Урок 3 - Моделирование фильтра высоких частот
Урок 3 — Моделирование фильтра высоких частот
Изучение программного продукта по его описанию требует обычно много времени и усилий, что далеко не всегда устраивает пользователей, имеющих опыт работы и желающих быстро оценить возможности новой программы.
Выполняя примеры и получая ожидаемые результаты можно освоить основные принципы работы в Среде проектирования AWR_DE достаточно быстро.
Параллельно выполнению примеров происходит освоение интерфейса программы и понимание ее функциональных ресурсов, приобретаются навыки их применения на практике.
Выполнив примеры, пользователь может приступить к решению своих задач по аналогии с примерами. Это не дает повода считать, что все уже освоено, но дает хороший импульс для быстрого продвижения.
Первого знакомства с примером, очевидно, будет недостаточно для уверенной работы в Среде проектирования AWR_DE.
Воспроизведение примеров на компьютере одного за другим является обязательным условием для быстрого и успешного освоения применения Микроволнового офиса.
Содержание примера
Содержание примера оптимизировано под ускоренное начало работы пользователя, в нем сохранен минимум информации для того, чтобы далее суметь составить самостоятельно более сложные схемы и исследовать их характеристики.
Режим реального времени позволяет изменять параметры схемы и наблюдать, как изменяются характеристики схемы по мере изменения ее параметров. Возможно синхронно изменять параметры нескольких элементов схемы.
В примере показано, как использовать Среду проектирования AWR_DE для моделирования фильтра нижних частот, составленного из дискретных элементов (цепи с сосредоточенными параметрами).
Пример показывает технологию выполнения ряда следующих действий:
— Создание схемы
— Постановка задачи
— Анализ схемы цепи
— Регулировка цепи
— Создание переменных
— Оптимизация цепи
Перечисленных действий достаточно для решения многих задач.
Технология создания схемы
Проектирование или моделирование радиоэлектронных устройств в пакете программ Микроволновый офис всегда должно начинаться с создания проекта, в котором будут осуществляться соответствующие действия. Далее требуется создать схему. Она автоматически будет сохранена, если сохранен проект.
Создание нового Проекта
Первым обязательным действием является создание проекта, если он еще не создан. Для его создания выберите из главного меню команду File — New Project (Файл — Новый проект) Рис. 1.
Рис. 1. Меню файл, команды создания и сохранения проекта активны
Созданный проект необходимо сохранить командой из главного меню File — Save As (Файл — Сохранить как :) Рис. 1. Она вызывает окно диалога сохранения проекта, в котором пользователь должен определить адрес имя и формат сохраняемого проекта Рис. 2.
Рис. 2. Окно диалога сохранения проекта.
Создание новой схемы
В созданном проекте можно создать схему командой New Schematic: (Новая Схема) из главного меню Project (Проект) в подменю Add Schematic (Добавить Схему) Рис. 3.
Рис. 3. Команды меню проект.
Она открывает окно диалога Create New Schematic (Создать Новую Схему) (Рис. 4).
Рис. 4. Задание имени новой схемы.
Введите название для схемы, например, lpf (аббревиатура от английского сочетания слов low phase filter, на русском означает фильтр минимальной фазы), как показано на Рис. 4. Щелкните по кнопке OK. На экране появится новое окно с заголовком lpf (Рис. 5.)
Рис. 5. Проект с окном новой схемы.
Доступ к элементам и Менеджер элементов
Для создания схем требуются элементы, а чтобы получить доступ к ним щелкните по ярлычку вкладки Elem (Элементы), расположенной по нижнему краю окна Менеджера Среды проектирования AWR_DE. В нем пользователю предоставлены все средства управления элементами, поэтому его называют Менеджером Элментов.
Отсюда элементы можно установить в схему. Верхнее поле Менеджера элементов отображает классы или группы однотипных элементов, а нижнее его поле содержит доступные элементы класса, выделенного в верхнем поле.
Выбор элементов и установка их в схему
Выберите в верхнем поле менеджера элементов папку с названием Lumped Elements (Дискретные Элементы) и выделите в ней вложенную папку Inductor (Индуктивные элементы).
В нижнем поле менеджера элементов выберите IND (Индуктивность), щелкнув на нем левой клавишей мыши, далее переместите его в окно схемы, отпустите левую клавишу мыши и перемещайте курсор в пределах окна схемы, выбирая место для установки элемента.
Установите элемент, внесенный в окно схемы, в то место, где его следует поместить, щелкнув левой клавишей мыши.
Повторите эту операцию 4 раза. Устанавливая в схему второй третий и четвертый элемент, совмещайте вывод устанавливаемого элемента с выводом ранее установленного элемента. Выводы элемента помечены косым крестом, а совмещение их после установки отмечается маленьким прямоугольником, заполненным зеленым цветом.
Схема должна принять вид, показанный на Рис. 6.
Рис. 6. Установка в схему индуктивных элементов
Поворот элементов
Ориентация элементов в поле Менеджера элементов может отличаться от их ориентации в схеме, тогда требуется поворот изображения элемента.
Далее, выберите в группе элементов Lumped Elements (Дискретные элементы), группу Capacitor (Конденсатор).
В нижнем поле Менеджера элементов в этой группе выберите элемент CAP (конденсатор), щелкнув на нем левой клавишей мыши, и переместите его в окно схемы. Прежде чем установить его на место в схеме, необходимо повернуть его перпендикулярно цепочке индуктивных элементов.
Поверните элемент щелчком правой клавиши мыши и установите элемент, щелкнув левой клавишей мыши. Один щелчок правой клавишей мыши поворачивает изображение элемента на 900, два — на 1800 и т.д.
Копирование элементов схемы и установка копий в схему
Трудоемкость построения схемы позволяет уменьшить копирование тех или иных элементов и вставка копий в схему. Например, нет необходимости поворачивать все устанавливаемые конденсаторы, можно скопировать один уже установленный и далее вставлять копии в схему.
Элемент, подлежащий копированию, необходимо выделить, а для этого над элементом проведите курсор, удерживая нажатой левую клавишу мыши таким образом, чтобы штриховая прямоугольная рамка охватила весь элемент вместе с его выводами.
Элемент окажется выделенным четырьмя прямоугольниками близ него. Этим приемом выделите элемент CAP.
Выберите из главного меню Edit (Редактирование), команду Copy (Копировать). Она помещает элемент в буфер обмена и сохраняет его ориентацию. Поэтому копию из буфера обмена можно установить в схему, не поворачивая ее на 900.
Выберите из меню Edit (Редактор) команду Paste (Вставить). В левом верхнем углу окна схемы появится копия элемента. Переместите курсором эту копию в соответствующее место схемы и установите там щелчком левой клавиши мыши.
Схема примет вид, показанный на Рис. 7.
Рис. 7. Установка в схему конденсаторов.
Соединение элементов
Выводы элементов, установленных в схему, необходимо соединить между собой в соответствии с топологией проектируемой цепи. Только часть выводов удается совместить при установке элементов схему.
Выводы, оставшиеся не соединенными после помещения их в схему, соединяют топологическими трассами. Определить топологию соединений выводов элементов схемы, например, конденсаторов, позволяет инструмент в виде моточка провода. Он появляется в окне схемы рядом с курсором, когда последний указывает на вывод элемента.
Спиралька или моточек провода является символом электрического соединения. Появление ее означает то, что, полюс выделен, и можно нажать левую клавишу мыши для прокладки соединения. Нажмите левую клавишу мыши и проведите пунктирную линию между полюсами. Достигнув другого полюса, щелкните левой клавишей.
Знаки «X» превратятся в зеленые прямоугольники, а черная штриховая линия превратится в сплошную красную линию, соединяющую полюса. Цвет красный предупреждает, что данное топологическое соединение не имеет на конструкторском представлении схем никакого эквивалента.
Укажите курсором на свободный нижний вывод конденсатора, чтобы он принял форму спиральки, проведите соединительную линию к выводу другого конденсатора. Повторите действие еще раз. В результате все выводы конденсаторов оказываются соединенными, нет свободных выводов Рис. 8.
Рис. 8. Созданная схема. Все элементы схемы цепи установлены «как есть» из Менеджера элементов, их параметры не соответствуют постановке задачи.
Добавление Земли и Портов
Для завершения схемы фильтра нужно добавить порты входа и выхода, а землю.
Эти элементы представлены на панели инструментов знаками
.
Земля в схеме необходима для определения начала отсчета напряжений и может быть установлена во многих местах схемы.
Порт обладает определенным внутренним сопротивлением и является источником сигнала ограниченной мощности. Порт является также нагрузкой для линий передачи и может служить измерительным инструментом. Схемой порта может служить классический двухполюсник. Порт, подобно другим элементам цепи, можно повернуть нажатием правой кнопки мыши на 900.
Введите порт для входа создаваемой схемы, щелкнув левой клавишей мыши на кнопке Port (Порт), введя курсор в окно схемы и совместив вывод порта со входом схемы. Установите порт щелчком левой клавиши мыши в окне схемы. Добавьте порт на выходе схемы.
Добавьте элемент Земля, нажатием на кнопке GND, расположенной на панели инструментов рядом с кнопкой Port.
Результатом выполненных действий является схема Рис. 8.
Технология постановки задачи
Параметры элементов, установленных в схему из Менеджера элементов как есть, могут отличаться от тех, какие требуются по условиям задачи. Этот факт требует корректировки параметров элементов, говорят редактирования их значений.
Рабочие частоты проектируемых цепей требуют определения в форме диапазона или отдельных точек.
Большое разнообразие характеристик, представляющих интерес в связи с
различными задачами проектирования и моделирования, требует уточнения
конкретных форм и видов рассчитываемых характеристик. Документация,
используемая
Редактирование параметров элементов
Чтобы отредактировать значение параметра элемента непосредственно в схеме укажите курсором в схеме на значение параметра элемента, дважды щелкните левой клавишей мыши и, таким образом, откроете маленькое окно редактирования значения параметра. Это окно имеет вид сплошной рамки на поле схемы, в котором значение параметра показано крупным шрифтом.
Откроется поле диалога, в котором можно отредактировать значение вводом нового значения параметра с клавиатуры. Внесите изменения в соответствии с Рис. 9. Таким путем созданная схема приводится к задаче, поставленной разработчиком.
Рис. 9. Схема с отредактированными значеними параметров элементов.
Задание диапазона частот
Указание диапазона частот для расчета частотных характеристик дают из Менеджера проекта.
Чтобы перейти на вкладку менеджера проекта щелкните по ярлычку вкладки Proj (Проект), на нижнем краю Менеджера AWR_DE.
Укажите курсором мыши папку Project Options (Параметры Проекта). Дважды щелкните по ней. Откроется окно с тем же именем Project Options (Параметры Проекта) Рис. 10. Оно содержит три поля ввода информации. Заполните их. Введите начальную частоту 100 МГц в поле Start и конечную частоту 1000 МГц в поле Stop и установите шаг 10 MHz в поле Step.
Рис. 10. Задание значении частот в окне настройки параметров проекта.
Нажмите кнопку Apply (Применить). Затем нажмите OK.
Этими действиями определены значения частот, на которых будут рассчитаны все частотные характеристики для схемы фильтра и всех других схем, если они будут созданы в этом проекте.
Добавление графика
Все результаты расчетов в Среде проектирования AWR_DE обычно для наглядности представлены в форме графиков.
Для добавления графика в проект, выберите в командном меню Project (Проект) команду Add Graph (Добавить график) Рис. 11.
Рис. 11. Меню Проект, команды создания и определения формы и содержания графиков.
Эта команда открывает окно диалога Рис. 12. Выберите (Rectangular) (прямоугольный) вариант графика и нажмите OK.
Рис. 12. Окно определения имени и вида графика. Имя и вид графика предлагаются по умолчанию
В главном окне AWR_DE появится вложенное окно графика (Рис. 13.)
Рис. 13. Создан график с пустой координатной сеткой.
Выбор характеристик для расчета
Наиболее насыщенным информацией является этап определения типов и конкретных видов расчета. Окно диалога, в котором пользователь все это определяет, вызывается командой Add Measurement (Добавить измерения). Ее можно подать из контекстного меню. Его вызывает один щелчок правой клавишей мыши на узле Graphs Рис. 14.
Рис. 14. Команда «добавить измерения» в контекстном меню выделенного графика.
Команда Add Measurement (Добавить измерения) открывает окно, оно одно из наиболее сложных в AWR_DE. В процессе выполнения примера могут возникнуть такие вопросы, на которые есть ответ в файле помощи Среды проектирования AWR_DE. Для входа в соответствующий раздел служит кнопка Measurement Help (Помощь о типе Измерения).
В окне менеджера проекта выделите строку Graph 1, нажмите правую клавишу мыши и выберите Add Measurement (Добавить вычисления). Окно Рис. 15 предоставляет пользователю широкий выбор возможных вариантов расчета характеристик проектируемых устройств.
Рис. 15. Постановка задачи расчета характеристик схемы цепи.
Выберите в левом поле Meas. Type (Тип вычислений) Port Parameters (Параметры Порта), а в правом поле Measurement (Расчет или Измерения) выберите S-параметры.
Выберите строку с именем lpf из раскрывающегося списка Data Source Name (Имя Источника Данных).
Установите значение 1 в узком поле To Port Index (Индекс Порта Приемника).
В поле From Port Index (Индекс Порта Источника) выберите то же значение 1.
В Result Type (Тип результата) установите DB (дБ), что означает выбор логарифмической шкалы для отображения результатов вычислений.
Нажмите кнопку Apply (Применить), чтобы добавить линию значений S11 в децибелах в окно графика.
Диалог можно закончить нажатием кнопки ОК, но на данный момент требуется его продолжить, так как имеется необходимость добавить еще одну линию.
Измените в поле To Port Index (Индекс Порта Приемника) значение на число 2. Нажмите Apply (Применить) для добавления линии S21 в дБ. Теперь нажмите OK. Диалог на этом закончен.
Таким образом, в окно графика добавлено в сумме две линии. Они обе будут видны на одном графике и отображены различным цветом на экране и помечены специальными знаками, что позволит их различить в распечатке документа, если печать не передает цвета.
Анализ цепи
Весь процесс расчета скрыт от пользователя. Начните расчет, нажмите на кнопку Analyze (Анализировать) на панели инструментов. В окне графика появятся линии различного цвета, показанные на Рис. 16.
Рис. 16. Первые результаты расчета после выполнения команды Analyze.
Одиночный щелчок на легенде графика позволяет активизировать ее, так что вокруг нее появится размеченная рамка. На углах рамки и в центрах ее сторон курсор мыши меняет форму, становясь двунаправленной стрелкой или символом из четырех стрелок.
Нажав левую клавишу, мыши можно сместить рамку в направлении стрелок и поместить его в нужное место.
Можно изменять формы маркеров на линиях графика, изменить стиль линии и цвет ее, или сделать другие модификации изображения.
Все возможности редактирования графиков доступны в окне диалога Plot Properties (Свойства Графика) Рис. 17.
Рис. 17. Окно управления изображением графика.
Вызвать окно диалога можно двойным щелчком левой клавишей мыши на легенде графика.
Регулировка цепи
Исследование влияния изменений параметров тех или иных элементов на
характеристики схемы возможно в Среде проектирования AWR_DE под управлением
средств реального времени. Управление ими осуществляется двумя кнопками
,
расположенными на панели инструментов.
Кнопка со знаком отвертки на ней включает режим выбор параметра для регулировки в реальном времени. Ее надо нажать. Вид курсора в окне схемы изменится, он станет похожим на отвертку с крестообразным шлицом.
Перекрестие шлица надо навести на значение того параметра, которое требуется регулировать и щелкнуть левой клавишей мыши. Шрифт изменит цвет, значение параметра станет синим. Это означает, что значение параметра включено в тюнер реального времени.
Выберите элементы L1, L4, C1, C3, щелкая на них курсором отверткой с крестовым шлицом. Эти параметры таким способом включаются в тюнер.
Тюнер выводится на экран монитора щелчком левой клавишей мыши на кнопке с изображением регулятора Рис. 18.
Рис. 18. Окно Тюнера реального времени на четыре параметра.
Перемещение движка изменяет значение соответствующего параметра.
Изменение значений переменных можно наблюдать в поле тюнера. Установите значения, показанные на рисунке, и проведите повторный анализ цепи.
Результат повторного анализа изменит вид линий графика.
Моделирование в реальном времени производится перемещением движков тюнера и наблюдением линий графиков Рис. 19.
Рис. 19. Настройка схемы в режиме реального времени.
Создание переменных
Раздельная регулировка четырех параметров имеет смысл не всегда. Так, например, проектируемый фильтр является симметричной схемой.
Для оптимизации подобных цепей нужно изменять синхронно значения не одного, а двух или трех параметров. В таких случаях полезно создавать новые переменные и присваивать их значения ряду других переменных.
Для создания переменных сделайте окно схемы активным, кликните на любой точке окна схемы
Выберите команду Schematic — Add Equation (Схема — Добавить Уравнение) Рис. 20.
Рис. 20. Команда «добавить уравнение».
На поле схемы появится рамка, положение которого можно изменять. Это редактор уравнений. Введите в это поле Lin=15. Повторите действия для создания переменной Cin и присвойте ей значение 8.
Переменные подготовлены. Надо присвоить их значения параметрам конкретных элементов.
Щелкните дважды по параметру L1 и измените его значение на Lin. Повторите действия для элемента L4, а для элементов CAP C1 и CAP C3 измените значения на Cin.
Подготовка переменных к оптимизации
Чтобы переменным Lin и Cin разрешить оптимизацию, выполните следующее:
— прейдите на вкладку менеджер переменных, щелчком по ярлычку Var;
— выделите узел lpf в верхнем поле Менеджера переменных;
— нажмите по символу +;
— щелкните по строке с именем lpf Equations.
Поле в низу, отобразит переменные Lin и Cin. Нажмите на кнопку O в строках обеих переменных. Этим действием обе переменные подготовлены для их последующей оптимизации Рис. 21.
Рис. 21. Подготовка переменных к оптимизации.
Щелкните по группе lpf в верхней части окна и отожмите кнопку О для элемента С2. Переменная подготовлена для ее оптимизации.
Оптимизация цепи
Оптимизация проводится в тех же единицах измерения, которые были установлены вначале выполнения проекта.
Определение цели оптимизации
Для определения цели оптимизации выполните следующие действия:
— перейдите на вкладку Менеджер проекта, щелкнув по ярлычку Proj;
— выделите узел Optimizer Goals (Цели Оптимизации);
— получите контекстное меню щелчком правой клавишей мыши;
— выберите Add Opt Goal (Добавить Цель Оптимизации) Рис. 22.
Рис. 22. Контекстное меню узла целей оптимизации.
Появится окно диалога постановки задачи New Optimization Goal (Новая Цель Оптимизации) (Рис. 23).
Рис. 23. Окно постановки задачи оптимизации.
Выберите в окне диалога строку lpf:DB(|S[1,1]) в поле Measurement
(Измерения). Выберите селектором Meas < Goal в области Goal Type (Тип
Оптимизации), снимите выделение в квадратике Max (Максимум) в области Range
(Диапазон) и установите в ставшем активным поле Stop (Конец) значение «500», а
в поле Goal (Цель) введите
Повторите вызов New Optimization Goal (Новая Цель Оптимизации), но выберите
строку lpf:DB(|S[2,1]) в Measurement (Измерение), и выберите селектор Meas >
Goal в области Goal Type (Тип Оптимизации), снимите выделение с квадратика Max
(Максимум) в области Range (Диапазон), введите значение «500» в поле Stop
(Конец)
Повторите вызов New Optimization Goal (Новая Цель Оптимизации), но выберите
строку lpf:DB(|S[2,1]) в Measurement (Измерения), и выберите селектор Meas <
Goal в области Goal Type (Тип Оптимизации), снимите выделение с квадратика Min
(Минимум) в области Range (Диапазон), в поле Start (Начало) введите значение
«700» и значение
Выбор метода оптимизации
Выберите в главном меню Simulate (Моделировать) команду Optimize (Оптимизировать) Рис. 24.
Рис. 24. Главное меню Simulate.
Откроется окно диалога Optimize (Оптимизировать) (Рис. 25.).
Рис. 25. Определение метода оптимизации и ограничение числа итераций.
В области Optimization Methods (Методы Оптимизации) выберите из раскрывающегося списка методов поиска экстремумов метод Random (Local) (Случайный (Локальный)), а Maximum Iterations (число итераций максимальное) установите, равным 5000. Нажмите кнопку Start (Начать), чтобы запустить процесс вычислений.
Процесс оптимизации характеристик наблюдается в реальном времени. Графики характеристик изменяются буквально на глазах и пользователь видит ход процесса, может его останавливать и запускать снова Рис. 26 и 27.
Рис. 26. Начальное состояние перед оптимизацией.
Рис. 27. Выполнено 39 итераций, форма характеристики изменяется по мере вычислений.
Когда моделирование закончится, нажмите кнопку Close для выхода из окна Optimize. Результаты оптимизации цепи приведены на (Рис. 28).
Рис. 28. Оптиизация завершена. Выполнены все итерации.
Работа по оптимизации фильтра завершена, можно сохранить проект и далее закрыть его.
Интерактивная работа в среде проектирования AWR_DE в реальном времени дает возможность вносить изменения в схемы, смотря на результаты расчетов и полученные характеристики.