Obsah
- FAQ
- Uživatelé
- Download archivu netcad.zip (290KB)
- Další ukázka aplikace programu (Cauer Čebyševův filtr soustředěné selektivity)
Všeobecně o programu
NetCAD je frekvenční analyzátor lineárních modelů elektrických obvodů. Je doplněn syntézou LC filtrů a útlumových odporových článků a modifikovatelnou optimalizací hodnot součástek podle obecně stanovitelného kritéria. Nahrajte si archiv (290KB) s demoverzemi programu. Demoverze ADEMO.EXE je samoběžící ukázka možností programu NetCAD, demoverze FREEDEMO.EXE je plně funkční program s omezením na 6 prvků a 4 uzly. Prosím, pošlete mi také na vás kontakt.
e-mail: ponikelsky@iol.cz
Pokud nemůžete použít e-mail, můžete odpovědět pomocí formuláře HotInfo. Pokud máte zájem o programu NetCAD, obraťte se na firmu
CADware, Hálkova 6, 461 17 Liberec 1
e-mail: cadware@pvtnet.cz URL: http://www.cadware.cz telefon: (048) 510 6131
Firma CADware se zabývá distribucí SW pro návrh PCB a dalších CAD programů a o NetCAD napsala...
Jádrem programu je numerická analýza (výsledkem je komplexní hodnota pro určitou frekvenci), ke které je přidána syntéza a optimalizace. Numerická analýza zůstane základním jádrem programu vzhledem k nejširším možnostem, kdy je možné použít také číselné modely prvků, které jsou v kdejakém katalogu a lze si je vektorovým voltmetrem změřit (výpis Y nebo S matice v závislosti na frekvenci). Semisymbolická analýza (výsledkem je racionální lomená funkce proměnné s s vyčíslenými koeficienty) bude zavedena, neboť umožní podstatně zrychlit optimalizaci pro zapojení, které neobsahuje číselné modely prvků. Symbolická analýza nebude nikdy použita.
Syntéza zastupuje uživatele ve fázi zadání dat a podle požadavků uživatele generuje obvod jako vstupní data pro analýzu.
Optimalizace pak modifikuje hodnoty prvků pomocí analýzy zadaným způsobem a podle zadaného kritéria.
Program NetCAD je určen pro DOS a běží také v DOSovém okně Windovs 3.1/95/98/NT(SP5). Programováním pod Windows se nechci zabývat, neboť se potřebuji věnovat odborným problémům. Víc vysvětluji v závěru této stránky. NetCAD je psán v jazyce C/C++ a přeložen překladačem Borland C++ 3.1.
Požadavky na HW
PC AT, 640KB RAM, video VGA, koprocesor doporučen, jinak je emulován, klávesnice AT (dnes bez
omezení splněno). Výhodou je rychlost výpočtů v plovoucí řádové čárce. Program je testován na
PC s CPU Pentium 133MHz.
Popis programu NetCAD
SCHÉMA
Obvod se zadává do tabulky zapojení obvodu a skládá se z těchto prvků:
Volný řádek (editační prvek pro vyhrazení místa v tabulce prvků) Komentář (editační prvek pro zpřehlednění tabulky prvků) Zkrat uzlů (umožňuje laborování s obvodem, jinak je zbytečný) Rezistor Kapacitor Induktor Bipolární tranzistor (ve verzi 01.xx jeden model) Zdroj proudu řízený napětím Zdroj napětí řízený proudem Ideální operační zesilovač Reálný operační zesilovač (ve verzi 01.xx jeden model) Ideální gyrátor Ideální imitanční invertor Kapacitní imitanční invertor Dvojný kapacitor
Verze programu 01.xx se vyznačuje jednohodnotovými prvky. Tím je také dáno omezení verze 01.xx v sortimentu prvků, kdy nejsou možné prvky typu vázaná indukčnost, mikropáskové vedení, potenciometr atd.
U každého prvku se zadává typ a pak v závislosti na typu uzly, hodnota, optimalizace a index. Parametry prvku lze také samostatně editovat.
Seznam prvků se doplní číslem vstupního a výstupního uzlu. Vstupní a výstupní uzel může být jakýkoliv uzel z aktivních uzlů. Aktivním uzlem se rozumí uzel zapojený do obvodu s vyjímkou uzlu vztažného.
Maximální počet prvků byl stanoven na 500 a maximální počet všech uzlů na 64,
tedy 63 aktivních uzlů pro ostrou verzi, přičemž maximální číslo uzlu je o 1 menší, než
je maximální počet uzlů. Program je konstruován tak, že uživatel nemusí používat kontinuální
číslování uzlů.
ANALÝZA
Pro obvod se počítá DC hodnota a/nebo frekvenční průběh těchto parametrů:
Au, výstup naprázdno ;napěťové zesílení Auo, provozní zátěž výstupu Aut, ekvivalent k Apt Ap ;prosté výkonové zesílení Apt ;přenosové výkonové zesílení Apa ;dosažitelné výkonové zesílení MAG ;maximální Apa Apo ;výkonové zesílení při |y12|=0.0 MSG ;maximální stabilní výkon. zes. Bp = 1/Apt ;provozní útlum Zinp, výstup naprázdno Zinp, výstup nakrátko Zinp, provozní zátěž výstupu Yinp, výstup naprázdno Yinp, výstup nakrátko Yinp, provozní zátěž výstupu Ginp, výstup naprázdno ;vstupní činitel odrazu Ginp, výstup nakrátko Ginp, provozní zátěž výstupu Zout, vstup naprázdno Zout, vstup nakrátko Zout, provozní zátěž vstupu Yout, vstup naprázdno Yout, vstup nakrátko Yout, provozní zátěž vstupu Gout, vstup naprázdno ;výstupní činitel odrazu Gout, vstup nakrátko Gout, provozní zátěž vstupu
Program provádí kontrolu zapojení na všechny chyby zapojení prvků, které by vedly k nemožnosti provedení analýzy nebo optimalizace. Program informuje o nespolehlivém výpočtu impedance, který nastane tehdy, když je na vstup nebo na výstup zapojený singulární aktivní prvek přípustným způsobem. Singulární prvek je takový prvek, který nemá Y matici a jeho vliv se respektuje transformací Y matice obvodu.
Numerické chyby analýzy jsou ošetřeny tak, že program by neměl v důsledku vzniku numerické
chyby havarovat. Program o těchto chybách vydá zprávu v číselné tabulce. Tyto chyby nelze
eliminovat kontrolou, protože vznikají například při frekvenci rovné frekvenci pólu a podobně.
GRAF A TABULKA
Výstup výsledku analýzy je značně modifikovatelný a také k jeho modifikaci je vyhrazen největší počet uživatelem nastavovaných parametrů. Lze volit z těchto typů zobrazení výsledku:
Číselná tabulka
Kartézský graf
Hodograf Re{z}+jIm{z}
Polární graf Mod{z}*e^(jArg{z})
Smithův graf jen pro činitel odrazu
a lze zobrazit tyto složky:
Re{z}
Im{z}
Re{z} a Im{z}
Mod{z}
Arg{z}
-dArg{z}/d2PIf (skupinové zpoždění)
Mod{z} a Arg{z}
Mod{z} a -dArg{z}/d2PIf
Nejuniverzálnější použití má číselná tabulka a kartézský graf. Ostatní grafy zobrazují jen ty složky, které jim přísluší a na uživatelskou volbu zobrazované složky se nebere zřetel.
Grafický výstup výsledku není vždy možný. Nemožnost grafického zobrazení vzniká u chyb výpočtu parametru nebo když by se měl počítat logaritmus nuly. Pokud existují data k zobrazení a došlo k chybě, je vždy použitelná číselná tabulka, ve které jsou chyby výpočtu popsány. Zobrazení ostatních grafů je možné, jen když je výpočet správný z hlediska toho kterého grafu a jeho nastavení.
V programu NetCAD je od verze 01.04 možnost manuální optimalizace přímo v libovolném
grafu. Můžete ručně měnit hodnotu vybraného prvku a hned vidíte, jaký má tato změna vliv.
OPTIMALIZACE
Optimalizace hodnoty prvků je proces, který zvolenou strategií u vybraných prvků zvoleným způsobem upraví jejich hodnoty tak, aby zvolená složka počítaného parametru obvodu byla co nejlépe aproximována zadanou aproximační funkcí. Lze vybírat z těchto strategií:
Minimum kvadratické odchylky Minimum absolutní odchylky Minimum rozdílů (jen pro AC analýzu)
Při použití strategie Minimum rozdílů nemusíte zadávat aproximační funkci. Jde o co nejlepší vyrovnání průběhu frekvenčníh charakteristiky bez ohledu na absolutní hodnoty.
Optimalizaci hodnoty lze zvolit u libovolného prvku, který má hodnotu, z těchto typů optimalizací:
V řadě E3 V řadě E6 V řadě E12 V řadě E24 V řadě E48 V řadě E96 V řadě E192 Změna hodnoty na 1. místě za desetinnou tečkou Změna hodnoty na 2. místě za desetinnou tečkou Změna hodnoty na 3. místě za desetinnou tečkou Změna hodnoty na 4. místě za desetinnou tečkou
Na následujícím obrázku je výsledek optimalizace 13-ti obvodového VKV filtru podle aproximační funkce, jejíž zadání je zobrazené v předchozím obrázku. Ladily se pouze cívky. Ve Smithově grafu se zobrazuje vstupní činitel odrazu při provozním zatížení výstupu filtru.
Na dalším obrázku je vstupní činitel odrazu téhož filtru zobrazený v kartézském grafu.
Optimalizovat lze libovolný počet prvků najednou. Je použita zobecněná jednorozměrná optimalizační smyčka, která umožňuje také redukovanou vícerozměrnou optimalizaci. Optimalizační smyčka prochází fiktivní tabulkou kombinací R prvků bez opakování z N prvků, kde R je rozměr smyčky a N je počet optimalizovaných prvků. Když R=1, je fiktivní tabulka shodná se skutečnou tabulkou prvků. Prvky se tedy seskupují do skupin o počtu R prvků, přičemž v jednom okamžiku je možné změnit hodnotu jen u jednoho prvku, ale v dalším okamžiku u jiného prvku. Mění se hodnota toho prvku, u kterého dojde k největší změně chybové funkce směrem k optimu.
Tato smyčka není plně R-rozměrná, ale je jejím přiblížením. U plně R-rozměrné smyčky lze změnit hodnoty všech vybraných prvků ve skupině najednou. To předpokládá velmi mnoho výpočtů až tak, že by jste se výsledku asi nedočkal.
Jinak řečeno, optimalizace probíhá tak, že v prostoru hodnot prvků, jehož dimenze je rovna počtu optimalizovaných prvků N (co osa, to hodnota jednoho prvku) se koncový bod vektoru optimalizovaných hodnot může pohybovat jen rovnoběžně k R osám tohoto prostoru, a to k osám aktuálně vybraným.
Optimum je v tomto programu signalizováno žádnou změnou hodnoty v ani jedné kombinaci prvků při průchodu celou fiktivní tabulkou. Nejde o matematicky definované kritérium podle iteračního vzorce. Optimalizační smyčka musí vždy zkonvergovat do optima. Jde o logicky konstruovanou smyčku, ve které se nacházejí dílčí matematické postupy a blok analýzy. Nezaručuje se, že optimalizační smyčka nalezne absolutní optimum.
První reakce optimalizační smyčky je bouřlivá a hodnotu prvního nebo některého blízkého dalšího prvku podstatně změní, aby zase hodnotu vracela zpátky. Z počátku se jen jedním nebo několika málo prvky dociluje splnění celkového kritéria, které se ale musí rozložit na více prvků. Aby tento jev byl potlačen, nastavuje se maximální přípustný počet změn hodnoty optimalizovaného prvku. Tím se po dosažení tohoto počtu změn hodnoty prvků automaticky vynutí přechod na optimalizaci hodnoty dalšího prvku nebo kombinace prvků.
Když už je optimum téměř nalezeno, rychlost konvergence se snižuje a program v několika průchodech celou tabulkou prvků provádí drobné změny hodnot. To v plném rozsahu platí u typů změn hodnot DT1 až DT4, které drobné korekce hodnoty umožňují. Když je zvolena změna hodnoty z nějaké procentní řady E, rychlost konvergence je skoro konstantní a velká. Doporučuje se u složitých případů interaktivně modifikovat parametry optimalizace a počáteční hodnoty součástek.
Nechtějte optimalizovat nesmysl. Obvod musí být správný a počáteční hodnoty by měly být přibližné. Obecně musí platit, že počáteční poloha vektoru hodnot optimalizovaných prvků musí být v dosahu absolutního optima. Pokud tento vektor bude mimo dosah optima, bude se pohybovat z hlediska funkce obvodu nesprávným směrem. Matematicky bude všechno v pořádku až na to, že hodnota nějakého prvku bude ubíhat do nesmyslných končin. Optimalizační smyčka sleduje pokles hodnoty chybové funkce.
Do procesu optimalizace lze vstupovat, vynucovat přechod na další prvek a předčasně ukončit
optimalizační smyčku. Průběh optimalizace je podle volby zobrazován jen odchylkou, nebo plně
průběžně zobrazován. V programu NetCAD je od verze 01.04 možnost grafického zobrazení
průběhu optimalizace.
SYNTÉZA
Program je doplněn o syntézu LC filtrů. Syntéza LC filtru se provádí metodou normované dolní propusti a požadovaný typ filtru se získá kmitočtovým a impedančním odnormováním. Lze volit z těchto aproximací útlumové charakteristiky:
Butterworth Čebyšev Inverzní Čebyšev, lichý řád Cauer-Čebyšev, lichý řád Bessel Feistel-Unbehauen, lichý řád
Sortiment aproximací útlumové charakteristiky je zvolen tak, aby vyhověl pro aplikace LC filtrů ve video a vf technice. Upřesnění je v závěru.
Výsledný LC filtr se realizuje jako:
Dolní propust Horní propust Pásmová propust Pásmová zádrž
Základním článkem LC filtru je:
PI článek T článek
Výstupem syntézy LC filtru je zapojení filtru v tabulce prvků včetně definice vstupního a výstupního uzlu a případně přepočtu výstupní vztažné impedance. Filtr se impedančně odnormovává vzhledem ke vstupní vztažné impedanci. Toto řešení umožňuje ihned spustit analýzu filtru. Vlastnosti filtru lze pak korigovat pomocí otimalizační smyčky. Například lze filtr doplnit ztrátovými rezistory cívek nebo korektorem fáze.
Syntéza útlumového odporového článku je drobným doplňkem programu pro výpočet
oboustranně přizpůsobeného odporového článku. V radiotechnických zařízeních se to útlumáky
jenom hemží.
Závěr
Zatím nejsou v programu implantovány aproximace inverzní Čebyšev, Cauer Čebyšev, Bessel a Feistel Unbehauen.
Současná verze 01.04 programu NetCAD se hodí pro analýzu do frekvence asi 500MHz a v některých případech až do 1GHz. Zvyšování sortimentu prvků, zvyšování "horní mezní frekvence" typem a strukturou modelů prvků, zlepšování ostatních vlastností programu a doplňování nových vlastností je věcí dalšího vývoje.
Také hledám zájemce a lépe firmu, která by byla ochotna se ujmout převodu programu pod Windows a zajistit systémový vývoj. Potřebuji se věnovat odborné části programu.
Zde je další ukázka aplikace programu NetCAD.