home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ham Radio 2000 / Ham Radio 2000.iso / ham2000 / misc / fds / fildes.doc < prev    next >
Text File  |  1992-11-19  |  16KB  |  316 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.                Filter Design System
  6.                   version 1.20 
  7.            copyright 1990, 91, 92 by Bob Lombardi
  8.  
  9.  
  10.     FilDes (fds.exe) is copyrighted to prevent others from using 
  11. and selling the code I have developed.  The copy of FilDes in your 
  12. possession is YOUR COPY.  You may use it and copy it as many times as 
  13. you like.  You may distribute it unmodified to any number of users.
  14.  
  15.     FilDes is a synthesis program for electronic filter design using
  16. lumped element structures.  As such, it will find its greatest application
  17. between 1 and 1000 MHz.  Below this range, active filters are the usual
  18. choice; above it, the filters are usually (though not always) built 
  19. using distributed components.
  20.  
  21.     FilDes should be easy to use for the experienced filter designer, 
  22. as well as the newcomer.  Its input requirements are the things that must
  23. be known to design a filter with pencil and paper.  It outputs lists of
  24. components with notation common to the CAD programs SuperCOMPACT, STAR,
  25. SuperSTAR, and others.  The component is listed with its value and the
  26. term PAR, if it is connected to ground, or SER if it is connected to the 
  27. next component listed.  Another way of stating PAR is SHUNT; par was 
  28. chosen for consistency with SuperCOMPACT.  Bandpass (BP), Bandreject (BR),
  29. Narrow Bandpass (NBP) and Elliptic filters will have LC combinations with
  30. the designation PLC if they are connected in a parallel LC configuration,
  31. or SLC if they are in series configuration, as well as the PAR or SER
  32. circuit connection.   The filters can be printed to a text mode printer,
  33. (non-postscript) or to a Touchstone(r) format disk file.
  34.  
  35.     FilDes will run on all PC or compatible machines.  Output dis-
  36. plays are in textmode windows.  Memory requirements are well below the
  37. common 640 K in today's machines.  A CGA or better color monitor is re-
  38. quired.  A math co-processor is not required, but will speed up certain
  39. sections dramatically on PC, XT or slower AT type machines.
  40.  
  41.     Fildes runs under the File Manager from inside Microsoft Windows
  42. version 3.1, or from a DOS prompt.  I have only run it from the DOS 
  43. command line in OS/2.
  44.  
  45.                 General Description
  46.  
  47.     The program opens by offering a choice of Butterworth/Chebychev
  48. ladder filters, or Elliptic filters.  If Butterworth/Chebychev filters 
  49. are chosen, the user is guided through various menus that offer auto-
  50. matic calculation of the required filter complexity, or complete user
  51. specification.  The user has control over the passband ripple for all  
  52. filter types.  Chebychev filters can be designed with any amount of 
  53. ripple, up to 3 dB.  (These are sometimes used in PLL design).  You can
  54. design a .213 dB ripple filter, for instance, if you so desire.  Further, 
  55. Chebychev filters may be specified in terms of either their ripple band-
  56. width, or their 3dB bandwidth.  Both methods are in use, although the
  57. ripple bandwidth method seems more popular.  With FilDes, it's your 
  58. choice.
  59.  
  60.     The Butterworth and Chebychev ladder filters are available in 
  61. all frequency response characteristics, so this portion of the program
  62. allows you to choose the desired response with a moving highlighted text
  63. bar.  Once the type desired is chosen, windows are opened on screen for 
  64. entering the desired filter parameters.  FilDes will calculate the mini-
  65. mum number of poles required for a desired amount of attenuation, or     
  66. allow you to choose.  To get into the autocalculation routines, enter 0
  67. for the number of poles.  
  68.  
  69.     Elliptic filters are only available as LP or HP designs, so the 
  70. program decides which type is desired based on your passband/stopband
  71. frequency entries.  All input here is via numerical entries.
  72.  
  73.     At all times and places in the program where values are printed
  74. out on screen, the output is paused for examining output.  If the screen 
  75. can't hold all of the element values, it pauses output and waits for a
  76. key to be pressed.  Hitting return (or any key) hard may cause switch
  77. bounce in some keyboards; if a large filter scrolls off screen, try re-
  78. entering the design parameters, but make sure you only hit return once
  79. after the last data entry.  All output screens offer you the option of
  80. printing the output to a line printer.  (Warning: the program will halt  
  81. if the printer is not on line and ready!)  Similarly, you may save any
  82. filter designed by FilDes to a Touchstone .ckt format file.
  83.  
  84.     All filters begin as a lowpass prototype.  The lowpass prototype
  85. is always a minimum inductor design.  Default units are MHz, pF, and nH.
  86.  
  87.                  Bandpass Filters  
  88.  
  89.     The Narrow Bandpass (NBP) filters offered here are top-C coupled
  90. resonator filters.  They are available in any degree of ripple from 0
  91. to 3 dB, since they are derived from the lowpass prototype element values.  
  92. The narrowband approximation is valid for Q's greater than 10 (i.e., if 
  93. center freq divided by BW is > 10); the filters hold their response to 
  94. the desired ripple class best if Q >10.  Within 5% of the center 
  95. frequency, the approximation is quite good.  Top-C coupled filters have 
  96. better rejection of lower frequency signals than higher frequency ones.  
  97.  
  98.     This section includes a capacitance match for matching the 
  99. (ordinarily) higher impedance of the filter down to a desired value.  
  100. If you find the filter too low in impedance, don't choose this option; 
  101. instead, try the design again with a larger value inductor.  
  102.  
  103.     The other class of bandpass filter, chosen with the option BP,
  104. is derived by lowpass to bandpass transformation of a lowpass prototype.
  105. These filters are best used where the Q (as defined above) is less than 
  106. 10.  They have parallel resonant circuits in shunt to ground joined at
  107. the hot end by series resonant circuits.  
  108.  
  109.     Another feature of these sections is an estimate of insertion
  110. loss of the filter.  It asks for the component unloaded Q, with default
  111. value of 500.  This can help in the choice of the component technology
  112. used, or just provide a designed value.  The alogorithm is from Robert
  113. Wenzel, in the course "Designing Microwave Filters, Couplers and Matching 
  114. Networks", presented by Besser and Associates.  The author believes the
  115. originator of the method to be Anatol Zverev.  The component Q requested 
  116. here is typically the inductor Q (in fact, the program asks for coil
  117. Q), and in most filters the capacitors are several times higher in Q 
  118. than the inductors.  In a voltage-tuned filter, however, the varactor
  119. diodes may well be the limiting component, and their Q should be 
  120. entered here.
  121.  
  122.     The value of loss predicted here, which is the midband loss,
  123. agrees nicely with results from professional CAD programs.
  124.  
  125.     The band reject filters (BR) are ladder networks based on 
  126. transformation from the lowpass prototype.  They have series resonant
  127. branches to ground with parallel resonant circuits coupling them.
  128.  
  129.               The Lowpass Prototypes
  130.  
  131.     The algorithms used for the calculation of Butterworth and 
  132. Chebychevs give greater flexibility to filters with odd order (in a LP/
  133. HP filter, this is the number of components).  After autocalculation of 
  134. filter order, the user is offered the option of increasing the order of
  135. even order filters to get this flexibility.  With the Butterworth and 
  136. Chebychev minimum inductor filters designed by the program, this 
  137. corresponds to the addition of one cap to the lowpass prototype.  This
  138. also means an extra inductor in BP and BR topologies.
  139.  
  140.     The reason for this is that true Chebychev filters of even order
  141. can not have equal source and load resistances.  Users familiar with 
  142. the various tables for the design of these filters will have seen that
  143. for even order filters, the RS/RL ratios rarely include 1.0000; if they
  144. do, the filter is a pseudo-Chebychev synthesized by some other technique.
  145.  
  146.     My way of dealing with this is to implement Bartlett's Bisection
  147. Theorem on odd order filters.  This will allow matching to other loads.
  148. Because of how this method works, the range of RL to RS is probably from
  149. .1 RS to 10 RS; the ultimate limit is dependent on how realizable the
  150. components are.  (As is the case with all filters!)  Of course, most RF 
  151. filters are designed for equal terminations, in the range of 30 to 300 
  152. Ohms.
  153.  
  154.               Elliptic LP and HP Filters
  155.  
  156.     The elliptic filter module synthesizes symmetrically terminated
  157. filters.  The user specifies the filter in terms of the number of
  158. finite transmission zeroes and desired attenuation.  Alternatively, the
  159. program will estimate the number of zeroes required, given the rejection
  160. and ripple requirements.  This calculation is based on a method shown by 
  161. Darlington in 1939, and published again by Orchard in 1990.  
  162.  
  163.     Those familiar with elliptic filters are aware that they are 
  164. selected on the basis of the ripple in the passband and stopband.  This
  165. elliptic filter calculation algorithm only asks for the number of zeroes 
  166. in the stopband and the amount of ultimate rejection.  Thus, the user
  167. doesn't have as much control as he does with very extensive tables, as
  168. in Zverev.  The routine that estimates the order of the filter finds the 
  169. smallest number of zeroes that will make the stopband attenuation.  It can
  170. sometimes result in a filter with a smaller number of components, but with
  171. excessive ripple in the stopband.  I personally almost always add one zero 
  172. to its estimate without bothering to try the number of zeroes suggested. 
  173. This will generally result in a low ripple filter that meets spec.s.  There  
  174. may well be more trial and error involved in designing an elliptic filter
  175. than in designing other filters.
  176.  
  177.     The algorithm for the calculation of Elliptic filters is from 
  178. Amstutz in IEEE Transactions on CAS for 12/78.  The method was further
  179. advanced by Cuthbert in 1983 ("Circuit Design Using Personal Computers",
  180. published by Wiley).  FilDes uses the first known Pascal implementation 
  181. of this algorithm.
  182.  
  183.              Touchstone(c) .CKT files
  184.  
  185.     Version 1.2 introduces the option of saving your filter design
  186. into an EESOF Touchstone(c) .CKT format file.  This format is a "psuedo-
  187. standard" way of documenting a circuit that can be used by some other
  188. design software, including the HP Microwave Design System.  Beginning 
  189. with this version, all filters now offer the option "(S)ave to file,
  190. (P)rint or (C)ont" after presenting the screen data.  This allows you
  191. to choose not to save the filter if you don't like it.  You may continue
  192. to print to hardcopy if you desire.   FilDes assumes any key other than
  193. s or p is a Continue command.
  194.  
  195.     The file writing module asks for a filename, but will assign the
  196. name FILDES.CKT if you don't provide one.  If you provide a name, it will
  197. check to see if the file exits.  If it does, the program will alert you
  198. and offer you another chance to name it.  If you don't change the name,
  199. it will overwrite and destroy the old file.  IT DOES NOT DO THIS if you
  200. choose the default name, assuming that you don't care if it is overwritten.
  201. You may enter any valid DOS file name with extension and path, for example:
  202. C:\eesof\myckts\test.ckt, and fildes will use it.  If no path is given, 
  203. FilDes will write it in the existing directory.  If the path doesn't exist,
  204. you will be warned and prompted for the correct path.  You must enter the
  205. extension if you want it; FilDes will not provide one.
  206.  
  207.     The files that FilDes writes will run as is, but you will probably
  208. edit them for more or less frequency span and analysis points.  It is the 
  209. author's experience that much of a session with Touchstone (or other 
  210. programs) is spent setting up and alternating between analysis views.
  211.  
  212.     EESOF and Touchstone are registered trademarks and copyrights
  213. of EESOF corporation, of course.  HP is a registered trademark of the 
  214. Hewlett Packard Corporation.  The author has no connection with them.
  215. However, if they would like, they can "just send money".
  216.       
  217.  
  218.                 To Use The Program
  219.  
  220.     Answer the questions.  Many inputs are Y/N answers.  For these
  221. cases, upper or lower case answers are OK.  If you hit a "T", for example,
  222. the program generally decides it isn't the option it is looking for.  
  223. It is generally the same as typing "N".  Numerical inputs are generally 
  224. checked to see if they are in range, but this can't be always be done.  
  225. If the input is in error, such as entering a letter for a number, you 
  226. will be prompted for a correction, either by a beep and clearing of the 
  227. bogus input, by a written notice, or simply by not letting you continue.
  228.     
  229.     At any time you can break the program by typing Control-Break, 
  230. <CTRL-BRK>, or both Control and Break at the same time.  The program will
  231. enter an exit procedure that prints a large red window in the center area
  232. of the screen.  If the printer is not on line, that will be noted.  In
  233. other errors, you will get the error code which may or may not be of use
  234. to you.  
  235.  
  236.     While FilDes can help the newcomer produce filters that meet all
  237. requirements, there is no substitute for knowledge of the subject.  First
  238. time filter designers are urged to consult any of the many books on 
  239. the topic.  An excellent choice is "Electronic Filter Handbook" by A.B.
  240. Williams, published by McGraw-Hill.  The first or second edition of this
  241. book is a worthwhile addition to the filter designer's library.
  242.  
  243.                    BUG REPORTS
  244.  
  245.     Please direct bug reports, if any, or suggestions for improvement
  246. to Bob Lombardi at 407-727-6360, or internet blombardi@x102a.ess.harris.com.
  247. Mailing address is 1874 Palmer Dr. Melbourne, FL  32935
  248.                 
  249.                 Coming Attractions
  250.  
  251.     Planned upgrades are:
  252.  
  253.     Transformation of filter files: computation of dual filter,
  254. and possibly semi-lumped microstrip implementations.
  255.     Other types of filter responses: Bessel, Legendre, Gaussian,
  256. and transitional Butterworth-Thompson for example.      
  257.  
  258.     
  259.     Possible additions are:
  260.  
  261.     User selection of display colors
  262.     Schematic display of filters
  263.     Elliptic bandpass filters
  264.     Time domain filtering: delay equalizers
  265.     Active filters 
  266.  
  267.  
  268.                 Revision History
  269.  
  270. ver beta 
  271.     First cut at program.
  272.  
  273.     1.0
  274.  
  275.     Added loss calculations for BP filters.  Added ripple vs 3 dB BW
  276.     choice for Chebychev filters.  Added elliptic filter order 
  277.     estimation.  Changed opening window to select filter type with
  278.     highlighted text window.
  279.  
  280. ver 1.10
  281.  
  282.     Changed user interface in the ladder filter section.  Selection of 
  283.     filter type by highlighted text window.
  284.  
  285. ver 1.11
  286.   
  287.     Fixed bug that sometimes interfered with "Do another filter?"
  288.     option.  Fixed bug that showed too much loss for the wideband    
  289.     bandpass filters.  (Thanks Wayne!)  Added printer-dump support.
  290.  
  291. ver 1.12
  292.  
  293.     Worked on user interface in all modules.  Added user break option 
  294.     to escape without completing the filter input, and custom exit
  295.     procedure for DOS errors.  
  296.  
  297. ver 1.13
  298.  
  299.     Found and corrected a bug in the Chebychev rbw/3db bw option that 
  300.     wouldn't allow you to change from rbw to 3db bw on successive filters.
  301.     
  302. ver 1.14
  303.     
  304.     Added the design BW type for Chebychev filters to the bottom-of-
  305.     screen window; ripple or 3dB is now displayed with the other 
  306.     parameters for the filter.  Cleaned up user interface in the NBP 
  307.     filter module.  Cleaned up display for custom error procedure, 
  308.     giving it its own window.
  309.  
  310. ver 1.20
  311.  
  312.     Largest additions to date.  Added saving Touchstone(c) .CKT files
  313.     on disk.  Fixed scaling problems in BandReject filters.
  314.  
  315.  
  316.