Швидкий старт в аналоговому моделюванні¶

Qucs (вимовляється: kju:ks) - симулятор електричних кіл з графічним користувацьким інтерфейсом. Він здатний виконувати різні види моделювання (наприклад, моделювання в постійному струмі, моделювання S-параметрів тощо). Даний документ стисло описує, як користуватися Qucs.

При першому запуску Qucs створює теку ”.qucs” у Вашій домашній теці. Кожен файл зберігається у цій теці чи в одній з її підтек. Після завантаження Qucs появляється головне вікно, яке виглядає як на мал.1. З правого боку розташована робоча область (6), де розміщуються схеми, документи перегляду даних, графіки і т.д.. З допомогою вкладок (5) можна швидко переключатися по всіх документах, що відкриті у даний час. З боку головного вікна Qucs є ще одна область (1), її вміст залежить від стану вкладок, розташованих з ліва від неї: “Проекти” (2), “Зміст” (3) і “Компоненти” (4). Після запуску Qucs активується вкладка “Проекти” (2). Оскільки Ви запустили програму вперше, ця область порожня, тому що у Вас ще немає жодної проекту. Натиснімо кнопку “Створити” прямо над областю (1) і відкриється діалогове вікно. Введіть ім’я для Вашого першого проекту, наприклад, “firstProject” і натисніть кнопку “Створити”. Qucs створить теку проекту у теці ~/.qucs, у нашому прикладі “firstProject_prj”. Кожен файл, що належить до нового проекту, буде збережено у цій теці. Новий проект негайно відкривається (це можна зауважити прочитавши заголовок вікна) і вкладки переключаються на “Зміст” (3), де показується зміст відкритого в даний момент проекту. У Вас ще немає жодного документа, тому натисніть кнопку збереження на панелі інструментів (чи використайте головне меню: Файл->Записати) щоб зберегти документ без назви, який заповнює робочу область (6). Після цього з’явиться діалогове вікно для введення імені нового документа. Введіть “firstSchematic” і натисніть кнопку “Зберегти”.

Мал. 1 - Головне вікно Qucs

Тепер зробимо просте моделювання в постійному струмі, тобто хочемо проаналізувати схему на мал. 1. Виберіть вкладку “Компоненти” ( (4) на мал. 1). Там, вгорі, Ви побачите випадаючий список, де можна вибрати групу компонентів і відповідний компонент з обраної групи. Виберіть “дискретні компоненти” і натисніть перший символ: “Опір”. Переміщуючи курсор миші в робочу область (6), Ви переносите малюнок позначення опору. Натисканням правої кнопки миші можна обертати позначення, натисканням лівої кнопки миші поміщаєте компонент на схему. Повторіть цей процес для всіх компонентів, показаних на мал. 1. Джерело напруги може бути знайдене у п’ятому класі компонентів “джерела”, позначення заземлення можна взяти з класу “дискретні компоненти” чи з панелі інструментів, необхідне моделювання визначається за допомогою великих блоків моделювання, що розміщені у класі компонентів “види моделювання”. Щоб змінити параметри другого опору, зробіть подвійне натискання лівої кнопки миші на ньому. Відкриється діалогове вікно, яке дозволяє редагувати параметри опору. Введіть “100 Ohm” на полі редагування справа і натисніть Enter.

Щоб з’єднати компоненти, натисніть кнопку з провідником на панелі інструментів (чи скористайтеся головним меню: Вставка->Провідник). Перемістіть курсор на незайнятий вивід (позначений маленьким червоним кільцем). Натискання кнопки миші у ньому починає провідник. Тепер пересуньте курсор до кінцевої точки і знову натисніть кнопку миші. Маєте вже з’єднані компоненти. Якщо ви хочете змінити напрям вигину провідника, натиснімо праву кнопку миші, як робите кінцеву точку. Можете також закінчити провідник, не натискаючи на вільний вивід, а просто зробіть подвійне натискання лівої кнопки миші.

Нарешті, дуже важливо позначити вузол, у якому Ви хочете, щоб Qucs розрахував напругу. Натиснімо на панелі інструментів кнопку для мітки провідника (чи скористайтеся меню: Вставка->Мітка провідника). Тепер натисніть кнопку миші на обраному провіднику. Відкриється діалогове вікно де можна ввести ім’я вузла. Напишіть “divide” і натисніть кнопку “Так”. Тепер схема має бути як на мал. 1.

Для запуску моделювання натисніть кнопку моделювання на панелі інструментів (чи використовуйте меню: Моделювання->Моделювати). Відкриється вікно і покаже просування процесу. Після завершення моделювання відкривається документ показу даних. Звичайно, усе це відбувається настільки швидко, що ви побачите лише швидке мелькання. Зараз Вам потрібно помістити діаграму, щоби побачити результати моделювання. Зліва тепер розміщено клас компонентів “діаграми”, який вибирається автоматично. Натисніть на “Таблична”, перейдіть в робочу область і помістіть її, натиснувши ліву кнопку мишки. Відкривається діалогове вікно, де можна вибрати те, що можливо показати у новій діаграмі. У лівій області видно ім’я вузла, яке Ви поставили: “divide”. Зробіть подвійне натискання лівої кнопки миші на ньому, і воно перенесеться у праву область. Вийдіть з діалогу натисканням кнопки “Так”. Тепер видно результат моделювання: 0.667 вольта. Чудово, можете поплескати себе по плечу!

back to the top

Швидкий старт в цифровому моделюванні¶

Qucs - надає також графічний інтерфейс користувачу для виконання цифрового моделювання. Даний документ коротенько описує, як для цього користовуватись Qucs.

Для цифрового моделювання Qucs використовує програму FreeHDL (http://www.freehdl.seul.org). Тому пакет FreeHDL, разом з компілятором GNU С++ необхідно встановити на комп’ютері.

Немає великої різниці у виконанні аналогового чи цифрового моделювання. Тому після прочитання Швидкий старт в аналоговому моделюванні можна легко домогтися, щоб працювало цифрове моделювання. Давайте розрахуємо таблицю істинності простого логічного елемента І. Виберіть цифрові компоненти що в списку вкладки компонентів зліва і побудуйте схему, зображену на мал. 1. Блок цифрового моделювання можна знайти серед інших блоків моделювання.

Цифрові джерела S1 і S2 підключені до входів, вузол з міткою Output є виходом. Після виконання моделювання відкривається сторінка показу даних. Помістіть на неї діаграму Таблиця істинності і вставте зміну Output. Тепер показується таблиця істинності дво-вхідного елемента І. Поздоровлення, перше цифрове моделювання зроблено!

Мал. 1 - Головне вікно Qucs

Таблиця істинності - далеко не єдиний вид моделювання, котрий можна виконати в Qucs. Можливо також подати на вхід випадковий сигнал і подивитися вихідний сигнал в часовій діаграмі. Для цього, треба поміняти параметр Type блоку моделювання на TimeList і у наступному параметрі слід ввести тривалість моделювання. Тепер в цифрових джерел інший зміст: вони можуть видавати випадкову послідовність бітів, для цього їм потрібно вказати перший біт (низький чи високий) і список моментів часу наступної зміни стану. Зверніть увагу, що цей перелік повторюється після кінця. Тому, щоб отримати тактові імпульси з частотою 1 ГГц і скважністью 1:1, у списку має бути записано: 0.5ns; 0.5ns.

Для відображення результатів цього моделювання є часова діаграма. У ній результати всіх вихідних сигналів можуть бути зображені пострічково в одній діаграмі. Отож успіхів у цій справі...

Швидкий старт в оптимізації¶

Для оптимізації ланцюгів в Qucs використовується утиліта ASCO (http://asco.sourceforge.net/). Нижче подається стислий опис того, як підготувати схему, виконати утиліту й інтерпретувати результат. Перед цим у системі слід встановити ASCO.

Для підготовки списку зв’язків до оптимізації дві речі потрібно додати до існуючої схеми: потрібно вставити рівняння та блок компонента оптимізації. Візьміть схему з мал. 1 і внесіть у неї зміни такі щоб отримати у результаті схему на мал. 2.

Оптимізація електричних кіл - це ніщо інше, як мінімізація функції вартості. Це може бути час затримки чи наростання цифрового кола, або потужність чи підсилення аналогового електричного кола. Ще один спосіб - визначити завдання оптимізації як поєднання функцій, що в цьому разі веде до визначення показника добротності.

Мал. 1 - Вхідна схема.

Мал. 2 - Підготовлена схема.

Тепер відкрийте компонент оптимізації і виберіть вкладку оптимізації. З наявних параметрів особливу увагу слід приділити “Максимальному числу ітерацій”, “Константі F” і “Фактору перетину”. Переоцінка чи недооцінка можуть призвести до передчасної збіжності оптимізатора до локального мінімуму або до дуже тривалого часу оптимізації.

Мал. 3 - Діалог оптимізації, параметри алгоритму.

На вкладці “Змінні” визначається, які елементи кола буде обрано і діапазони їх допустимих значень (мал. 4). Імена змінних відповідають ідентифікаторам, поміщеним у властивості компонентів, а не іменам компонентів.

Мал. 4 - Діалог оптимізації, параметри змінних.

Нарешті, переходите до “Цілі”, де задаються цілі оптимізації (зробити максимальним, зробити мінімальним) та обмеження (менше, більше, рівно). Потім ASCO автоматично об’єднує всіх їх в одну функцію вартості, мінімум якої і шукається.

Мал. 5 - Діалог оптимізації, параметри цілей.

Наступний крок полягає у зміні схеми й визначенні, які елементи потрібно оптимізувати. Отримана внаслідок схема зображено на мал. 6.

Мал. 6 - Нове головне вікно Qucs.

Останній крок - запуск оптимізації, тобто моделювання, натисканням клавіші F2. Після завершення роботи, на яку на сучасному комп’ютері піде лише кілька секунд, найкращі результати моделювання постануть в графічному вигляді.

Мал. 7 - Вікно Qucs з результатами.

Оптимальні параметри електричного кола можна знайти у діалозі оптимізації, на вкладці “Змінні”. Тепер вони є початковими значеннями кожної з представлених змінних (мал. 8).

Мал. 8 - Найкращі знайдені параметри електричного кола.

back to the top

Getting Started with Octave Scripts¶

Qucs can also be used to develop Octave scripts (see http://www.octave.org). This document should give you a short description on how to do this.

If the user creates a new text document and saves it with the Octave extension, e.g. ‘name.m’ then the file will be listed at the Octave files of the active project. The script can be executed with F2 key or by pressing the simulate button in the toolbar. The output can bee seen in the Octave window that opens automatically (per default on the right-hand side). At the bottom of the Octave window there is a command line where the user can enter single commands. It has a history function that can be used with the cursor up/down keys.

There are two Octave functions that load Qucs simulation results from a dataset file: loadQucsVariable() and loadQucsDataset(). Please use the help function in the Octave command line to learn more about them (i.e. type help loadQucsVariable and help loadQucsDataset).

Короткий опис дій¶

Фундаментальна обізнаність із підсхемами¶

Підсхеми використовуються, щоб зробити більш зрозумілою схему. Це дуже корисно у великих схемах чи в схемах де який не будь блок компонентів з’являється по кілька разів.

У Qucs кожна схема, що містить вивід підсхеми, є підсхемою. Вивід підсхеми можна отримати з допомогою панелі інструментів, списку компонентів (в дискретних компонентах) чи меню (Вставка->Вставити вивід). Після того, як вставлені всі виводи підсхеми (наприклад, два), треба зберегти підсхему (наприклад, натиснувши CTRL-S). Якщо глянути в перегляд вмісту проекту (мал. 1), помітно, що тепер праворуч від імені схеми стоїть “2-виводи” (стовпець “Примітка”). Ця позначка є у всіх документів, що є підсхемами. Тепер перейдіть в схему, де Ви хочете використати цю підсхему. Потім натиснімо на ім’я підсхеми (в перегляді вмісту). Знову зайшовши у область документів, Ви бачите, що зараз можна помістити підсхему в головну схему. Зробіть так і закінчіть схему. Тепер можна виконати моделювання. Результат буде таким же, коли б всі компоненти підсхем були розміщені безпосередньо на схемі.

Мал. 1 - Одержання доступу до підсхеми

Якщо вибрати компонент-підсхему (натиснувши на її позначення у схемі), можна ввійти у підсхему, натиснувши CTRL-I (звісно, ця функція доступна через панель інструментів, і через меню). Можна повернутися назад, натиснувши CTRL-H.

Якщо Вам не подобається позначення компонента підсхеми, то можете намалювати свій власний і помістити текст компонента туди, де Вам подобається. Просто зробіть схему підсхеми поточним документом і перейдіть до меню: Файл->Змінити позначення схеми. Якщо ви не намалювали позначення для цієї схеми, то автоматично буде створено просте позначення. Це позначення можна редагувати, малюючи лінії та дуги. Після закінчення, збережіть його. Тепер помістіть його на іншу схему, і вже у Вас є нове позначення.

Як і в усіх інших компонентів, у підсхем можуть бути параметри. Для формування власних параметрів, поверніться в редактор, де ви редагували позначення підсхеми, і двічі натисніть ліву кнопку на тексті параметра підсхеми. З’явиться діалогове вікно, у якому можете заповнити параметри початковими значеннями і описами. Коли Ви це закінчите, закрийте діалогове вікно і збережіть підсхему. Скрізь, де вставляється підсхема, у неї будуть ці нові параметри, і можна редагувати їх, як і у всіх інших компонентів.

Короткий опис математичних функцій¶

У рівняннях Qucs можна застосовувати наступні операції, та функції. Для детальнішого опису будь-ласка зверніться до “Measurement Expressions Reference Manual”. Параметри в квадратних дужках “[]” не обовязкові.

Перелік спеціальних символів¶

У компоненті “Текст” й у тексті міток осей діаграм можна використовувати спеціальні символи. Це робиться з допомогою тегів LaTeX. У наступній таблиці наводиться перелік наявних на сьогодні символів.

Примітка: Правильне відображення цих символів залежить від шрифту, що використовується у Qucs!

Друковані грецькі літери

Прописні грецькі літери

Математичні символи

back to the top

Узгодження електричних кіл¶

Створення узгоджених електричних кіл часто потрібне для мікрохвильової технології. Qucs може робити це автоматично. Необхідні для цього кроки:

Виконати моделювання S-параметрів, щоб розрахувати коефіцієнт відображення.

Вставити діаграму, щоб показати коефіцієнт відображення (тобто, S[1,1] для порту 1, S[2,2] для порту 2 тощо.)

Помістити на графік маркер і рухатися кроками до необхідної частоти.

Натиснути праву кнопку миші на маркері і вибрати “узгодження потужності” в меню яке з’явився.

З’являється діалогове вікно, де можна налаштувати значення, наприклад, повний опорний опір, можливо вибрати відмінним від 50 Ом.

Після натискання на кнопку “створити” відбувається повернення до схеми, і з допомогою курсору миші можна вибрати місце для вставки узгодженого електричного кола.

З’являється діалогове вікно, де можна налаштувати значення, наприклад, повний опорний опір, можливо вибрати відмінним від 50 Ом.

If the marker points to a variable called “Sopt”, the menu shows the option “noise matching”. Note that the only different to “power matching” is the fact that the conjugate complex reflexion coefficient is taken. So if the variable has another name, noise matching can be chosen by re-adjusting the values in the dialog.

Діалог здійснення узгодження може бути також викликаний з допомогою меню (Інструменти->узгодження електричних кіл) чи з допомогою комбінації клавіш (CTRL-5). Але всі значення повинні вводитися вручну.

Встановлені файли¶

До складу Qucs входять кілька програм. Їх встановлюють під час процесу інсталяції. Шлях, куди встановлюється Qucs, визначається при встановленні (скриптом configure). У наступних поясненнях приймається шлях за замовчуванням (/usr/local/).

• /usr/local/bin/qucs - графічний інтерфейс

• /usr/local/bin/qucsator - симулятор (консольна програма)

• /usr/local/bin/qucsedit - простий текстовий редактор

• /usr/local/bin/qucshelp - невеличка програма для перегляду довідкової інформації

• /usr/local/bin/qucstrans - програма для розрахунку параметрів ліній передач

• /usr/local/bin/qucsfilter - програма синтезу фільтрів

• /usr/local/bin/qucsconv - перетворювач форматів файлів (консольна програма)

Усі програми є самостійними додатками і можуть працювати незалежно один від одного. Головна програма (графічний інтерфейс)

• викликає qucsator при виконанні моделювання,

• викликає qucsedit, коли демонструються текстові файли,

• викликає qucshelp, коли показується довідкова система,

• викликає qucstrans при виклику цієї програми з меню “Інструменти”,

• викликає qucsfilter при виклику цієї програми з меню “Інструменти”,

• викликає qucsconv, коли вставляється компонент SPICE і коли виконується моделювання з допомогою компонента SPICE.

Крім цього, за умови встановлення створюються такі папки:

• /usr/local/share/qucs/bitmaps - містить всі растрові зображення (значки тощо.)

• /usr/local/share/qucs/docs - містить HTML-документи довідкової системи

• /usr/local/share/qucs/lang - містить файли перекладів

Формат схемного файлу¶

У документі описується формат схемного файлу Qucs. Цей формат використовується для схем (звичайно з розширенням .sch) й для перегляду даних (звичайно з розширенням .dpl). Наступний текст наводить короткий приклад схемного файлу.

<Qucs Schematic 0.0.6>
<Properties>
  <View=0,0,800,800,1,0,0>
</Properties>
<Symbol>
  <.ID -20 14 SUB>
</Symbol>
<Components>
  <R R1 1 180 150 15 -26 0 1 "50 Ohm" 1 "26.85" 0 "european" 0>
  <GND * 1 180 180 0 0 0 0>
</Components>
<Wires>
  <180 100 180 120 "" 0 0 0 "">
  <120 100 180 100 "Input" 170 70 21 "">
</Wires>
<Diagrams>
  <Polar 300 250 200 200 1 #c0c0c0 1 00 1 0 1 1 1 0 5 15 1 0 1 1 315 0 225 "" "" "">
  <"acnoise2:S[2,1]" #0000ff 0 3 0 0 0>
  <Mkr 6e+09 118 -195 3 0 0>
</Polar>
</Diagrams>
<Paintings>
  <Arrow 210 320 50 -100 20 8 #000000 0 1>
</Paintings>

У файлі є кілька розділів. Усі вони пояснюються нижче. Кожна лінія складається лише з одного інформаційного блоку, який починається знаком “менше” (<) і який закінчується знаком “більше” (>).

<type name active x y xtext ytext mirrorX rotate "Value1" visible "Value2" visible ...>

<x1 y1 x2 y2 "label" xlabel ylabel dlabel "node set">

<x y width height grid gridcolor gridstyle log xAutoscale xmin xstep
 xmax yAutoscale ymin ystep ymax zAutoscale zmin zstep zmax xrotate
 yrotate zrotate "xlabel" "ylabel" "zlabel">