабілізатори напруги та дисплеї. Однак при використанні цих елементів варто враховувати те, що при замовленні виготовлення плати з монтажем компонентів, виробнику потрібно буде додатково передати інформацію про ці компоненти (виробника, номінал і т.д.).

Закладка Бібліотека (Library) надає доступ до бази бібліотек, створених користувачем (Work Space), доступним для замовлення в постачальника LCSC, доступних для монтажу при виготовленні плат в сервісі JLCPCB, а також системні бібліотеки самого середовища.

Дві останні закладки є посиланнями на сайт постачальника LCSC та сервісу з виготовлення друкованих плат JLCPCB.

Верхнє меню середовища надає доступ до всіх основних функцій, доступних в програмі: створення нових проектів, імпорт та експорт файлів, інструментів розробки, підготовки до виготовлення, проведення перевірки, тестування тощо. Частина цих функцій доступна на панелі інструментів.

Пункт меню File дозволяє користувачу створювати нові проекти, схеми, PCB, свої власні бібліотеки (символи, посадочні місця для компонентів (footprint), 3D-моделі елементів), відкривати існуючі проекти з інших середовищ, імпортувати зображення та DXF-файли, експортувати проекти або їх складові в різних форматах, створювати Gerber-файли та інші супутні документи для виготовлення плат або їх компонування.

Пункт меню Edit відповідає за стандартні операції редагування (скопіювати, вставити, скасувати), пошуку, а також дозволяє використовувати інструмент Measure для проведення замірів на PCB.

Пункт меню Place надає набір інструментів для створення схем та плат (з’єднання контактів електронних компонентів, малювання геометричних фігур та ліній, прокладання доріжок PCB (трасування), додавання текстових коментарів, підписів, створення отворів та контактних площадок на платі тощо). Набір інструментів змінюється залежно від того, з чим працює користувач. Також ці інструменти виведені на окремо на панель монтажних інструментів (Wiring Tools), панель інструментів для малювання (Drawing Tools), панель інструментів PCB (PCB Tools).

Пункт меню Format допомагає розміщувати елементи на полотні: змінювати їх положення, кут повороту, віддзеркалювати, вирівнювати між собою, змінювати режим відображення (передній або задній план).

Пункт меню View дозволяє змінювати масштаб, одиниці вимірювання, відображати або приховувати елементи полотна (сітка, панелі інструментів), а також показувати результат проектування плати у 2D та 3D вигляді.

Також серед важливих варто відмітити пункт меню Setting, який дозволяє змінити основні налаштування самого середовища.

Полотно представляє собою робочу область, де користувач має змогу створювати схеми або друковані плати, розміщуючи на ньому компоненти, з’єднуючи їх каналами звʼязку, прокладаючи доріжки і т.д. Полотно має розмірну сітку, до вузлів якої здійснюється прив’язка розміщення компонентів та елементів рисування або з’єднання контактів.

Додатково до полотна зʼявляється ще одне вікно – панель атрибутів. Вона дозволяє налаштувати різні параметри елементів, які в даний момент вибрані на полотні: компоненти, доріжки, канали звʼязку, контактні площадки, геометричні фігури, отвори і т.д. Якщо жоден елемент не вибрано – відображаються параметри полотна. Набір параметрів адаптивна та повністю залежить від вибраного елемента.

Фільтр слугує для швидкого пошуку по деяких закладках меню навігації, наприклад, пошуку електронного компонента в загальній бібліотеці по його назві.