低成本和免费的工具适合工程师的个人预算
硬件工程师该怎么做?由于COVID-19大流行，我们被困在家里，远离我们正常的实验室，可能无法访问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示波器，我的手指就会抽搐。”
如果你错过了你的工程工具，或者想建立你的家庭实验室，或者想最终在你已经推迟了五年的业余电子项目上工作，或者你想向你的孩子介绍测量或模拟的兴奋，现在是考虑我们的免费或非常低成本的硬件和软件模拟工具的好时机。
我们并不是建议你用我们推荐的35 MHz带宽示波器来取代你的10万美元，20 GHz带宽的示波器，但是如果你想要一个简单，易于使用，功能齐全，带宽有限的示波器，那么下面列出的一些低成本多功能示波器的价格点很难超过100到400美元。
想要探索电路模拟，或建立自己的电路板，但不想承诺主要资金或配偶许可单位(spu)?现在可能是使用这些免费工具进行试驾的理想时机。它们永远不会取代专业水平的工具，如Keysight的ADS或Mentor’s Expedition，或Altium Designer，但如果你想设计和制作你的第一个爱好板，它们可能是完美的。
以下是我们对家庭工程项目的一些低成本但有用的工具的建议。如果你有一个喜欢的低成本工具没有在这里提到，将其添加到评论部分。
模拟电路模拟器
会计有计算器，硬件工程师有SPICE。如果你能画出电路，SPICE模拟器可以计算出任何节点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。
虽然有很多工具的高级功能需要付费，但幸运的是，还有各种各样的SPICE免费版本。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，那么现有模型与某些版本的SPICE之间可能存在兼容性问题。如果您需要特定供应商的IC模型，则可能仅限于使用该供应商的SPICE版本。
你喜欢的工具是个人的选择。对一个工程师来说重要的可能是对另一个工程师来说“谁在乎”。这就是选择的好处。我们个人最喜欢的一个是昆士兰大学。图1是示波器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。给出了电路的建立示例和仿真结果。
QUCS具有易于使用的图形界面、出版物质量的图形输出、速度快、计算稳定等优点。在SPICE模拟器中，它在本地理解s参数方面是独一无二的。这意味着您可以重要和导出Touchstone[1]要在频域中查看和操作的文件。它具有操作s参数的有用函数，例如将插入损失的相位转换为时间延迟的unwrap函数。
不幸的是，它不支持瞬态仿真中的s参数模型，也不支持SMPS设备等常见ic的各种模型，也不支持有损传输线。然而，您可以导入一些SPICE模型，并让它们运行。
Octave，一个MATLAB克隆，是本地集成的。这意味着您可以在Octave中编写代码来操纵模拟波形。
以下是我们精选的免费SPICE工具:
qus:相当通用电路模拟器:http://qucs.sourceforge.net/。这是一个功能齐全的工具，可以执行所有正常的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SPICE的流行版本，由线性技术(LT部分)创建，现在由模拟设备支持。在ADI网站上有大量的教程视频可以帮助你入门。LTSPICE在许多大学中被广泛使用。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，现在由Cadence支持。有免费版本和收费版本。我们中的一个人使用运行在DEC PDP-10上的PSPICE学习SPICE，通过1200波特的调制解调器输入文本的网络列表(询问你的父母)。
TI的PSPICE:https://www.ti.com/tool/PSPICE-FOR-TI。最近，TI从Cadence获得PSPICE许可，现在提供许多PSPICE格式的器件模型。
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部件都有TINA兼容的模型。
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。最好的是，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，展示了基本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。输出包括眼图、浴缸曲线和抖动。PyBERT可以从Github上获得，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、一个PRBS生成器和网络分析仪校准。SignalIntegrity可以在https://github.com/TeledyneLeCroy/SignalIntegrity/releases适用于Linux和Windows。
数据显示和分析工具
还有其他免费的软件工具，可以在时间或频域为你显示s参数，甚至可以构建眼图，只需点击几下鼠标。是德科技的PLTS做到了这一切，但它不是免费的。Mentor Graphics的Touchstone编辑器内置在HyperLynx中，是一个快速简单，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Maui Studio下载包的一部分，是免费的。你可以从这个链接下载:https://teledynelecroy.com/mauistudio/它将导入任何Touchstone文件，并在时域和频域中以单端或差分形式显示s参数。图2是一个在频域和时域显示的4端口s参数文件的示例。
图2所示。一个例子LeCroy的WavePulser接口在频域和时域绘制了一个s参数文件。
如果你熟悉MATLAB
，您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。如果你用过MATLAB，想要一个免费的版本，Octave是一个可以考虑的。它也被内置到QUCS中，可以对QUCS电路仿真进行广泛的后处理。
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，用于绘制测量频谱。它不是免费的，但需要79美元。如果你有SDR设备，比如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，它甚至可以监视特定的频段。
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是强大的工具，但不是免费的。如果您正在寻找免费的PCB布局工具，这里有五个推荐的布局工具和三个支持工具，用于您的PCB设计活动:
Eagle免费下载(https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download?plc=F360&term=1-YEAR&support=ADVANCED&quantity=1)是为学生和业余爱好者设计的全功能工具的限制版本。它仅限于两张原理图，两个信号层(和多个平面)的板，以及12.4平方英寸的总板面积。
KiCAD (https://www.kicad.org/)是现在最流行的免费工具，因为它是开源的，并且得到了CERN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，它有腿，并且可能会在功能上增长，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。以下是三种来自PCB工厂的比较流行的工具:
PCB123 (https://www.sunstone.com/pcb123-lp)源自Sunstone
简易EDA (https://easyeda.com/?_ga=2.151123327.797758524.1605649641-346984517.1595289483)。
请注意，其中一些，如PCB123，与特定的晶圆厂联系在一起，这使得很难在其他地方采购PCB。
除了布局工具之外，这里还有其他五个免费工具，对PCB设计师来说很方便。
土星PCB设计工具包(http://saturnpcb.com/pcb_toolkit/)是一个丰富的计算器收集所有的东西PCB。图3显示了土星PCB计算器屏幕的一个示例。如果您想知道在将温度提高10摄氏度之前可以通过走线的最大电流，则此工具实现了IPC2152推荐的公式。
图3所示。土星PCB设计计算器的例子，对各种PCB设计估计有用。
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，您就可以查看电路板堆栈中的每一层。
节奏快板免费查看器可用于审查和检查PCB布局。brd或Gerber格式。可以从https://www.cadence.com/en_US/home/tools/pcb-design-and-analysis/allegro-downloads-start.html
AppCAD for Windows，一个免费的互连阻抗计算器可从下载https://www.broadcom.com/appcad它是由安捷伦科技公司(现为是德科技)开发的，但现在由安华科技公司所有。它包括用于估计各种几何形状互连阻抗的计算器，包括微带和带状线走线，共面波导和同轴电缆，从材料特性和几何形状。不幸的是，它只适用于单端几何形状。图4显示了一个微带跟踪示例的屏幕截图。
图4所示。AppCAD屏幕截图的微带跟踪示例
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，提供了一个限量版的免费HyperLynx设计规则检查器。此工具检查您的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。免费版检查包括走线交叉分割平面，t叉拓扑和去耦电容器的位置。
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需要的最重要的工具。之所以选择这四种仪器，是因为它们还至少内置了一个函数生成器，使其成为多功能仪器。本列表中每个基于USB的低成本示波器都至少有两个模拟通道和一个函数发生器。开云体育官网登录平台网址在下面的表1中，只列出了入门级作用域版本。
这个价格范围内的大多数入门级设备都是usb连接设备。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。为了比较，在这个价格范围内包括两个台式示波器，没有函数生成器，但带宽为200mhz。
范围/供应商/ URL |
价格(美元) |
模拟BW |
信号发生器的BW |
电力供应 |
阻抗分析仪 |
波德分析仪 |
逻辑分析与解码 |
399美元 |
35兆赫 |
12 MHz |
2 +/- 5v |
是的 |
是的 |
16通道，I2C, SPI, CAN, AVR, UART |
|
红色的火龙果 STEM Lab 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通道，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
值得一提的是:除了范围和函数生成器之外，拥有一个非常大的方波源也无妨。令人惊讶的是，有一个简单的40秒上升时间，10兆赫方波源，50美元可从Leo Bodnar Electronics (https://www.leobodnar.com/shop/)在英国。它有一个USB端口供电。图5是带有BNC连接器的该源的一个示例。利奥·博德纳说这个源发电机板花了他12次迭代才得到正确的电路板。我们可以从他的工程努力中获益。
图5所示。40秒上升时间源从利奥博德纳电子与BNC连接器。
矢量网络分析仪
网络分析器是出了名的昂贵。一个4通道，40ghz的VNA将花费5万到25万美元。一千美元以下你还能指望什么?事实证明，只要你不需要超过3ghz的带宽，就会有很多。如果您想尝试s参数测量，这些都是低成本的入门点。
SDR-Kits (https://www.sdr-kits.net/DG8SAQ-VNWA-models)，提供VNWA 3E。这是2端口1 kHz至1.3 GHz VNA，具有令人印象深刻的规格。它很好地达到了PDN组件测量的最佳位置(请参阅本期关于此应用程序的文章)。价格为500美元，包括航运和校准套件。
亚马逊和R&L电子公司提供的纳米vna是一种成本极低的网络分析仪。有两种型号，都有彩色触摸屏显示，并由个人电脑使用Linux或Windows的VNA-QT软件控制:
V1, 10khz -1.5 GHz, 2.8英寸显示屏，55美元
V2, 50 KHz-3 GHz, 2.8英寸显示屏，106美元
V1的频率点固定为101,V2的频率点固定为201或1024。输出实际上不是正弦波而是更像方波，输出功率电平不可调，动态范围有限。包括可充电电池，校准套件和USB- c (V1)或USB (V2)电缆。
mRS mini VNA微型，(http://miniradiosolutions.com/) 1mhz - 3ghz, USB/无显示，550美元是来自德国的双端口USB连接仪器。它比纳米VNAs贵得多，而且没有内置显示屏。图6显示了该单元和可选的校准套件。
图6所示。迷你VNA微型图片与可选的校准套件
该单元是一个双端口，usb供电的VNA，可实现反射和传输测量。前者可用于天线分析，而后者可用于通过滤波器、PCB走线、电缆等测量损耗。然而，没有办法执行真正的四端口差分测量。它提供10 Hz最小频率步长，最多23000个频率点，高达70 dB动态范围和信号发生器模式。
校准可以使用一组简单的单端口标准(开放，短，负载)进行，并且可以召回数据以进行后续测量。可以为自定义扫描定义创建自定义预置。测量数据可以导出到Excel (.xlsx)或逗号分隔值(.csv)文件，包括各种参数，如实和虚阻抗，阻抗的幅度和相位，驻波无线电(SWR)和群延迟。s参数导出也可用，但只能是。csv格式，而不是Touchstone。vna/J程序GUI的屏幕截图示例如图7所示，部分导出的Excel数据文件如图8所示。所示示例是用于美国HF(短波)业余波段的非谐振多波段天线。
图7所示。微型VNA微小测量截屏
vna tiny使用的vna/J软件是基于java的，支持Windows、MAC OS X和Linux操作系统。用户指南是可用的，但它比该软件的最新版本(3.4.6,2020年11月27日)要旧得多(3.3版本，2019年11月1日)。它是相当广泛的，详细介绍了软件中可用的选项。作者对通过电子邮件提出的问题很有反应。
使用VNA的经验好坏参半，但总体上是积极的。3ghz的最高频率是不错的，特别是在这个价格点。分析仪如预期的那样工作，但没有与纳米VNA或商用VNA的结果进行比较。vna/J软件操作分析仪，包括校准和测量，并执行数据导出，但并不像作者所希望的那样用户友好。Touchstone缺乏导出功能可能会受到限制，但对于家庭用户来说，这可能不是一个障碍。
但是，这确实限制了数据与模拟器的使用。编写转换程序以从vna/J导出的.csv文件生成对数幅度和相位格式的Touchstone文件并不困难，尽管某些模拟器可能需要使用恒频间隔或频率插值。创建预设的能力很好，在同一测量的不同频率范围内定义不同频率步长的能力也很好。
频谱分析仪和sdr
这一类包括传统的模拟和实时频谱分析仪，以及可以用作频谱分析仪的sdr。
Hugen tinySA (http://www)。https://www.tinysa.org/wiki/)是一个350/960 MHz频谱分析仪与71毫米(2.8英寸)彩色显示器和USB端口。阿里巴巴、全球速卖通和R&L电子公司(美国)的售价约为50美元。最大扫描点数为290个，有一定限制;该装置使用2.6和640 kHz的可切换分辨率带宽滤波器。它包括一个校准信号发生器进行自检。详细的tinySA英文评论可以在https://www.hamcom.dk/TinySA/Description_of_TinySA_a_real_Spectrum_Analyzer_for_little_money.pdf。
noelec RTL-SDR， (https://www.nooelec.com/store/sdr.html) 25mhz -1.7 GHz, 62美元。RTL-SDR本身并不是一个真正的频谱分析仪，而是一个基于RTL820T欧洲数字视频广播(DVB-T) IC的软件定义接收机，可以用作频谱分析仪。它是为电视接收而设计的，但它也可以用作频谱分析仪。接收器加密狗插入计算机上的USB端口，它有一个SMP连接器，用于连接天线(包括)或信号源(参见图9)。
它使用Airspy spdrsharp软件，绘制如图10所示的频谱显示，包括瀑布，并包括许多流行信号类型的解调能力。注意101.5兆赫的强调频广播站和大约102.6兆赫的弱电台。
图10所示。RTL-SDR频谱显示使用sdrsharp
RTL-SDR加密狗有多个版本，它们之间的最小接收频率不同;本作者的版本是70 MHz，但有些低至25 MHz。为了收听低于最小值的频率，一种方法是在天线和SDR之间使用上变频器，如Ham-it-Up(也很便宜)。根据不同的版本，转换器使用100 MHz或125 MHz的晶体，因此SDR频率比实际接收频率高得多。
SDR工作得很好，主要限制是接收带宽。显示调整包括变焦，范围和瀑布的偏移。调制类型从大量的选择中选择，这使得实验容易。解调信号通过主机PC的扬声器播放。
ADALM-Pluto， (http://wiki.analog.com/plutosdr325mhz -3.8 GHz SDR售价150美元。该单元也是一个SDR，是Analog Devices学习模块的一部分。它的频率范围是325mhz -3.8 GHz，没有显示器。它使用USB连接到计算机，并支持MATLAB和Simulink。
普源精电(https://www.rigolna.com/)的频谱分析仪售价699美元，这是工程师个人预算的上限。DSA705 DSA705 (100 kHz-500 MHz)或DSA710 (1 GHz)是一款传统的模拟频谱分析仪，具有200 mm(8英寸)彩色显示器，100 Hz最小分辨率带宽的数字中频，可选PC软件，可选EMI滤波器和准峰值检测器等。
SDRPLAY RSPdx， (http://www.sdr-kits.net)是1khz - 2ghz的设备，售价158英镑(约209美元)。与RTL-SDR一样，RSPdx是1 kHz-2 GHz软件定义接收机，也可以用作频谱分析仪。
种子科技(https://www.seeedstudio.com/blog/2020/03/19/work-from-home-what-do-you-need-for-an-electrical-engineers-home-lab-2/)提供以下两种选择:
WSUB1G (109990010) 240-960 MHz单元，售价139美元。这是一款手持设备，使用RF Explorer软件，具有峰值保持，平均和其他功能，频率范围为112 kHz-100 MHz。分辨率带宽为2.6- 600khz。
RF Explorer 3G套件(#109990009)覆盖15 MHz-2.7 GHz。该套件将WSUB1G与RFEMWSUB3G扩展模块捆绑在一起，将最大频率扩展到2.7 GHz。它的售价为269美元，交货时间为30周。
DMM(或DVM)
最后，哪个实验室真的没有数字万用表(DMM)?当你想测量电池的直流电压，或通道的连续性，检查电阻值，甚至测量一个未标记的电容器的电容时，有一个简单，功能丰富的数字万用表是很方便的。虽然有数百种可供选择，但最受欢迎的是
ANENG 8009单元。速卖通售价25美元，亚马逊售价42美元。
除了通常的DMM功能，具有9999位读出计数外，它还具有频率计、电容计和方波信号源。它具有所有的功能，精度和易用性，是任何家庭实验室必备的仪器。其他值得考虑的包括:
Wavetek DM27XT。该DMM可测量高达750v的交流/直流电压、交流/直流电流、电阻和电容。
侥幸am - 530。该DMM可测量高达600v的交流/直流电压、交流/直流电流、电阻、频率、电容和温度。
总结
未来将是一种新常态。信息工作者和一些工程师可能会花更多的时间在家工作。为什么不利用低成本的电子革命，把各种各样的仪器和软件工具放在你的手中呢?它们永远不会取代高端专业水平的工具，但它们可以完全满足家庭工程项目，并且它们适合工程师的个人预算。
如果您以前从未使用过这些类型的工具之一，并且想要一个入门点来测试它们，并将您的家庭时间引导到建设性的工程时间，那么这些选项可以成为您进入专业级别版本的“门户”。
但更重要的是，拥有这些在个人预算范围内负担得起的工具，在你的家庭办公室、实验室或车间里，意味着下一代的年轻工程师将可以使用它们。
对于我们中的许多人来说，这是一个事件，我们经历了创造一些东西的兴奋，或者看到了看不见的东西，或者预测了一个复杂的行为，我们后来在硬件中看到了实现，点燃了火花，并导致了我们的工程事业。使用这些低成本工具的机会也可能激发下一代人的兴趣。
作者
Eric Bogatin博士是科罗拉多大学博尔德分校的兼职教授，Teledyne LeCroy公司的信号完整性传道者，以及SI杂志的技术编辑。
Joseph C. (Jay) Diepenbrock是SIRF Consultants, LLC的独立顾问。
[1] Touchstone是Keysight Technologies的注册商标。
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