使用 Linux 设计电子电路
在许多科学领域,您可能正在进行的研究是全新的。它可能非常新,甚至没有可用的仪器来进行实验测量。在这些情况下,您别无选择,只能设计和构建自己的测量设备。虽然您可以通过试错法来构建它们,但最好先对它们进行建模,看看它们将如何表现 —— 这正是 oregano 的作用。使用 oregano,您可以提前设计电路,并对其进行仿真以解决您可能遇到的任何问题。
第一步,一如既往,是安装软件。大多数发行版都应该有 oregano 的软件包可用。如果您想使用源代码版本,可以在 GitHub 上找到。Oregano 还需要另一个软件包来处理实际的仿真。它目前可以使用的两个软件包是 Gnucap 和 ngspice。需要安装这两个软件包中的任何一个才能进行仿真计算。虽然这通常由您的发行版的软件包管理器自动处理,但如果您是从源代码构建,则需要自行安装此依赖项。
安装完成后,当您第一次启动 oregano 时,您将获得一个空白的新项目(图 1)。在右侧,您应该看到一个可以用来构建电路的元件列表。它启动时选择了默认库。这个库提供了您可能想要使用的所有标准电子元件。但是,这并不是唯一包含的库。您可以从其他库中选择,例如 TTL、Linear、CPU 或 Power Devices 等。

图 1. 启动时,您会得到一个空白画布和一个零件列表。
这些库中的每一个都包含一个可以在电路中使用的相关元件列表。选择其中一个元件会在底部窗口中显示该元件的原理图预览。然后,您可以将元件拖放到画布上并开始构建电路。将元件放到画布上后,您可以双击元件以编辑其属性(图 2)。您需要点击窗口顶部的“绘制导线”图标,才能将元件连接在一起成为一个合适的电路。

图 2. 属性窗口取决于该元件可用的属性。
所有电路都有一些必要的组件才能成为一个实际工作的电路。其中第一个是接地。此元件在默认库中标记为 GND。除了接地之外,您还需要某种电源。在大多数情况下,您需要某种形式的直流电流。这由默认库中标记为 VDC 的元件提供。有了这两个重要的元件在您的电路中,您就可以继续连接电路的其余部分了。
一旦您构建了一个电路,您将需要运行仿真以查看其行为方式。由于电路的特性,您需要在电路中放置传感器才能看到其行为。您可以点击窗口顶部的“添加电压钳”图标来选择传感器对象。然后,您可以点击电路中您想在仿真期间测量的区域。在您点击的每个点,您将在电路中看到一个新的图标,标记传感器位置。双击钳子将弹出一个窗口,您可以在其中设置正在测量的参数(图 3)。在运行仿真之前,您的电路中至少需要一个钳子;否则,您将没有任何测量结果可以在仿真中进行研究。

图 3. 在这里您可以选择钳子的属性。
一旦您选择了所有的钳位点,您就可以通过点击窗口顶部的“运行仿真”图标来运行仿真并查看会发生什么(图 4)。当您这样做时,oregano 会打开一个新窗口,您可以在其中看到钳子记录的数据图(通常是电压或电流)。

图 4. 绘制电路钳位的仿真结果。
当您进行分析时,您可以选择两个不同的电路分析程序:Gnucap 和 spice。在 Ubuntu 上,作为依赖项安装的默认分析程序是 Gnucap。这意味着如果您想使用 spice,则需要显式安装它。
要选择分析引擎,请点击“编辑”→“首选项”。在这个对话框中,您还可以设置是否在需要时自动打开日志窗口,并且您可以设置可用于电路的模型和库的数据路径。在大多数情况下,您会希望保持这些设置不变。
为了帮助您入门,oregano 附带了几个示例。同样,在 Ubuntu 上(因为这是我当前的桌面),这些示例位于 /usr/share/doc/oregano/examples 中。您可能想先加载其中一个示例。
一旦您完成了一个电路并想要运行仿真,您将需要设置参数来控制此仿真。点击菜单项“编辑”→“仿真设置”以打开对话窗口。第一个选项卡让您查看分析参数,例如瞬态选项、傅里叶选项、直流扫描选项和交流选项。点击任何复选框将为每个部分打开一组进一步的选项。第二个选项卡让您设置一系列分析选项。您还可以设置可能影响电路的参数,例如环境温度。
一旦您设置了所有选项和参数,您可以通过选择菜单项“工具”→“仿真”或按 F11 来启动仿真。不要忘记先连接一些测试钳;否则,您会收到错误。您的仿真将运行并弹出一个新的绘图窗口,您可以在其中查看电路中生成的值。您可以选择查看瞬态分析或交流分析。
在左侧,您将看到可用绘图选项的列表。在右侧,您将找到数据的实际绘图。只有您从列表中选择的项目才会被绘制,这意味着当此窗口首次打开时,实际上不会绘制任何内容。
您还可以绘制可用值的函数。例如,您可以绘制两个单独的测试钳之间的电压差。这些函数将在左侧的列表中可用,因此您可以选择它们并将它们绘制在图表上。
此外,您甚至可以将更复杂的元件(如完整的 CPU)包含到您的电路中。这些元件的问题在于,它们对电信号的响应方式可能非常复杂。这些元件需要一个单独的模型文件来描述对信号的这种响应。不幸的是,模型文件的许可意味着许多文件不能包含在 oregano 中。您可以搜索互联网并下载您感兴趣的元件的模型文件,或者您可以创建自己的模型文件。在任何一种情况下,您都可以将模型文件放入首选项中设置的目录中。
当您实际想要构建电路时,您可以通过点击菜单项“文件”→“导出”来导出相关的图表。然后,您可以将电路图导出为 SVG 文件、PDF、PostScript 文件或 PNG。现在,您可以继续构建新的测试设备,确信您已经进行了一些初步测试,并且应该获得您需要的行为。