Oprogramowanie do projektowania płytek drukowanych

Oprogramowanie do projektowania płytek drukowanych

Wszystkie współczesne urządzenia są projektowane przy dużym wsparciu komputerów, a zasadniczą częścią tego procesu jest projektowanie płytek drukowanych PCB. Na rynku dostępnych jest wiele pakietów EDA (Electronic Design Automation - automatyzacja projektowania elektroniki) zwanych czasami ECAD (Electronic Computer Aided Design - komputerowo wspierane projektowanie elektroniki). Czym różnią się oferowane narzędzia i jak wybrać optymalne do naszych potrzeb rozwiązanie? W artykule zaprezentujemy dostępne aktualnie pakiety oprogramowania oraz omówimy ich kluczowe cechy i możliwości.

Oprogramowanie EDA to kategoria narzędzi programowych służących do wykonania projektów systemów elektronicznych na różnym poziomie. Jest stosowane do projektowania obwodów elektronicznych i płytek drukowanych, ale także układów scalonych, obudów, różnych elementów konstrukcyjnych urządzeń, a nawet do różnego rodzaju wizualizacji i symulacji. W artykule skupimy się na rozwiązaniach pierwszej grupy, czyli na programach do projektowania schematów układów elektronicznych oraz projektowania i walidacji płytek drukowanych.

Ponieważ nowoczesne urządzenia elektroniczne składają się z setek lub nawet tysięcy komponentów, narzędzia EDA są niezbędne do ich szybkiego projektowania. Często systemy tego rodzaju zintegrowane są z oprogramowaniem do symulacji elektrycznych i fizycznych, dzięki czemu możliwe jest usprawnienie procesu projektowania. Przekłada się to na zaoszczędzony czas, a także redukuje ilość koniecznych prototypów i badań laboratoryjnych. W efekcie oznacza to zmniejszenie kosztów projektu danego systemu elektronicznego.

Łatwość edytowania projektów i wprowadzania zmian, nawet na późnym etapie projektowania czy w gotowych projektach, pozwala na szybsze dopasowanie projektu urządzenia do zmieniających się wymagań. Możliwa jest szybka podmiana elementów w projekcie urządzenia na wypadek, gdyby obecnie stosowane elementy nie były dostępne na rynku, np. z powodu wycofania ich z produkcji lub problemów z dostawami, co jest obecnie jednym z największych problemów branży. Znacznie ułatwia to utrzymanie ciągłości produkcji urządzeń, szczególnie w przypadku trwającego kilkanaście czy kilkadziesiąt lat ich cyklu życia.

Na potrzeby przygotowanego zestawienia oprogramowanie zostało podzielone dosyć arbitralnie - według kategorii ceny i zastosowania. Nie jest niczym zadziwiającym to, że profesjonaliści stający przed bardzo zaawansowanymi projektami, często tworzonymi dla środowisk o szczególnych wymaganiach (urządzenia medyczne, elektronika motoryzacyjna, systemy funkcjonalnego bezpieczeństwa przemysłowego itp.), potrzebują zaawansowanych pakietów oprogramowania EDA. Nie jest też niczym zaskakującym, że zaawansowane oprogramowanie jest kosztowne. Nie oznacza to jednak, że otwarte czy darmowe oprogramowanie nadaje się tylko do prostych zastosowań - na rynku dostępnych jest coraz więcej ciekawych i rozbudowanych pakietów oprogramowania, udostępnianych na darmowych licencjach, które okazują się wystarczające w wielu niestandardowych przypadkach.

Z drugiej strony, można wydzielić też grupę pakietów EDA, które są relatywnie prostsze i tańsze, ponieważ są adresowane do firm projektujących mniej skomplikowane urządzenia elektroniczne, których projekt, z uwagi na niższy poziom złożoności, nie wymaga zaawansowanego oprogramowania. Jest to jednak podział bardzo arbitralny i subiektywny.

Zaprezentowane zestawienie nie jest rankingiem dostępnych na rynku narzędzi - nie da się zestawić takowego, ponieważ do każdej aplikacji będzie optymalne inne rozwiązanie. Wszystko w takim wypadku jest jakimś kompromisem, pomiędzy elastycznością oprogramowania, jego możliwościami i oczywiście kosztem. W wielu wypadkach darmowe, prostsze oprogramowanie jest lepszym rozwiązaniem niż duży kosztowny pakiet, którego większość możliwości pozostanie niewykorzystana.

Oprogramowanie EDA, używane przez elektroników, można podzielić na kilka elementów składowych. Większość omawianych poniżej programów ma wszystkie te funkcje, jednak warto omówić je niezależnie, gdyż są one w różnym stopniu rozbudowane. Składowe typowego pakietu EDA to:

  • program do rysowania schematów,
  • program do projektowania PCB,
  • system do zarządzania bibliotekami elementów,
  • eksporter do projektów PCB,
  • interfejsy do innego rodzaju oprogramowania (CAD-y mechaniczne, programy do symulacji itp.).

Elementy te nie wymagają szerszego opisu - wiadomo, jaką funkcję pełni każdy z nich. Oprócz tego w oprogramowaniu EDA mogą być zintegrowane programy do obliczeń, symulacji, automatyczne generatory do rysunków elementów elektronicznych, interfejsy do systemów kontroli wersji, narzędzia do sprawdzania poprawności projektu itp.

Otwarte i darmowe oprogramowanie

Skupimy się na najbardziej znanych i popularnych narzędziach i zintegrowanych w nich modułach do rysowania schematów oraz projektowania płytek drukowanych. Takie ograniczenie pozwoli skoncentrować się na najciekawszych elementach, ponieważ oprogramowanie może mieć szeroki zakres zastosowań.

gEDA

Projekt gEDA został stworzony przez Alesa Hvezdę z powodu braku darmowych narzędzi EDA dla systemów Linux czy UNIX. Pierwsza wersja tego oprogramowania została wydana 1 kwietnia 1998 roku i zawierała program do rysowania schematów oraz netlister, czyli specjalizowane oprogramowanie do listowania połączeń pomiędzy poszczególnymi układami (netlista jest wejściem dla programów do projektowania płytek drukowanych). W tym czasie powstała również strona internetowa projektu gEDA oraz listy mailingowe.

Pierwotnie projekt zakładał również utworzenie programu do projektowania PCB. Jednak w ramach projektu wkrótce odkryto istniejący program do PCB o otwartym kodzie źródłowym, dostępny ówcześnie pod nazwą PCB. Możliwość kierowania netlist do tego programu została szybko wbudowana w netlister projektu gEDA, a plany napisania nowego programu do projektowania płytek drukowanych od podstaw porzucono. W międzyczasie programiści pracujący nad softem PCB na stałe rozpoczęli współpracę z projektem gEDA. Autorzy innych programów EDA również zaczęli aktywnie wspierać rozwój gEDA - w ten sposób narodził się naprawdę rozbudowany projekt. Obecnie gEDA pozostaje federacją narzędzi programowych opracowanych przez różnych programistów (rysunek 1).

Rysunek 1. Elementy pakietu gEDA - edytor schematów i edytor PCB

Wątkiem, który spaja ten projekt, jest wspólna wizja zbudowania potężnego, bazującego na społeczności, zestawu narzędzi EDA o otwartym kodzie źródłowym. Obecnie w skład ekosystemu wchodzą następujące programy:

  • gEDA/gaf - podstawowe oprogramowanie integrujące kilka modułów:
    • gschem - program do rysowania schematów,
    • gnetlist - netlister,
    • gsymcheck - program do sprawdzania poprawności składni symboli elektronicznych,
    • gattrib - bazujący na arkuszach kalkulacyjnych pakiet do edycji atrybutów symboli na schemacie,
    • libgeda - biblioteki dla programów gschem, gnetlist oraz gsymcheck,
    • gsch2pcb - program edytujący anotacje elementów w schemacie na podstawie projektu PCB,
    • dodatkowe drobne programy użytkowe;
  • PCB - program do projektowania płytek drukowanych,
  • Gerbv - Gerber file viewer,
  • ngspice - port Berkeley SPICE, programu do symulacji obwodów,
  • GnuCap - nowoczesny symulator obwodów,
  • gspiceui - GUI/front-end dla ngspice i GnuCap,
  • gwave - program do wizualizacji i analizy przebiegów elektronicznych,
  • gaw - przepisana na nowo wersja gwave współpracuje z gspiceui,
  • Icarus Verilog - symulator języka Verilog,
  • GTKWave - kolejny program do wizualizacji przebiegów,
  • wcalc - kalkulator do obliczania linii długich (Transmission line and electromagnetic structure analysis).

Oprogramowanie to zostało opracowane z myślą o systemie Linux/UNIX. Jakkolwiek dostępne są porty na Mac OS X czy nawet Windows, to nie wszystkie programy składowe dają się skompilować i uruchomić, szczególnie na systemie Windows. Członkowie projektu gEDA nie dystrybuują pakietów binarnych oprogramowania, co oznacza konieczność samodzielnego ich kompilowania.

KiCad

Oprogramowanie KiCad powstało w 1992 roku. Pakiet został napisany przez Jeana-Pierre’a Charrasa, który w tamtym czasie pracował na politechnice w Grenoble we Francji. Nazwa pochodzi od pierwszych liter nazwy firmy przyjaciela autora, połączonych z terminem CAD. KiCad jest zbiorem programów przeznaczonych do użytku w połączeniu ze sobą. Głównymi narzędziami tego ekosystemu (do dzisiaj) są EESchema, PCBnew, przeglądarka plików Gerber oraz kalkulator elektronika (rysunek 2).

Rysunek 2. KiCad - edytory schematów oraz płytek drukowanych

Wraz z gwałtownym spadkiem cen profesjonalnie wykonywanych płytek drukowanych, projektowanie płytek drukowanych wśród hobbystów stało się znacznie bardziej popularne. W rezultacie KiCad znacznie zwiększył swoją popularność, a także rozbudowano bazę narzędzi w jego ekosystemie. W 2013 roku CERN zaczął wspomagać rozwój tego narzędzia tak, aby KiCad mógł dorównać komercyjnym EDA. Duża część prac zrealizowanych w CERN to masowa refaktoryzacja kodu, która miała zapewnić KiCadowi lepszą strukturę do dalszego rozwoju i adaptacji. Dało to spodziewany rezultat. W grudniu 2015 roku zaprezentowano KiCad 4,0.0, który ma bardzo rozbudowane opcje, porównywalne z komercyjnymi pakietami EDA.

KiCad używa zintegrowanego środowiska na wszystkich etapach procesu projektowania: rysowanie schematu, projektowanie PCB, generowanie plików Gerber i innych oraz edycja bibliotek. Jest to aplikacja wieloplatformowa, dostępna na FreeBSD, Linux, Windows i Mac OS X. Aplikacja jest przetłumaczona na wiele języków, w tym także polski. Dostępnych jest wiele bibliotek komponentów, a dodatkowo użytkownicy mogą dodawać własne, niestandardowe opracowania. Biblioteki elementów mogą być dostępne w ramach projektu lub instalowane do użytku w dowolnym projekcie. Istnieją również narzędzia ułatwiające import komponentów z innych aplikacji EDA (np. EAGLE) oraz z ogólnodostępnych bibliotek elementów (np. SamacSys Library Loader). Istnieją również biblioteki innych firm dostępne dla programu KiCad, w tym SnapEDA czy Digi-Key. Pliki konfiguracyjne programu są w dobrze udokumentowanym zwykłym pliku tekstowym, co pomaga w wykorzystywaniu systemów kontroli wersji, a także w pisaniu skryptów automatycznego generowania komponentów.

Edytor schematów w pakiecie KiCad ma bardzo rozbudowane funkcje, w tym hierarchiczne arkusze schematów, tworzenie niestandardowych symboli, ERC (sprawdzanie reguł elektrycznych) i zintegrowany system do symulacji obwodów - ngspice (bazujący na standardach SPICE). Symbole na schemacie nie są ściśle związane z elementami na PCB, dzięki czemu pojedynczy footprint może być używany dla wielu elementów. Edytor PCB obsługuje do 32 warstw miedzi i 32 warstwy techniczne. Wymiary elementów są przechowywane z dokładnością do nanometrów w 32-bitowych liczbach całkowitych, co daje teoretyczny maksymalny wymiar PCB równy 231 nm, czyli około 2,14 metra.

Przy projektowaniu PCB dostępnych jest wiele zaawansowanych narzędzi, wbudowanych czy dostępnych jako zewnętrzne pluginy. Zaawansowane funkcje edytora PCB obejmują automatyczne przepychanie czy przesuwanie ścieżek podczas prowadzenia nowych, projektowanie par różnicowych i możliwość dostrajania długości ścieżek. Edytor oferuje elastyczne podświetlanie sieci i przyciemnianie poszczególnych warstw oraz wysoce konfigurowalny moduł DRC (sprawdzanie zgodności z regułami projektowymi). Jedną z wyróżniających funkcji tego edytora jest integracja z modelami 3D elementów i możliwość wizualizacji projektu w trzech wymiarach (wraz z elementami), a także możliwość eksportu w standardowych formatach obiektów 3D (STEP oraz VRML) w celu zastosowania projektu PCB w projektach mechanicznych (rysunek 3).

Rysunek 3. KiCad - możliwość przeglądania projektów w trzech wymiarach

Dostępny jest ponadto szereg zewnętrznych narzędzi, integrujących się z pakietem KiCad. Tworzone są one głównie dzięki integracji skryptów Pythona. Istnieje wiele wtyczek, takich jak wysokiej jakości generatory etykiet sitodrukowych, przeglądarki BOM i złożeń, wtyczki do panelizacji projektów, a także wiele innych.

Altium CircuitMaker

Ten pakiet adresowany jest głównie do hobbystów i społeczności twórców, aczkolwiek może być również używany do projektów komercyjnych. Obecnie jest dostępna wersja 2,0.2, która została zaprezentowana przez Altium Limited w czerwcu 2021 roku. CircuitMaker ma narzędzia do rysowania schematów i projektowania PCB (rysunek 4).

Rysunek 4. Altium CircuitMaker

Działa przy użyciu tego samego silnika, co Altium Designer (omówiony w dalszej części artykułu), zapewniając niemal identyczne wrażenia użytkownika, co ten profesjonalny pakiet - oczywiście w okrojonej wersji. To, co wyróżnia CircuitMaker, to fakt, że funkcjonuje w dużej mierze w chmurze. To znaczy, że nasze projekty są przechowywane w chmurze, a nie lokalnie na dysku. Aby mieć do nich dostęp, należy założyć odpowiednie konto. W chmurze też znajdują się wszystkie biblioteki itp.

Edytor schematów zawiera podstawowe narzędzia do rozmieszczania komponentów i rysowania obwodów, a także zaawansowane narzędzia do projektowania wielokanałowego czy tworzenia schematów hierarchicznych. Przenoszenie schematów na PCB jest prostym procesem w CircuitMakerze, ponieważ footprinty elementów na PCB są automatycznie dołączane do dowolnego komponentu na schemacie, który został wybrany z biblioteki Octopart. Modele na PCB mogą mieć dodatkowo dołączone modele 3D w postaci prostych brył lub złożone modele STEP, co umożliwia renderowanie PCB w czasie rzeczywistym podczas projektowania płytki drukowanej. Pakiet ten obsługuje konfigurację reguł projektowych i ich sprawdzanie w czasie rzeczywistym. Dostępne są również niektóre zaawansowane funkcje znane z Altium Designera i innych dużych narzędzi, w tym prowadzenie par różnicowych, interaktywne dostrajanie długości ścieżek i zarządzanie wylewkami.

Pliki produkcyjne można eksportować bezpośrednio z edytora PCB, ale można również użyć zewnętrznej przeglądarki plików Gerber. Całą płytkę drukowaną można też wyeksportować jako model 3D w postaci pliku STEP do dalszego użycia w mechanicznym oprogramowaniu CAD 3D. CircuitMaker obsługuje integrację z wyszukiwarką elementów Octopart i umożliwia umieszczanie komponentów metodą „przeciągnij i upuść” z wyników wyszukiwania Octopart, jeśli są do nich dołączone modele schematyczne i modele obudów/footprinty. Użytkownicy mogą również tworzyć brakujące symbole, udostępniając je jednocześnie innym użytkownikom. Stale rosnąca biblioteka elementów elektronicznych często eliminuje potrzebę tworzenia niestandardowych symboli czy footprintów. Dzięki temu środowisko to jest szczególnie przyjazne dla początkujących użytkowników. Dodatkowo, oprogramowanie to pozwala wielu użytkownikom na jednoczesną pracę nad schematem lub PCB. Upraszcza to dodatkowy, zintegrowany system komentarzy i adnotacji.

CircuitMaker jest dostępny tylko dla systemu operacyjnego Windows. Może działać w Wine na Ubuntu, ale z pewnymi ograniczeniami i niezbyt stabilnie - nie działa on na każdej dystrybucji Linuksa. Chociaż użytkownicy mogą importować zasoby z konkurencyjnych pakietów EDA, sam pakiet nie oferuje eksportu zasobów projektowych do innych formatów. Rozwiązanie tego problemu zapewnia dopiero Altium Designer (w wersjach 15 i wyżej), które pozwala na import plików CircuitMaker. Ułatwia to migrację projektów z amatorskich na profesjonalne narzędzie.

Ekonomiczne oprogramowanie dla hobbystów i profesjonalistów

Kolejną kategorię cenową zajmuje oprogramowanie EDA, które jakkolwiek nie jest darmowe, to jednak pozostaje w zasięgu chyba każdego elektronika czy małego przedsiębiorstwa. Pakiety prezentowane w tym rozdziale mają szeroki zakres funkcji, a co za tym idzie - różne docelowe branże. Część z nich przeznaczona jest dla hobbystów, a część dla mikro- i małych przedsiębiorstw, projektujących urządzenia elektroniczne w niewielkiej skali.

Fritzing

Fritzing to inicjatywa open source, mająca na celu opracowanie oprogramowania ECAD do projektowania sprzętu elektronicznego. Jest polecany do zastosowania przez amatorów i hobbystów. Został zoptymalizowany do tego, aby eksperymenty i prototypy projektantów, hobbystów i artystów w łatwy sposób przenieść na bardziej stały system niż obwody zbudowane na płytce stykowej (rysunek 5).

Rysunek 5. Projekt tworzony we Fritzing

Fritzing jest darmowym oprogramowaniem, dystrybuowanym na licencji GPL-3.0 lub nowszej, z kodem źródłowym dostępnym w repozytorium na GitHub. Pliki binarne jednak dostępne są już za opłatą, na co zezwala licencja GPL. Cena za pobranie oprogramowania jest jednak bardzo niska (na moment pisania artykułu zaczyna się od 8 euro). Obrazy komponentów, zawarte w bibliotekach do programu, są dystrybuowane na licencji CC-BY-SA-3.0, która będzie również licencją na wszelkie wygenerowane widoki prototypów.

Oprogramowanie to jest opracowane w duchu podobnym do środowiska Arduino i umożliwia amatorom udokumentowanie prototypu układu bazującego np. na modułach Arduino i innych elementach tego rodzaju. Możliwe jest również przygotowanie projektu PCB i zlecenie go do produkcji. Specjalizowana witryna pakietu pomaga użytkownikom udostępniać i omawiać swoje projekty i wymieniać doświadczenia, a także zmniejszać koszty produkcji płytek dzięki wspólnym zamówieniom itp.

Fritzing może być postrzegany jako narzędzie EDA dla osób niebędących inżynierami - jest to jedno z jego podstawowych zastosowań. Dzięki temu, że oprogramowanie to pozwala na rysowanie prototypów bazujących na płytce stykowej, pozwala na dokumentowanie projektu nawet amatorowi. Dodatkowo, wyniki projektowania koncentrują się na łatwo dostępnych środkach produkcji. Dodatkowo, od wersji wydanej 2 grudnia 2014 Fritzing uzupełniono o opcję podglądu kodu, w której można modyfikować kod i przesyłać go bezpośrednio do urządzenia Arduino.

Autodesk Eagle

Historia tego popularnego pakietu sięga końcówki lat 80. XX wieku. Eagle opracowany został przez niemiecką firmę CadSoft Computer GmbH. Początkowo był to program uruchamiany pod DOS-em, ale wraz z upływem czasu pakiet rozwijano i przenoszono na kolejne platformy. Firma CadSoft została zakupiona przez Premiere Farnell (dystrybutora elementów elektronicznych) w 2009 roku, a następnie sprzedana producentowi oprogramowania CAD i CAM, firmie Autodesk w 2016 roku, co pociągnęło za sobą szereg zmian w modelu biznesowym programu itp.

Rysunek 6. Autodesk Eagle

EAGLE zawiera edytor schematów i edytor płytek drukowanych. Schematy przechowywane są w plikach z rozszerzeniem .sch, a płytki w plikach z rozszerzeniem .brd. Oba elementy mogą być edytowane równolegle, co umożliwia wsteczną adnotację zmian do schematu i automatyczne wyznaczanie połączeń sygnałowych w edytorze płytek drukowanych, aby automatycznie łączyć ślady w oparciu o połączenia zdefiniowane w schemacie (rysunek 6). Elementy definiowane są w bibliotekach - plikach z rozszerzeniem .lbr. EAGLE eksportuje również pliki Gerber oraz PostScript, a także pliki wierceń w formatach Excellon i Sieb & Meyer. Są to standardowe formaty plików akceptowane przez firmy produkujące PCB, a z uwagi na fakt, że ogromna część użytkowników tego pakietu to małe firmy projektowe czy hobbyści, firmy produkujące płytki drukowane, które specjalizują się w obsłudze tego segmentu rynku, przyjmują także pliki projektowe EAGLE jako pliki źródłowe.

EAGLE zapewnia wielookienkowy graficzny interfejs użytkownika i system menu do edycji, zarządzania projektami. Systemem można sterować za pomocą myszy, skrótów klawiszowych lub wprowadzając określone polecenia we wbudowanym wierszu poleceń. Skróty klawiaturowe mogą być definiowane przez użytkownika. Wiele powtarzających się poleceń można połączyć - zamiast wpisywać je komenda po komendzie, tworzyć można pliki skryptów (z rozszerzeniem .scr). Możliwe jest również edytowanie plików projektowych przy użyciu specyficznego dla EAGLE języka programowania obiektowego (z rozszerzeniem .ulp). Wraz z programem dostarczonych jest wiele pomocnych skryptów.

Jednym z ciekawszych skryptów dla EAGLE jest skrypt, który pozwala na wizualizację płytki drukowanej, projektowanej w tym ekosystemie (do niedawna pakiet ten nie oferował takiej możliwości). Skrypt ten generował na podstawie projektu PCB kolejny skrypt do oprogramowania PoV-Ray, w którym można było wyrenderować widok płytki. Najnowsze wersje mają już taką możliwość, a nawet wyposażono je w integracje z CAD-em mechanicznym, oferowanym przez firmę Autodesk.

Dzięki elastycznemu systemowi kosztów i różnych wersji, program ten był szalenie popularny wśród hobbystów i studentów. Najprostsza wersja z mocno ograniczoną powierzchnią PCB i tylko dwoma warstwami płytki drukowanej dostępna była do zastosowań niekomercyjnych za darmo. W czasie gdy firma, która stworzyła ten pakiet, zmieniała właścicieli, zmieniały się też koszty i zasady korzystania z pakietu. Od 2016 roku oprogramowanie to było dostępne w modelu subskrypcyjnym, co nie zostało zbyt dobrze przyjęte przez użytkowników. Od 2020 roku pakiet nie jest dostępny osobno i stanowi integralną część pakietu CAD/CAM Autodesk Fusion 360. Spowodowało to zniechęcenie kolejnych użytkowników do środowiska EAGLE.

EasyEDA

EasyEDA to internetowy pakiet narzędzi EDA, który umożliwia inżynierom elektronikom projektowanie, symulowanie, udostępnianie (publicznie i prywatnie) oraz omawianie schematów, symulacji i płytek drukowanych (rysunek 7). Inne funkcje tego środowiska obejmują tworzenie zestawień materiałowych, plików Gerber oraz plików dla automatów montażowych i innych dokumentów wyjściowych w formatach PDF, PNG i SVG.

Rysunek 7. Środowisko EasyEDA

To, co wyróżnia ten pakiet, to właśnie dostępność jako usługa webowa. Przekłada się to też na unikalny cennik dostępu do tej usługi. Bezpłatne członkostwo jest oferowane w przypadku projektów publicznych oraz dla ograniczonej liczby projektów prywatnych. Liczbę projektów prywatnych można zwiększyć, przesyłając wysokiej jakości projekty publiczne, dodając symbole do schematów czy footprinty elementów na PCB do ogólnie dostępnych bibliotek. Oczywiście istnieje też możliwość opłacenia miesięcznej subskrypcji. Program dostępny jest również w modelu adware, czyli finansowanym wyświetlanymi reklamami, lub w płatnych subskrypcjach (od ok 5 do 10 dolarów miesięcznie za użytkownika). Wszystkie licencje pozwalają na komercyjne zastosowanie i oferują zasadniczo takie same funkcje.

Zarejestrowani użytkownicy mogą bezpłatnie pobierać pliki Gerber. Za opłatą EasyEDA oferuje również usługę produkcji PCB na podstawie utworzonych w środowisku plików. Ta usługa jest również w stanie przyjmować dane z plików Gerber z innych narzędzi.

Alternatywnie, obrazy warstw można zapisywać w formatach PDF, PNG i SVG np. do wytrawiania domowych PCB. Obsługiwany jest import z formatów plików Altium Designer, CircuitMaker, Eagle oraz Kicad. Obsługiwany jest również eksport netlist w formatach Altium, PADS i FreePCB.

Środowisko EasyEDA zawiera również system do symulacji obwodów SPICE, stworzony w oparciu o Ngspice i układu PCB. Pozwala ono na współpracę nad symulacjami przez wielu użytkowników, import i eksport list sieci SPICE oraz możliwość eksportowania bibliotek symboli i modeli z LTspice.

DipTrace

DipTrace to pakiet oprogramowania EDA, który podobnie jak wcześniej omówione pakiety ma funkcje rysowania schematów i sporządzania ścieżek płytek drukowanych. DipTrace ma cztery moduły: edytor schematów, edytor PCB z autorouterem i podglądem 3D i edytory symboli oraz footprintów (elementów na PCB). Program chwali się prostym interfejsem użytkownika przy zachowaniu wielu zaawansowanych funkcji, takich jak możliwość prowadzenia różnicowych ścieżek czy też korzystanie z inteligentnego narzędzia do routingu (automatycznego i półautomatycznego, rysunek 8).

Rysunek 8. DipTrace

Edytory mają zaawansowane narzędzia, pozwalające na sprawdzanie zasad projektowych. Mogą być one definiowane dla wielu klas elementów i pomiędzy poszczególnymi klasami. Takie rozwiązanie pozwala na projektowanie bardzo zaawansowanych płytek drukowanych przy minimalizacji nakładu pracy. Narzędzia kontroli poprawności projektu kontrolują także tolerancje długości i fazy dla par różnicowych i synchronizację sygnału i opóźnień, co jest szczególnie ważne w systemach, gdzie istotne jest zachowanie impedancji fazowej ścieżek.

W standardowych bibliotekach programu dostarczanych jest ponad 140 tysięcy komponentów. Dostępne są różne, standardowe obudowy z SOIC, TO-x, DIP, QFP, BGA i inne. System zarządzania biblioteką ma generator standardowych obudów - wystarczy tylko wprowadzić podstawowe parametry, aby utworzyć footprint. W przypadku niestandardowych elementów można je rysować ręcznie lub na podstawie zaimportowanych plików DXF.

DipTrace ma szereg wersji, różniących się ceną i możliwościami. Ceny są też różne, w zależności od typu nabywanej licencji - komercyjna, niekomercyjna i akademicka. Najprostsza wersja - lite, do dwóch warstw sygnałowych, z maksymalnie 500 wyprowadzeniami/padami jest darmowa do zastosowań niekomercyjnych i edukacyjnych, a do zastosowań komercyjnych kosztuje 145 dolarów. Pełna wersja, bez żadnych ograniczeń, kosztuje od 348 dolarów (niekomercyjna) do 995 dolarów (licencja komercyjna).

Dla szkół i uczelni, kupujących większą liczbę licencji, np. do wyposażenia pracowni, producent oferuje zniżki.

Altium Circuitstudio

Circuitstudio to uproszczona wersja flagowego produktu firmy Altium ( Altium Designer), która korzysta z ponadtrzydziestoletniego doświadczenia firmy w zakresie tworzenia oprogramowania EDA.

W pakiecie znaleźć można narzędzia do rysowania schematów i projektowania płytek drukowanych, a także utrzymywania biblioteki elementów. Program pozwala na eksportowanie plików wynikowych do wszystkich, typowo używanych formatów, jakich używa się przy produkcji płytek drukowanej.

Altium oferuje samodzielną, jednostanowiskową licencję stałą na oprogramowanie. Niezależnie od tego można dokupić roczny pakiet wsparcia i aktualizacji oprogramowania. Koszt licencji to około 2000 zł, a koszt rocznego pakietu wsparcia wynosi około 560 zł
(pl.farnell.com).

Pulsonix

Pulsonix to profesjonalne środowisko projektowe, które z jednej strony jest proste w użyciu i daje możliwość szybkiego projektowania obwodów drukowanych przy minimalnym nakładzie pracy, natomiast z drugiej strony udostępnia bogaty wachlarz funkcjonalności, które usprawnią działania projektanta na każdym etapie projektu (rysunek 9). Co ważne, jest to oprogramowanie opracowane i dystrybuowane przez polską firmę - Evatronix.

Rysunek 9. Pulsonix 

Spośród ciekawszych funkcji oprogramowania należy wymienić:

  • Symulator SPICE w pełni zintegrowany z edytorem schematów;
  • Linie konstrukcyjne - unikatowe narzędzie umożliwiające definiowanie przez użytkownika linii referencyjnych dla danego projektu;
  • Wbudowane narzędzie automatycznego prowadzenia połączeń elektrycznych (Auto-router) i rozmieszczania elementów (Auto-place);
  • Wbudowany interfejs FPGA, który pozwala na integracje ze środowiskami projektowymi Altera Quartus II i Xilinx ISE;
  • Inżynieria odwrotna - tworzenie schematu projektu na podstawie projektu PCB.

Najnowsza wersja oprogramowania 10.0 pozwala na integrację mechanicznych obudów z natywnym środowiskiem Pulsonix w celu modelowania i wykrywania krytycznych kolizji. Pulsonix ostrzega inżyniera, gdy elementy naruszają zdefiniowane reguły. Po otrzymaniu ostrzeżenia przedmiot naruszający może zostać przeniesiony bezpośrednio do edytora 3D, a wszystkie zmiany zostaną automatycznie zaktualizowane w projekcie PCB. Dzięki temu pozwala projektować bardziej inteligentnie i wydajnie, bez konieczności ciągłego żądania aktualizacji pozycji komponentów od zewnętrznych modułów mechanicznych CAD.

Kolejną nową funkcją jest dynamiczne wylewanie pola miedzi podczas edycji. Poprowadzenie ścieżki przez obszar miedzi lub przesunięcie elementu projektu, takiego jak komponent, automatycznie dostosuje miedź z przestrzeganiem zasad projektowych.

Wysoka wydajność i funkcjonalność oprogramowania połączona jest z konkurencyjną ceną. Ceny pakietów zależą od konfiguracji. Podstawowy moduł z ograniczeniem do 1000 pinów kosztuje 907€. Natomiast wersja bez limitu pinów, z modułami wspomagającymi użycie zaawansowanych technologii (jak RigidFlex) i wspomaganiem projektowania obwodów high-speed to koszt ok. 4000€. Dostępna jest, także w pełni darmowa wersja testowa, która umożliwia przetestowanie wszystkich najnowszych funkcji oprogramowania oraz wykonanie i zapisanie projektu, z ograniczeniem do maksymalnie 100 pinów.

Zaawansowane pakiety oprogramowania

Najwyższa półka pakietów EDA zajęta jest przez ogromne pakiety oprogramowania, które oferują wielkie możliwości, ale są kosztowne. Zaprezentowane trzy przykłady tego rodzaju oprogramowania wydają się najczęściej stosowanymi w komercyjnych zastosowaniach (przynajmniej z punktu widzenia autora). Ceny podane w tekście są przybliżonymi kwotami wymaganymi na zakup licencji. Rzeczywiste ceny mogą się od nich różnić (w obie strony) z uwagi na możliwość dokupowania dodatkowych narzędzi lub uzyskiwanie rabatów od dystrybutorów danego oprogramowania. Tak czy inaczej, jest to oprogramowanie dostępne w zasadzie tylko dla firm, które zajmują się projektowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych itp. W przypadku tych narzędzi wszystkie funkcje są do siebie bardzo podobne, więc poniższe opisy skupiają się głównie na podkreśleniu wyróżniających je cech.

Altium Designer

Został wprowadzony na rynek w 2005 roku przez firmę Altium, znaną wówczas jako Protel Systems Pty Ltd. Jego korzenie sięgają jednak aż 1985 roku, kiedy to Protel pokazał narzędzie pracujące w systemie DOS Protel PCB. Początkowo był on dostępny jedynie w Australii, ale od 1986 r. był dystrybuowany w większości krajów. Od 1987 r. pakiet uzupełniono o Protel Schematic, a w 1991 roku wydano Advanced Schematic i Advanced PCB 1.0 dla Windows (1991...1993), a następnie kolejne wersje, które skonsolidowano w 1998 roku w pakiecie Protel 98. Od 2005 roku oprogramowanie to było wydawane już pod nazwą Altium Designer (od wersji 6.0 w 2005 roku).

Rysunek 10. Altium Designer

Altium Designer w wersji 6.8 z 2007 r. jako pierwszy oferował wizualizację 3D i kontrolę parametrów PCB i jej poprawności bezpośrednio w edytorze płytek (rysunek 10). Obecnie dostępny pakiet oczywiście również ma te funkcje, a także funkcje wspierające opracowywanie systemów z układami FPGA, edytor płytki w wersji 3D i wiele innych elementów, takich jak generator standardowych obudów (na podstawie parametrów) dla elementów elektronicznych, generatory prostych brył 3D, możliwość daleko idącej integracji z mechanicznymi pakietami CAD, zaawansowane narzędzia do zarządzania wersjami PCB, parametrami projektowymi dla różnych elementów, klas sieci itp. (istnieje specjalny język do opisu elementów, do tworzenia wyszukiwań, do których odnosi się dana zasada).

Funkcjonalności oprogramowania tej klasy można wymieniać bez końca.

Altium Designer dostępny jest z licencją stałą lub w postaci subskrypcji. W tej pierwszej wersji pakiet kosztuje 9170 euro (7475 euro za samą licencję jednostanowiskową oraz 1695 za rok obowiązkowego wsparcia i aktualizacji). W wersji subskrypcyjnej zapłacimy 295 euro miesięcznie (lub 3495 euro za rok z góry) za możliwość korzystania z pakietu, aktualizacji oraz usługi Altium 365 (chmurowa usługa pozwalająca na usprawnioną współpracę pomiędzy wieloma inżynierami.

Cadence OrCad

Historia OrCada również sięga lat 80. XX wieku. Założona w 1985 roku, przez byłych inżynierów Intela, spółka początkowo produkowała elementy do komputerów PC. Przy tej okazji opracowała oprogramowanie do projektowania urządzeń elektronicznych. Pierwszym produktem firmy był SDT (Schematic Design Tools) dla systemu DOS, który pojawił się jako pierwszy pod koniec 1985 roku.

Wkrótce po flagowym produkcie SDT pojawił się cyfrowy symulator, narzędzia VST (narzędzia do weryfikacji i symulacji układów elektronicznych) a następnie narzędzia do projektowania płytek drukowanych. Z biegiem czasu linia produktów OrCAD poszerzyła się o oprogramowanie dla systemu Windows, aby pomóc projektantom elektroniki także w opracowywaniu projektów FPGA, w tym złożonych programowalnych urządzeń logicznych CPLD (rysunek 11).

Rysunek 11. OrCAD

Na skutek fuzji i zakupów firma OrCAD rozrosła się, nabywając firmy oferujące inne narzędzia EDA, takie jak autoroutery, symulatory i inne. Pozwoliło to rozbudować ofertę pakietu o różne zaawansowane narzędzia. Finalnie sama firma została zakupiona przez dotychczasową konkurencję, firmę Cadence, która obecnie wydaje ten pakiet EDA. Bazowa cena licencji stałej na ten pakiet to około 2500 euro, jak wynika z dostępnych w sieci ofert, aczkolwiek dostępnych jest wiele promocji i rabatów, zatem finalna cena może być znacznie niższa. Może być również wyższa, jeśli zakup uzupełni się dodatkowymi narzędziami. Więcej detali poznać można u dystrybutorów tego oprogramowania, którzy także przygotują oferty na zakup.

Mentor Graphics PADS

Ostatni z omawianych w tym artykule pakietów EDA to PADS firmy Mentor Graphics, która jest gigantem sektora CAD i EDA. Odzwierciedlone jest to w możliwościach tego pakietu. Oprócz PADS, firma Mentor dostarcza m.in. narzędzia do projektowania i weryfikacji układów ASIC, systemy operacyjne czasu rzeczywistego, układy do syntezy FPGA oraz liczne symulatory do termodynamiki czy mechaniki płynów.

Oprócz standardowych narzędzi do rysowania schematów, trasowania PCB i zarządzania bibliotekami elementów, w środowisku PADS znaleźć można szeroki wybór narzędzi do modelowania zachowania układu, od symulatorów układów elektronicznych (cyfrowych i analogowych), poprzez analizy termiczne, badanie integralności sygnałów itp. (rysunek 12).

Rysunek 12. Mentor Graphics PADS

Cadence oferuje darmową, 14-dniową wersję próbną PADS. Jeśli przekona to nas do jego zakupu, przygotować musimy się na koszt zaczynający się od ok. 9 tysięcy dolarów. Dostępna jest również roczna licencja studencka, dostępna dla studentów.

Podsumowanie

Powyższe zestawienie jest tylko prostym naświetleniem tematyki. Lista pakietów EDA, które teraz czy jeszcze do niedawna były obecne na rynku, jest znacznie szersza. W ramach artykułu starałem się pokazać moim zdaniem najpopularniejsze narzędzia, jakie używane są do projektowania płytek drukowanych przez hobbystów i profesjonalistów.

Zaprezentowane zestawienie w żaden sposób nie może być traktowane jako ranking czy porównanie pakietów EDA. Współcześnie większość oprogramowania przeznaczonego do projektowania urządzeń elektronicznych i płytek drukowanych ma porównywalne możliwości, więc wybór konkretnego zestawu zależy jedynie od kwestii finansowych czy niuansów konkretnej aplikacji, wymagającej specjalnych funkcji.

Nikodem Czechowski, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
luty 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik maj 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje kwiecień 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna maj 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów