硬件工程师该做什么?由于COVID-19大流行，我们被困在家里，远离了我们正常的实验室，可能无法使用我们过去经常使用的一些模拟工具。正如我们的一位同事曾经告诉我们的那样，“如果我每天至少不碰一次瞄准镜，我的手指就会抽搐。”
如果你正在怀念你的工程工具，或者想要建立你的家庭实验室，或者想要最终从事你已经推迟了五年的爱好电子项目，或者你想让你的孩子体验测量或模拟的刺激，现在将是一个很好的时机来考虑我们的免费或非常低成本的硬件和软件模拟工具列表。
我们不建议你用我们推荐的35mhz带宽瞄准镜来取代你价值10万美元的20ghz带宽瞄准镜，但如果你想要一个简单，易于使用，功能齐全，带宽有限的瞄准镜，下面列出的一些低成本多功能瞄准镜的价格点在100美元到400美元之间，很难打败它们。
想要探索电路模拟，或构建自己的电路板，但不想投入大量资金或配偶许可单元(spu)?现在可能是试用这些免费工具的最佳时机。他们永远不会取代专业水平的工具，如Keysight的ADS或Mentor的Expedition，或Altium Designer，但如果你想设计和建造你的第一个爱好板，他们可能是完美的。
以下是我们为家庭工程项目提供的低成本但有用的工具建议。如果你有一个最喜欢的低成本工具，这里没有提到，请在评论区留言．
模拟电路模拟器
会计有计算器，硬件工程师有SPICE。如果可以绘制电路，SPICE模拟器就可以计算任何节点上的时域或频域电压和电流。它是每个电气工程师必备的工具。
虽然有大量的高级功能的工具，你必须付费，幸运的是，也有各种各样的免费版本的SPICE。您的特定选择可能是由于过去的经验、易用性或特定的功能。请注意，如果您需要或使用组件模型，那么您的现有模型与某些版本的SPICE可能存在兼容性问题。如果您需要特定供应商的IC模型，则可能只能使用该供应商的SPICE版本。
你喜欢的工具是个人选择。对一个工程师来说重要的东西可能对另一个工程师来说是“谁在乎”。这就是期权的好处。我们个人最喜欢的是QUCS。图1是一个范围探头的电路模型以及快速边缘源的测量和模拟结果的示例。
图1所示。在QUCS中建立了电路实例并进行了仿真。
QUCS具有易于使用的图形界面，出版物质量的图形输出，并且速度快，计算非常稳定。在SPICE模拟器中，它在理解s参数方面是独一无二的。这意味着你可以重要和输出试金石[1]在频域查看和操作的文件。它具有操作s参数的有用函数，如将插入损失的相位转换为时间延迟的展开函数。
不幸的是，它不支持瞬态模拟中的s参数模型，也没有来自SMPS设备等常见ic的各种模型，也不支持有损耗传输线。但是，您可以导入一些SPICE模型，它们就可以运行。
Octave是MATLAB的克隆版本，是原生集成的。这意味着您可以在Octave中编写代码来操作模拟波形。
以下是我们选择的免费SPICE工具:
QUCS:相当通用电路模拟器:http://qucs.sourceforge.net/．这是一个功能齐全的工具，可以进行所有正常的SPICE模拟，特别是s参数模拟，读取和导出Touchstone文件。这是我们的最爱。
LTSPICE:https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html．这是一个流行的SPICE版本，由Linear Tech (LT部分)创建，现在由Analog Devices支持。在ADI网站上有大量的教程视频可以帮助你入门。LTSPICE被广泛应用于许多大学。如果您使用LT或ADI部件，这应该是首选。
如果你是Python爱好者，有一个用于ltpice的Python解析库:https://pypi.org/project/ltspice/
PSPICE学生版:https://www.pspice.com/academic-user．这是最早可用的SPICE版本之一，最初由OrCAD支持，现在是Cadence。有免费版本和收费版本。我们中的一个人在DEC PDP-10上使用PSPICE学习SPICE，通过1200波特的调制解调器在文本中输入网络列表(询问你的父母)。
PSPICE for TI:https://www.ti.com/tool/PSPICE-FOR-TI．最近，TI从Cadence获得了PSPICE授权，现在提供了许多PSPICE格式的设备型号。
TI也有自己的SPICE版本TINA (https://www.ti.com/tool/TINA-TI)．不是SPICE最稳定的版本，但许多TI零件有TINA兼容的型号。
在线SPICE模拟器荣誉奖:CircuitLab (http://www.circuitlab.com)．这有一个非常干净，易于使用的界面。最重要的是，如果你正在学习电路分析，他们有一个在线教科书，其中有许多交互式模拟，演示了基本的和更复杂的电路行为。而且都是免费的。
电路或通道分析工具
David Banas的PyBERT是一个基于python的串行通信链路误码率(BER)模拟器。PyBERT接受Touchstone格式的s参数文件作为输入，并模拟用户定义的串行通道。输出包括眼睛图、浴缸曲线和抖动。PyBERT可从Github获得，适用于Linux、Mac OS和Windows。安装说明可在https://github.com/capn-freako/PyBERT/wiki/instant_gratification．
Pete Pupalaikas的SignalIntegrity是一个基于python的开源工具套件，用于处理s参数。它包括一个s参数查看器、用于系统s参数的工具、去嵌入、虚拟探测、线性仿真、PRBS生成器和网络分析仪校准。SignalIntegrity可以在https://github.com/TeledyneLeCroy/SignalIntegrity/releasesLinux和Windows。
数据显示和分析工具
还有其他一些免费软件工具可以在时域或频域为您显示s参数，甚至可以构建眼睛图，所有这些都只需单击几下鼠标。Keysight的PLTS可以做到这一切，但它不是免费的。Mentor Graphics的Touchstone编辑器内置在HyperLynx中，是一个快速简便、功能齐全的s参数查看器，但它不是免费的。
Teledyne LeCroy的WavePulser界面是毛伊岛工作室下载包的一部分，是免费的。你可以从以下连结下载:https://teledynelecroy.com/mauistudio/它将导入任何Touchstone文件，并在时域和频域中将s参数显示为单端或差分。图2是一个在频域和时域显示的4端口s参数文件示例。
图2所示。一个例子LeCroy的WavePulser接口在频域和时域绘制s参数文件。
如果你熟悉MATLAB
你知道这是一个多么丰富的编程环境。就像Python一样，它是一种充满了许多函数和例程的编程语言，可以从中构建复杂的程序。与Python不同，它不需要配置或安装库，只需要下载、编写和运行。但是，它不是免费的。
然而,八度:https://www.gnu.org/software/octave/index是MATLAB的“克隆”，“大部分”与MATLAB兼容，无需修改即可运行许多MATLAB程序，并且是免费的。如果您使用过MATLAB并想要一个免费版本，那么可以考虑Octave。它也内置在QUCS中，可以对QUCS电路模拟进行大量的后处理。
在显示软件工具的类别中，Rational Waves (http://rfexplorer.com/rationalwaves/)是一种与许多软件定义无线电(SDR)硬件工具接口的工具，以绘制测量频谱。它不是免费的，但要79美元。如果您有一个SDR设备，如HackerRF One (https://greatscottgadgets.com/hackrf/one/)或Analog Devices Pluto (https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/adalm-pluto.html#eb-overview)， Rational Waves提供了缺失的用户界面，以典型的格式(如频谱或瀑布)显示测量的频谱，并且它甚至会监视特定的波段。
印刷电路板(PCB)布局和布局分析工具
三个顶级PCB布局工具，Cadence的Allegro, Mentor的Pads Pro和Altium的Altium Designer都是功能强大的工具，但不是免费的。如果您正在寻找免费的PCB布局工具，这里有5个推荐的布局工具和3个支持PCB设计活动的工具:
Eagle免费下载(https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download?plc=F360&term=1-YEAR&support=ADVANCED&quantity=1)是专为学生和业余爱好者设计的功能齐全的工具的限量版。它仅限于两张原理图，具有两个信号层(和多个平面)的板，总板面积为12.4平方英寸。
KiCAD (https://www.kicad.org/)现在是最流行的免费工具，因为它是开源的，并且得到了欧洲核子研究中心和树莓派基金会的许多工程师的支持。如果你正在寻找一个免费的PCB原理图和布局工具，有腿，可能会增长的功能，这是一个很好的开始。
许多低成本的基于互联网的PCB工厂提供免费的PCB布局工具，您可以下载和使用。以下是PCB工厂中比较流行的三种工具:
PCB123 (https://www.sunstone.com/pcb123-lp)来自Sunstone
简易EDA (https://easyeda.com/?_ga=2.151123327.797758524.1605649641-346984517.1595289483)。
请注意，其中一些，如PCB123，是绑定到特定的晶圆厂，使得很难从其他地方采购PCB。
除了布局工具，这里还有其他五个免费工具，方便PCB设计师。
土星PCB设计工具包(http://saturnpcb.com/pcb_toolkit/)是一个丰富的计算器集合的所有东西PCB。图3显示了土星PCB计算器屏幕的一个示例。如果你想知道在它的温度升高10摄氏度之前，你可以通过一个轨迹的最大电流，这个工具实现了IPC2152推荐的方程。
图3。土星PCB设计计算器的例子，用于各种有用的PCB设计估算。
Gerbv (http://gerbv.geda-project.org/)是一个简单易用的Gerber文件查看器。只需安装它并导入任何Gerber文件，就可以查看电路板堆栈中的每一层。
Cadence Allegro Free Viewer可用于检查。brd或Gerber格式的PCB布局。它可以从https://www.cadence.com/en_US/home/tools/pcb-design-and-analysis/allegro-downloads-start.html
appad for Windows，一个免费的互连阻抗计算器，可供下载https://www.broadcom.com/appcad，由安捷伦技术公司(现Keysight)开发，但现在由Avago技术公司拥有。它包括用于从材料属性和几何形状估计各种几何形状(包括微带和带线迹，共面波导和同轴电缆)互连阻抗的计算器。不幸的是，它只适用于单端几何图形。微带跟踪示例的示例屏幕截图如图4所示。
图4。AppCAD屏幕截图微带迹的例子
Mentor Graphics的HyperLynx设计规则检查器(第一年免费)https://www.mentor.com/pcb/hyperlynx/electrical-rule-check/drc-editions该公司免费提供了HyperLynx设计规则检查器的限量版。此工具检查布局是否存在潜在的信号和电源完整性以及电磁兼容性(EMC)问题。检查在免费版本包括迹交叉分裂平面，t叉拓扑，和解耦电容的位置。
数字示波器和信号发生器
示波器就像实验室里的瑞士军刀。它是每个电气工程师都需要的最重要的工具。之所以选择这四种仪器，是因为它们至少有一个内置的功能发生器，使其成为一种多功能仪器。此列表中的每个低成本的基于USB的作用域至少有两个模拟通道和一个函数生成器。开云体育官网登录平台网址在下面的表1中，只列出了入口级范围版本。
这个价格范围内的大多数入门级范围都是usb连接的。一般来说，它们的带宽有限。您将无法调试USB 3.0 5 Gbps信号，但您将能够调试无焊面包板电路或微控制器项目中的信号。为了进行比较，在这个价格范围内包括两个台式范围，没有函数生成器，但带宽为200 MHz。
范围/供应商/ URL |
价格，美元 |
模拟BW |
信号发生器BW |
电力供应 |
阻抗分析仪 |
波德分析仪 |
逻辑分析器和解码 |
399美元 |
35兆赫 |
12 MHz |
2、+/- 5v |
是的 |
是的 |
16路，I2C, SPI, CAN, AVR, UART |
|
红色的火龙果 STEM实验室125-10 |
235美元 |
40 MHz |
50兆赫 |
没有 |
没有 |
是的 |
没有 |
ADI ADALM2000 |
150美元 |
25兆赫 |
30兆赫 |
2、+/- 5v |
没有 |
是的 |
16路，SPI, I2C, UART，并行 |
Picotech https://www.picotech.com/oscilloscope/2000/picoscope-2000-overview |
140美元 |
10 MHz |
100千赫 |
没有 |
没有 |
没有 |
没有 |
Siglent SDS1202 |
379美元 |
200兆赫 |
没有 |
没有 |
没有 |
没有 |
没有 |
普源精电DS1202 |
370美元 |
200兆赫 |
没有 |
没有 |
没有 |
没有 |
没有 |
表1。低成本示波器的示例清单
值得一提:除了一个作用域和函数生成器，拥有一个非常巨大的方波源也不会有什么坏处。令人惊讶的是，有一个简单的40秒上升时间，10兆赫的方波源，50美元可从Leo Bodnar Electronics (https://www.leobodnar.com/shop/)。它由USB接口供电。图5是一个带有BNC连接器的源代码示例。Leo Bodnar说这个源发生器板花了他12次不同的电路板迭代才完成。我们从他的工程成果中获益。
图5所示。40秒上升时间源由Leo Bodnar Electronics与BNC连接器。
矢量网络分析器
网络分析仪是出了名的昂贵。一个4通道、40 GHz VNA的价格将从5万美元到25万美元不等。低于1000美元你能期待什么?事实证明，只要你不需要超过3 GHz的带宽，就会有相当多的带宽。如果你想涉足s参数测量，这些都是低成本的切入点。
