JPH11175588A

JPH11175588A - 電気回路用最適素子値演算装置、電気回路用最適素子値演算方法、及び電気回路用最適素子値演算プログラムを記録した記録媒体

Info

Publication number: JPH11175588A
Application number: JP9362274A
Authority: JP
Inventors: Masa Onishi; 雅大西
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】電気回路の最適化設計において、計算時間の
短縮及び最適素子値の精度向上を図る。【解決手段】製品の実際の素子値として存在する値を
要素とする配列を定義する。ランダム法などの誤差評価
関数の計算法に従って配列の要素の中から所定の素子値
を選択する。こうして選択された素子値に基づいて誤差
評価関数値の計算を所定の終了条件に達するまで、繰り
返し、誤差評価関数値の最小値に係る素子値を最適素子
値として採用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気回路の最適
化設計において最適素子値を演算する装置、方法、及び
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気回路における抵抗、コンデンサ、及
びインダクタなどの素子値を周波数特性などの与えられ
た仕様から決定する場合、計算機を使用して設計するた
めの手法として最適化設計というものがある。最適化設
計とはある素子値（ｖi）における誤差評価関数（例え
ば、希望周波数特性とその素子値におけるｎ個の評価ポ
イントにおける重み付き誤差絶対値又は２乗の和。それ
ぞれ図５（５１）式及び（５２）式として記載されてい
る。さらに、図５の（５３）式のような誤差評価関数も
周知である。なお、誤差評価関数は、『評価式』や単な
る『関数』、また『誤差関数』などの他の呼び名もあ
る。）が最小となる素子値を求めることである。素子値
の求め方としてはランダム法、最急降下法、シンプレッ
クス法などの計算法が用いられるが、これらはいずれも
素子値をある範囲内で振らせて（各計算法の違いは振ら
せ方の違いである。）、誤差評価関数値を計算し、これ
を最小にする素子値を最適素子値として求める方法であ
る。素子値に高い精度を要求する場合は長い計算時間が
必要とされ、逆に計算時間が限定されるときは、精度を
犠牲にせざるを得ないが、いずれにしても従来法では、
素子値はある範囲内の実数値で振らせている。

【０００３】図１は電気回路の素子値についてのランダ
ム法による最適化設計のフローチャートである。Ｓ１０
において、素子値設定が行われ、ランダム法による従来
の最適化設計では、例えば3.45088e-6（e-6は１０の−
６乗を意味する。以降、e及びその後の数字nは１０のn
乗を意味するものとする。）などの実数値が設定され
る。素子値を求める素子を例えばインダクタンスとし
て、Ｓ１０における素子値設定法を説明する。インダク
タンスとしてNL322522タイプ（ＴＤＫ製）を使用した場
合、その最小値と最大値との範囲内、すなわち0.01[μ
Ｈ]〜470[μＨ]の範囲内で対数変化させることになる。
インダクタンス値は下記（１）のＢＡＳＩＣプログラム
で生成される。 L=10^(rnd*(log(470)-log(0.01))+log(0.01))・・・（１）ここで、rndは０から１の間の実数値をランダムに生成
する関数、logは常用対数、Lは、インダクタンスであ
り、単位は[μＨ]である。また、^はべき乗を意味す
る。rnd*(log(470)-log(0.01))+log(0.01)によりlog(0.
01)からlog(470)までの範囲内の任意の実数のランダム
値を作っている。例えば、rnd=0.54321の場合、L=3.450
88[μＨ]となる。抵抗値、容量値も同様にして考えるこ
とができる。範囲が狭い場合は、（１）式のような対数
変化に代えて、次の（２）式のような線形変化を採用す
ることもできる。 L=rnd*(10-2.2)+2.2・・・（２）上記の（２）式では、Lは2.2[μＨ]から10[μＨ]まで変
化する。

【０００４】Ｓ１１で評価関数を計算した後、Ｓ１２
で、これまでの最小値とその最小値を与える素子値を記
憶装置18に記憶しておく。Ｓ１３におけるランダム法の
終了条件としては、通常は計算回数を指定する。そして
終了条件を満足した場合、Ｓ１４で、記憶装置18におい
て記憶されている素子値を出力する。次の（３）は、抵
抗、コンデンサ、及びインダクタについて、求められた
最適値（誤差関数を最小にする素子値）を例示してい
る。 652.236[Ω]、8972.62[ｐＦ]、7.325[μＨ]・・・（３）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように設
計値が実数値で求められたとしても、実際に回路を実現
する場合の素子値は実数値すべてに存在せず、Ｅシリー
ズ（Ｅ系列とも言う。ＥシリーズについてはＪＩＳ−Ｃ
５００１に定義がある。）の値しか存在しないため、Ｅ
シリーズの中から最も希望特性に近い素子値を選択する
ことになる。したがって、この段階で、素子値が最適値
から外れてしまうことになる。例えば、上記（３）の最
適値をＥ１２シリーズから選んだ場合の誤差は下記
（４）のようになる。下記において、→の左側の数値は
Ｓ１４で最適値として出力された値（以下、「プログラ
ム出力素子値」と言う。）、右側の数値は、Ｅシリーズ
に素子値として存在するものの中から左側の数値に最も
近いものとして選択した素子値（以下、「選択素子値」
と言う。）、（）内はプログラム出力素子値に対する
選択素子値の誤差である。抵抗値：652.236[Ω]→680[Ω](+4.3%)，容量値：8972.62[ｐＦ]→8200[ｐＦ](( -8.6%)，インダクタンス値：7.325[μＨ]→6.8[μＨ](-7.2%)・・・（４）

【０００６】このように選択された選択素子値に対し
て、電気回路の特性によっては、より離れたＥシリーズ
値を使用することにより、希望する特性に近くなる場合
もある。例えば図６の希望周波数特性をもつＬＣ並列共
振回路の場合に、図７に、Ｅ１２シリーズで設計したと
きと実数値で設計したときとを対比して示すように、実
数値で設計したときは、プログラム出力素子値に基づく
ＬＣの選択素子値はそれぞれ10[μＨ]と2.2[nF]になる
が、Ｅ１２シリーズで設計した場合は、10[μＨ]と2.7
[uF]が最も評価関数値が良い。

【０００７】さらに、実数値を用いると、ある範囲の実
数値の数は理論的には無限に存在することになる。すな
わち評価関数がほとんど変わらないような素子値のわず
かな変化でも、計算機では異なった値と認識されるた
め、結果として場合の数が非常に多く存在することにな
る。これは多数の場合を計算する数値計算で解を求める
場合には効率が非常に悪いと言える。

【０００８】この発明の目的は、上述の問題点を克服す
る電気回路用最適素子値演算装置、電気回路用最適素子
値演算方法、及び電気回路用最適素子値演算プログラム
を記録した記録媒体を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の電気回路用最
適素子値演算装置は次の（ａ）〜（ｆ）を有している。（ａ）最適素子値を求めようとする素子を少なくとも１
個含む電気回路についてその周波数特性に係る誤差評価
関数を設定する誤差評価関数設定手段（ｂ）最適素子値を求めようとする素子について製品の
素子値として実際に存在する素子値を要素とする配列を
定義する配列定義手段（ｃ）誤差評価関数の計算法に従って素子についての配
列の要素の中から素子値を選択する素子値選択手段（ｄ）素子値選択手段により選択された素子値に基づい
て誤差評価関数値を計算する誤差評価関数計算手段（ｅ）誤差評価関数値計算の終了条件になるまで素子値
計算手段による素子値の選択と誤差評価関数計算手段よ
る誤差評価関数値の計算とを繰り返させる繰り返し指示
手段（ｆ）誤差評価関数値計算の終了条件が満たされると最
小の誤差評価関数値に係る素子値を最適素子値とする素
子値決定手段

【００１０】この発明の電気回路用最適素子値演算方法
は（ａ）〜（ｆ）の各処理を含んでいる。（ａ）最適素子値を求めようとする素子を少なくとも１
個含む電気回路についてその周波数特性に係る誤差評価
関数を設定する。（ｂ）最適素子値を求めようとする素子について製品の
素子値として実際に存在する素子値を要素とする配列を
定義する。（ｃ）誤差評価関数の計算法に従って素子についての配
列の要素の中から素子値を選択する。（ｄ）選択された素子値に基づいて誤差評価関数値を計
算する。（ｅ）誤差評価関数値計算の終了条件になるまで素子値
の選択と誤差評価関数値の計算とを繰り返させる。（ｆ）誤差評価関数値計算の終了条件が満たされると最
小の誤差評価関数値に係る素子値を最適素子値とする。

【００１１】この発明の電気回路用最適素子値演算プロ
グラムを記録した記録媒体は次の（ａ）〜（ｆ）の処理
をコンピュータに実行させるプログラムを記録してい
る。（ａ）最適素子値を求めようとする素子を少なくとも１
個含む電気回路についてその周波数特性に係る誤差評価
関数を設定する。（ｂ）最適素子値を求めようとする素子について製品の
素子値として実際に存在する素子値を要素とする配列を
定義する。（ｃ）誤差評価関数の計算法に従って素子についての配
列の要素の中から素子値を選択する。（ｄ）選択された素子値に基づいて誤差評価関数値を計
算する。（ｅ）誤差評価関数値計算の終了条件になるまで素子値
の選択と誤差評価関数値の計算とを繰り返させる。（ｆ）誤差評価関数値計算の終了条件が満たされると最
小の誤差評価関数値に係る素子値を最適素子値とする。

【００１２】誤差評価関数の計算法には、周知のランダ
ム法、最急降下法、及びシンプレックス法などが含まれ
る。誤差評価関数値計算の終了条件には、ランダム法で
は、例えば（１）ｎ回以上の計算がなされたこと、
（２）新たに見出された誤差評価関数値の最小値がそれ
までの最小値に対して１％以下の変化率となったこと、
（３）新たに見出された誤差評価関数値の最小値を与え
る素子値が、それまでの誤差評価関数値の最小値を与え
る素子値に対して１％以下の変化率となったことなどが
ある。また、最急降下法の誤差評価関数値計算の終了条
件には、（１）今回の誤差評価関数値の最小値が前回の
最小値に対して１％以下の変化率となったこと、（２）
今回の誤差評価関数値の最小値を与える素子値が、前回
の誤差評価関数値の最小値を与える素子値に対して１％
以下の変化率となったことなどがある。電気回路用最適
素子値演算プログラムを記録した記録媒体には、ＣＤ−
ＲＯＭやフロッピディスクなどが含まれる。また、その
プログラムをインストール済みのＨＤ（ハードディス
ク）なども含まれる。

【００１３】最適素子値を求めようとする素子が電気回
路に複数個ある場合は、各素子について配列が定義さ
れ、各配列の要素の中から各素子についての素子値の選
択が行われる。

【００１４】従来は、素子値の範囲の最小値と最大値と
の間で乱数（ほぼ無限大に存在する。）を発生させて、
その乱数を設計電気回路の誤差評価関数に代入して、所
定の終了条件が満たされるまで、誤差評価関数の計算を
繰り返していたのに対し、この電気回路用最適素子値演
算方法及び方法では、製品として実際に存在する素子値
（以下、「製品素子値」と言う。）の中からランダムに
選択した素子値を誤差評価関数に代入することになるの
で、繰り返し計算回数を少なくして、したがって計算時
間を短縮して、最適素子値を探し出すことができる。

【００１５】従来の電気回路用最適素子値演算装置及び
方法では、計算機が最適素子値として算出したプログラ
ム出力素子値は、通常、製品素子値としては存在しない
ので、プログラム出力素子値に最も近い値の製品素子値
を探し出す処理が必要となるが、製品素子値に基づいて
誤差評価関数値の算出が行われる結果、計算機が出力し
た製品素子値を直ちに最適素子値として採用できる。

【００１６】従来は、素子値の範囲の最小値と最大値と
の間で乱数（ほぼ無限大に存在する。）を発生させて、
その乱数を設計電気回路の誤差評価関数に代入して、誤
差評価関数値を計算していたので、計算機が算出したプ
ログラム出力素子値に最も近い製品素子値としての選択
素子値と、誤差評価関数値を実際に最小値にする製品素
子値とがずれる場合が生じていたが、これを防止でき
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。誤差評価関数値の計算のため
に誤差評価関数に代入される素子値として、実際に製品
として存在する素子値、すなわち製品素子値が選択され
る。実現可能なＥシリーズ値（例えば市販されているイ
ンダクタンス値はNL322522タイプ（ＴＤＫ製）では0.01
[μＨ]〜470[μＨ]のＥ１２シリーズ５７種類）の範囲
内で変化させることになる。図３の（３１）のように、
配列変数Ｅ１２[ ]を５７個用意する。Dim Ｅ１２[56]
において、DimはＢＡＳＩＣの配列宣言であり、配列の
添え字は０から始まるので、５７個の変数確保のために
は５６を指定している。そして、図３の（３２）におい
て、別途Ｅ１２[ ]にすべての値を格納しておき、図３
の（３３）において、ランダム関数Rnd及び整数関数int
（小数点以下を切り捨てる関数。なお、*は掛け算を意
味する。）を使用して、添え字iをランダムに設定する
ことにより、配列内の要素を選択し、（３４）におい
て、素子値Lを決定する。図３は、インダクタンス値の
設定について示しているが、抵抗値、容量値についても
同様である。

【００１８】電気回路の最適化設計のプログラムとして
例えばＦＩＬＳＹＮ（商品名。米国ＤＧＳアソシエイツ
社が製造し、日本ではサイバネットシステム(株)が代理
店となっている。）がある。例えば、このＦＩＬＳＹＮ
に（３１）〜（３４）の部分を、新たに又は前述の
（１）や（２）に代えて組み込んで（（３１）〜（３
４）はインダクタンスに係るが、抵抗、容量についても
同様に、配列を定義する。組み込む部分は、ＢＡＳＩＣ
で数行程度で足りる。）、誤差評価関数値を計算する際
の素子値に、その配列の要素を適宜選択するようにすれ
ば、実際の製品素子値に基づく電気回路の最適化設計プ
ログラムを創出できる。

【００１９】図１のランダム法による最適化設計のフロ
ーチャートでは、Ｓ１０において、図３の（３３）及び
（３４）のように、抵抗、容量、及び/又はインダクタ
ンスのそれぞれについて製品素子値を要素とする配列を
定義して、その配列の要素の中から所定の製品素子値が
素子値として設定される。こうして、Ｓ１２において製
品素子値に基づいて誤差評価関数値が計算され、誤差評
価関数値がそれまでの最小値よりさらに小さい値となっ
ていれば、そのときの誤差評価関数値及び素子値を今ま
での誤差評価関数最小値及び素子値に代えて、記憶装置
18に記憶する。そして、Ｓ１３において。計算終了条
件、例えば計算回数がｎ以上に達したかを具備するかを
判定し、ＮＯであれば、Ｓ１０へ戻り、ＹＥＳであれ
ば、Ｓ１４へ進んで、記憶装置18において記憶していた
素子値を出力する。Ｓ１３における計算終了条件として
は、計算回数がｎ回に達したかの他に、例えば、（ａ）
Ｓ１２で新たな最小値が見つかったとき、それまでの最
小値に対して新しい最小値の変化率が１％以下か、及び
（ｂ）Ｓ１２で新たな最小値が見つかったとき、その最
小値に係る素子値が、それまでの最小値に係る素子値に
対して変化率が１％以下かなどがある。

【００２０】こうして、Ｓ１０において、製品素子値が
設定される結果、最適素子値を見つけるまでの計算回数
を低減することができる。例えば、前述のＦＩＬＳＹＮ
において、計算時間は、電気回路にもよるが、約１／１
０〜１／１００に短縮できる。また、Ｓ１４において出
力される最適素子値は、製品素子値となっているので、
そのまま電気回路の素子値として採用することができる
とともに、誤差評価関数値の計算は、製品素子値に基づ
いて行われるので、プログラム出力素子値に最も近い製
品素子値として採用した素子値よりも、他の製品素子値
の方が、実際には誤差評価関数の最小値を小さくしてい
るという事態を回避できる。

【００２１】図４はＥシリーズ（Ｅ系列）値を参考とし
て示している。図４の実数値は、抵抗値、容量値、及び
インダクタンス値の全部に当てはまり、例えば１．０
は、１０〜１００の範囲では、１０ｋΩ、１０ｐＦ、及
び１０μＨに対応する。例えば、E１２シリーズ値とは
１から１０までの範囲を対数的に１２個の値で表現する
もので、同様に１０から１００まで、１０００から１０
００などの範囲の値も１２個の値で表現されるものであ
る。Ｅ３、Ｅ６、Ｅ１２、Ｅ２４、Ｅ４８、Ｅ９６、Ｅ
１９２シリーズなどがあり、それぞれＪＩＳ−Ｃ５００
１で決められている。通常の受動電子部品の素子値はこ
れに従って定められている。設計する電気回路の素子と
して使用するシリーズに合わせて、配列の要素数を設定
する。

【００２２】図２は電気回路の素子値についての最急降
下法による最適化設計のフローチャートである。Ｓ２１
において初期値を設定する。例えば電気回路がＲＣＬ回
路であり、初期値をそれぞれＲ１，Ｃ１，Ｌ１とする。
前述の図３の（３１）〜（３４）式は、Ｌに関するもの
であるが、Ｒ，Ｃについても、（３１）〜（３４）と同
様にＲ１，Ｃ１を設定する。これにより、製品素子値の
中から初期値が選択されることになる。Ｓ２２では、各
素子の初期値に対して誤差評価関数の偏微分係数が最大
になる素子を探す。Ｓ２３では、Ｓ２２で検出した素子
について、素子値を、製品素子値の配列の要素の中で変
化させ、誤差評価関数が最小となる素子値を求め、これ
を記憶装置18に記憶する。例えば、Ｓ２３で探し求めた
素子が抵抗であり、Ｓ２４で誤差評価関数が最小値とな
る値がＲ２であるときは、記憶装置18にはＲ２，Ｃ１，
Ｌ１が記憶される。Ｓ２５において収束条件（＝終了条
件）を満たすか否かを判定し、ＮＯであれば、Ｓ２２へ
戻って、次は、Ｒ２，Ｃ１，Ｌ１について処理を続行す
る。これを何回か繰り返して誤差評価関数の変化が少な
くなってきたら、収束したと判断し、Ｓ２６へ進んで、
記憶装置18に記憶している値を出力する。Ｓ２５の収束
条件としては、例えば、（ａ）Ｓ２４で計算した誤差評
価関数値が前回の誤差評価関数値に対して１％以下の変
化率であること、（ｂ）Ｓ２４で求めた素子値が前回の
素子値に対して１％以下の変化率であることなどがあ
る。最急降下法は計算がやや複雑となるものの、初期値
が適切であれば、短時間で収束し、ランダム法より素子
値の精度が高くなる。また、初期値が収束時間に大きく
影響する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気回路の素子値についてのランダム法による
最適化設計のフローチャートである。

【図２】電気回路の素子値についての最急降下法による
最適化設計のフローチャートである。

【図３】製品素子値の中から１個の素子値を選択するＢ
ＡＳＩＣプログラムを例示する図である。

【図４】Ｅシリーズ値を参考として示す図である。

【図５】誤差評価関数の種々の例を示す図である。

【図６】ＬＣ並列共振回路の希望周波数特性を例示する
図である。

【図７】Ｅ１２シリーズで設計したときと実数値で設計
したときとを対比して示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）最適素子値を求めようとする素子
を少なくとも１個含む電気回路についてその周波数特性
に係る誤差評価関数を設定する誤差評価関数設定手段、
（ｂ）最適素子値を求めようとする素子について製品の
素子値として実際に存在する素子値を要素とする配列を
定義する配列定義手段、（ｃ）誤差評価関数の計算法に
従って素子についての前記配列の要素の中から素子値を
選択する素子値選択手段、（ｄ）前記素子値選択手段に
より選択された素子値に基づいて誤差評価関数値を計算
する誤差評価関数計算手段、（ｅ）誤差評価関数値計算
の終了条件になるまで前記素子値計算手段による素子値
の選択と前記誤差評価関数計算手段よる誤差評価関数値
の計算とを繰り返させる繰り返し指示手段、及び（ｆ）
誤差評価関数値計算の終了条件が満たされると最小の誤
差評価関数値に係る素子値を最適素子値とする素子値決
定手段、を有していることを特徴とする電気回路用最適
素子値演算装置。
【請求項２】（ａ）最適素子値を求めようとする素子
を少なくとも１個含む電気回路についてその周波数特性
に係る誤差評価関数を設定し、（ｂ）最適素子値を求め
ようとする素子について製品の素子値として実際に存在
する素子値を要素とする配列を定義し、（ｃ）誤差評価
関数の計算法に従って素子についての前記配列の要素の
中から素子値を選択し、（ｄ）選択された素子値に基づ
いて誤差評価関数値を計算し、（ｅ）誤差評価関数値計
算の終了条件になるまで素子値の選択と誤差評価関数値
の計算とを繰り返させ、（ｆ）誤差評価関数値計算の終
了条件が満たされると最小の誤差評価関数値に係る素子
値を最適素子値とする、ことを特徴とする電気回路用最
適素子値演算方法。
【請求項３】（ａ）最適素子値を求めようとする素子
を少なくとも１個含む電気回路についてその周波数特性
に係る誤差評価関数を設定し、（ｂ）最適素子値を求め
ようとする素子について製品の素子値として実際に存在
する素子値を要素とする配列を定義し、（ｃ）誤差評価
関数の計算法に従って素子についての前記配列の要素の
中から素子値を選択し、（ｄ）選択された素子値に基づ
いて誤差評価関数値を計算し、（ｅ）誤差評価関数値計
算の終了条件になるまで素子値の選択と誤差評価関数値
の計算とを繰り返させ、（ｆ）誤差評価関数値計算の終
了条件が満たされると最小の誤差評価関数値に係る素子
値を最適素子値とする、処理をコンピュータに実行させ
るための電気回路用最適素子値演算プログラムを記録し
た記録媒体。