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Text File  |  1996-06-03  |  16KB  |  386 lines

  1. 'EMCFiltr' EMC Filter simulation Software written by C. Bateman.
  2.  
  3. see 'about the software section' or
  4. 'E-Mail' cyrilb@ibm.net
  5.  
  6. Installation.
  7. -------------
  8. Due to the restrictions imposed by Font sizes etc. two versions
  9. of this software are available, optimised for either VGA 640*480
  10. screen or SVGA 800*600 screen, each in a separate directory on
  11. the disc.
  12.  
  13. While both versions will install and run on either Windows
  14. screen resolution, some on screen features will be incorrectly
  15. displayed. The SVGA version is also suitable for higher screen
  16. resolutions but the presentation will not be optimal.
  17.  
  18. If you have purchased the 'Demo' disc then all files required
  19. have been included and are uncompressed.
  20.  
  21. If you have downloaded the 'Demo' then for economy of download,
  22. If VBRUN300.DLL is not already in your Windows/system directory,
  23. this file must downloaded separately and copied to Windows/system
  24. BEFORE commencing with the 'EMCFiltr' installation.
  25.  
  26. To minimize download times, since the VBRUN300.DLL file is quite
  27. large, most ftp sites request this be excluded from the download
  28. and if not already on your harddisc, it be obtained separately.
  29. It is readily available from most MS Windows archives.
  30.  
  31. The current version of VBRUN300.DLL used to write this software
  32. was 3.00.0538  12/5/93   extracted size 398,416 bytes.
  33. This version or newer is required.
  34.  
  35. Before commencing with a VGA installation, if this software has
  36. been downloaded, it is necessary to copy certain files from the
  37. SVGA directory into the VGA directory:-
  38.  
  39.     DDEML.DL_
  40.     SETUP.EXE
  41.     SETUPKIT.DL_
  42.     VER.DL_
  43.  
  44.  
  45. To reduce download times, since these files are common to both
  46. SVGA and VGA installations, only one set is included. If you have
  47. the normal distribution disc, they have already been duplicated
  48. so no action is needed.
  49.  
  50. To install follow the usual Windows practise of File Run
  51. 'A:\SVGA\SETUP'  or  File Run 'A:\VGA\SETUP'  as appropriate.
  52.  
  53. When installation is complete the program body 'EMCFiltr.exe'
  54. will have been installed in the directory named EMCFiltr and
  55. Setup1.exe in Windows. If not already present, three files
  56. needed to run a compiled Visual Basic program will have been
  57. added to your Windows/System directory.
  58.  
  59.     VBRUN300.DLL
  60.     DDEML.DLL
  61.     VER.DLL
  62.  
  63. You need take no action, the file Setup.exe checks for their
  64. existence and actions accordingly (see setup.lst on the disc).
  65.  
  66. This install makes no alterations to your existing 'Ini' files
  67. or autoexec.bat or config.sys hence can be easily uninstalled by
  68. simply deleting the program group while running Windows, then
  69. deleting the program its directory and Setup1.exe. 
  70.  
  71. The three files in Windows/System are standard Microsoft files
  72. required by many other programs and can be left in place should
  73. you uninstall the main software..
  74.  
  75.     VBRUN300.DLL
  76.     DDEML.DLL
  77.     VER.DLL
  78.  
  79. Having completed the installation, double 'click' on the
  80. EMCFiltr Icon to launch the program.
  81.  
  82. The full program provides analysis of nine pre-set Filter
  83. configurations. The Demo version is restricted to analysis only
  84. of the Two-Tee style, however all other screens are still
  85. available and can be actioned for value change etc., but will
  86. not proceed to the analysis stage.
  87.  
  88.  
  89. Familiarisation.
  90. ----------------
  91. The quickest way to check program operation is to repeatedly
  92. push Enter which will cycle the program through each default
  93. screen in turn, to demonstrate program action.
  94.  
  95. Having ascertained the program is functioning at all four
  96. screens, try choosing a filter style - say Two-Tee, and run the
  97. default values, its not a very good Filter.
  98.  
  99. Try setting silly component values e.g. 0.0 etc. To avoid
  100. 'divide by zero' errors the program automatically applies a safe
  101. minimum value. This minimum for the Demo has been increased, the
  102. full program however works down to extremely small values.
  103.  
  104.  
  105.  
  106. Let us now try redesigning this Two-Tee Filter to a target
  107. specification.
  108.  
  109. Lets assume as a target, good transfer of audio to 12 kHz, with
  110. interference rejection better than 40 dB at 40 kHz and better
  111. than 70 dB at 100 kHz and above.
  112.  
  113. Exit the program then re-run to restore the original defaults.
  114.  
  115. Run the default Two-Tee values, its an awful Filter in every
  116. respect.- Terrible Return Loss - Inadequate Pass Band
  117. Transmission and poor EMC attenuation.
  118.  
  119. 1) Try halving the capacitors to 0.5 uF        Looks better 
  120. 2) Make all inductors 100 uH.            Better again.
  121. 3) Increase inductors to 500, 1000 , 500 uH     Very much better
  122.                      but Return Loss still poor.
  123. 4) Reduce two outboard inductors to 300 uH    Not quite there.
  124. 5) Try reduced capacitance say 0.33 uF.        Almost to spec.
  125. 6) Try 330 uH, 920 uH, 330 uH            Looks good.
  126. 7) Make DC resistances attainable.
  127.     Try 0.5 ohm, 1.0 ohm, 0.5 ohms        Still good.
  128. 8) Reduce inductor Self Capacitances to 2.5 pF    Specification 
  129.                         surpassed. 
  130.  
  131. The above few steps give a good indication of the affect on
  132. Return Loss and Insertion Loss of various component changes.
  133. Dependant on the transmission requirements further fine-tuning
  134. may be needed to improve the Group Delay response.
  135.  
  136. The default capacitors in the Demo version are X7R Ceramic
  137. Surface Mount chips, these typically have 0.5 to 0.8 nH of Self
  138. Inductance, depending on their physical size. Other styles have
  139. differing Self Inductances, with wire leads the inductance will
  140. be much higher, for the so called 'Discoidal' types the
  141. inductance will be almost zero.
  142.  
  143. The default inductors in the Demo version assume use of medium u
  144. ferrite toroids, these provide usable inductance value with
  145. little Self Capacitance, although this capacitance is influenced
  146. by winding techniques, hence a value must be input.
  147.  
  148. Since the d.c resistance of inductors depends on wire gauge and
  149. winding methods, it cannot be pre-determined and is a required
  150. input. The software calculates the frequency dependant AC loss
  151. resistance which is then added by frequency to the d.c.
  152. resistance value.
  153.  
  154. The full program allows the Capacitor and Inductor base 
  155. material to be chosen for each simulation, since this determines
  156. the Frequency Dependant variables needed for realistic
  157. simulation.
  158.  
  159. The full software package includes a manual describing Inductor
  160. winding techniques together with typical values to be expected,
  161. also covers capacitor choice in detail.
  162.  
  163. However mostly this software will be used to simulate an
  164. existing Filter when used with source and load impedances other
  165. than 50 ohms.
  166.  
  167. Most Filter specifications state the capacitance values used or
  168. alternately the total capacitance for Pi (two capacitors) and
  169. larger Filter styles, and generally will be stated as a Minimum
  170. value, but Inductor information is less common. A telephone call
  171. to the makers Technical Support will often fill in the details.
  172.  
  173. If not available, all is not lost. Simply 'reverse engineer' the
  174. Filter by inserting the stated capacitances perhaps at +10%,
  175. then guess at an inductance value and analyse the Filter,
  176. compare results with stated claims. Generally after five or six
  177. attempts the Filter will have been reverse engineered with
  178. sufficient accuracy. You can then use these derived values to
  179. analyse the Filter's behaviour with any desired source and load
  180. impedance combination.
  181.  
  182. Remember their catalogue claims will be chosen such that no
  183. Filter fails insertion loss testing. It is also common practise
  184. to considerably underclaim at the higher frequencies to avoid
  185. test failures, since small construction variances have most
  186. affect as frequency increases.
  187.  
  188.  
  189.  
  190. Significance of Return Loss.
  191. ----------------------------
  192.  
  193. In order to pass low frequencies with little attenuation, the
  194. inductors used must have a low DC Resistance, hence unlike an
  195. attenuator the Filter cannot attenuate EMC by dissipating
  196. energy. Since energy cannot be destroyed the only usable
  197. mechanism is to 'return' (Reflect) the unwanted EMC to its
  198. source. This is exactly the mechanism by which Low Pass EMC
  199. Filters work. Depending on the input impedance of the filter the
  200. wanted signals, which should pass through the Filter, can also
  201. be reflected. Automatically resulting in loss of wanted signal.
  202.  
  203. The perfectly matched Filter would lose by Reflection less than
  204. 1% of the wanted signal, expressed in dB this equates to a
  205. Return Loss signal -40dB lower than the incident wanted signal.
  206. A Return Loss of -26dB equates to a VSWR of 1.1:1 and would be
  207. perfectly acceptable in practise, reflecting 5% of the signal.
  208. Return Losses of -20dB and less are not desirable.
  209.  
  210. Obviously Return Loss results from the value of source and load
  211. impedances used as well as the Filter's Input impedance, thus
  212. making this an important parameter when designing for EMC
  213. suppression with good transmission of a wanted signal. 
  214.  
  215. With DC Power supplies, Return Loss traditionally has been
  216. ignored, resulting in the oft quoted advice to design for
  217. maximum mismatch between source and Filter. This is extremely
  218. bad practise whenever a wanted signal must be transmitted
  219. through the Filter.
  220.  
  221.  
  222.  
  223. About the Software.
  224. -------------------
  225.  
  226. Simulators come in three basic forms:-
  227.  
  228. Those based on measured 'S Parameters' and generally used for
  229. Microwave design only, since the software is expensive.
  230. Measurement of 'S Parameters' for capacitors and inductors is
  231. time consuming, also extremely expensive 'characterised' 
  232. jigging is essential, otherwise the measurement is valueless.
  233. While most RF rated semiconductors have 'S Parameter'
  234. information available, this is almost non-existent for
  235. capacitors and inductors, especially those not specifically
  236. intended for RF use.
  237.  
  238. Lower cost 'Frequency Domain' simulators which calculate node
  239. by node the 'Kirchoff' solutions, are available but these assume
  240. 'idealised' capacitor and inductor models. While it is obviously
  241. possible to apply a series loss resistor, since with real
  242. components this resistance is frequency dependant, this would
  243. only be applicable to a restricted range of frequencies.
  244.  
  245. The most common circuit simulation software derives from the
  246. 'Spice' system detailed in Lawrence Nagel's doctoral thesis.
  247. This was funded and targeted expressly towards the simulation of
  248. Integrated Circuits having amplitude dependant non-linearities,
  249. thus the basis of 'Spice' is modelling in the 'Time' domain and
  250. not 'Frequency' domain. While it is true that 'Spice' offers
  251. 'Small Signal  Simulation' by Frequency this does not permit the
  252. use of measured frequency dependant variables.
  253.  
  254. The 'EMCFiltr' software models Insertion Loss strictly in
  255. accordance with the US Specification MIL-STD-220A, which is
  256. recognised world wide.
  257.  
  258. Real world capacitors and inductors, when carefully measured,
  259. each comprise three elements, all of which are strongly
  260. frequency dependant.
  261.  
  262. Capacitors translate to a 'series' combination of capacitance,
  263. inductance and resistance, with capacitance being dominant at
  264. the lower frequencies, i.e. below self resonance.
  265.  
  266. Inductors similarly equate to a 'parallel' combination of
  267. capacitance and inductance both being in 'series' with
  268. resistance, with inductance being dominant at frequencies below
  269. self resonance.
  270.  
  271. For both, the resistive part comprises a fixed resistance value
  272. in series with a frequency dependant variable resistance.
  273.  
  274. For inductors this fixed resistance is the dc resistance of the
  275. winding (DCR), the variable part results from the various
  276. frequency dependant losses which cause the 'Q' value to change
  277. with frequency.
  278.  
  279. For capacitors the fixed part is the irreducible resistance
  280. measured at high frequency (TSR), largely comprising metallic
  281. connection resistances. The variable resistance derives from AC
  282. dielectric losses, described as tan d, being frequency
  283. dependant. At lower frequencies this can amount to many ohms,
  284. dependant on capacitance value.
  285.  
  286. Any simulation based on 'ideal' components will differ
  287. significantly from practical measured results of working
  288. Filters. The maximum insertion loss from simulation will far
  289. exceed measured results. At frequencies below Filter resonance
  290. the insertion loss will be overstated while above resonance it
  291. will be understated. These differences can accrue to many dB's
  292. difference. 
  293.  
  294. The EMCFiltr software package is a node by node solution by
  295. frequency of Kirchoff, but considerably enhanced by using true
  296. three component models for each part with the frequency
  297. dependency variations required to simulate real world parts.
  298. This frequency dependency is derived from manufacturers
  299. published characteristics and stored as data in the software.
  300. Hence assuring realistic simulation results.
  301.  
  302. The 'standard' version software is targeted to Filter users and
  303. provides a choice of base capacitor and inductor materials
  304. commonly used in the production of Filters.
  305.  
  306. The 'professional' edition is targetted towards those intending
  307. to manufacture Filters, and while based on the standard
  308. version's simulator engine, this version provides the facility
  309. to 'tailor' the frequency dependant material models to your
  310. choice of materials.
  311.  
  312. The high dielectric constants used with some ceramic capacitors
  313. and their physical size, can result in narrow band resonance
  314. modes, these also can be modelled given the precise physical
  315. descriptions of the parts.
  316.  
  317. This is incompatible with the objectives of simplest possible
  318. no-learning curve approach of this 'standard' version hence  is
  319. available only in the 'enterprise' edition software currently
  320. under development.
  321.  
  322. The full version of the software, also any technical support you
  323. might need, is available from:-
  324.  
  325. C.Bateman Engineering.
  326. 'Nimrod'
  327. New Road.
  328. ACLE.
  329. Norfolk.
  330. NR13 3BD.
  331. England.
  332.  
  333. Tel. 01493 750114
  334. 'E-Mail'
  335. cyrilb@ibm.net
  336. 76251.2535@compuserve.com
  337.  
  338. Also see Web Page at:-
  339. http://ourworld.compuserve.com/homepages/cyrilb
  340.  
  341.  
  342.  
  343.  
  344. About the Author.
  345. -----------------
  346.  
  347. He first trained as an RF Electronics Engineer in the mid '50's
  348. and subsequently became an Electronics applications and design
  349. engineer for one of the then largest capacitor manufacturers. As
  350. an application engineer he was deeply involved with both the
  351. birth of the Hi-Fi and Colour Television industries in England,
  352. and personally designed the first Aluminium Electrolytic
  353. Capacitors optimised for Hi-Fi sound. These were used in the
  354. first volume produced quality amplifier, the original Goodmans
  355. 90 and 100 series. Around the time the Apollo program got
  356. underway in America, he also inherited the EMC Filter
  357. Applications tasks. 
  358.  
  359. Subsequently as the use of EMC Filters increased, principally in
  360. Military equipments, he founded 'Mercator', a trading house 
  361. tasked to import Components and EMC Filters not available from
  362. UK Manufacture.
  363.  
  364. Subsequently the volume of EMC Filters increased such that he
  365. was then tasked to setup a UK design / development program to
  366. manufacture these Filters, and gain full European Quality
  367. approvals. For this operation he wrote all the design and
  368. measurement software needed to gain the approvals and for their
  369. production which was 100% Insertion Loss tested and Certified to
  370. 1 GHz.
  371.  
  372. While with Mercator as a result of pressures from customers
  373. engineers, in 1983 wrote his first computer simulation program
  374. designed specifically to select the most appropriate Filters
  375. for differing source and load impedances.
  376.  
  377. As a result he has had much practical experience of Filter
  378. simulation both with his own programs and commercial simulators,
  379. ranging from various Spice based programs to the most
  380. professional Microwave Design systems, and has been responsible
  381. for characterising RF capacitors using 'S Parameters' up to 3
  382. GHz. 
  383.  
  384. He is now an independent design consultant working principally
  385. with RF topics, EMC Filters and  Capacitors.
  386.