Разработка програмного обеспечения для расчёта дисперсионной характеристики планарного волновода

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Разработка програмного обеспечения для расчёта дисперсионной характеристики планарного волновода

Разработка програмного обеспечения для расчёта дисперсионной характеристики планарного волновода

29

Федеральное агентство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

Применение методов вычислительной математики

Пояснительная записка к курсовой работе по информатике

РЕФЕРАТ.

Курсовая работа 26 с., 9 рис., 2 источника, 3 приложения.

МЕТОД ДИХОТОМИИ, ДИСПЕРСИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, НАПРАВЛЯЮЩИЕ УГЛЫ, ПЛАНАРНЫЙ ВОЛНОВОД, ПРОФИЛИ ТЕ-МОД.

Объектом исследования является асимметричный планарный волновод, предназначенный для распространения в нём ТЕ-мод.

Цель работы - разработка програмного обеспечения для расчёта дисперсионной характеристики планарного волновода, нахождения направляющих углов для ТЕ-мод и построения соответствующих им профилей.

В процессе работы реализована программа для расчёта дисперсионной характеристики планарного волновода, отработана методика нахождения корней уравнений численными методами.

В результате исследования получены зависимости количества, направляющих углов и профилей ТЕ-мод от характеристик волновода и длины волны излучения.

Пояснительная записка к дипломной работе выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2002.

"УТВЕРЖДАЮ"

Зав.каф.

________.

"___" г.

ЗАДАНИЕ № 9

на курсовую работу по дисциплине "ИНФОРМАТИКА"

студенту гр.

(фамилия, имя, отчество)

1. Тема работы: применение методов вычислительной математики

2. Срок сдачи работы на кафедру -

3. Содержание работы и сроки выполнения работы:

3.1. Изучение задания и рекомендованной литературы - 2я неделя.

3.2. Разработка алгоритма решения и составление схемы алгоритма - 4я неделя.

3.3. Составление программы для решения задачи в пакете MATHCAD - 7я неделя.

3.4. Написание программы и создание пользовательского интерфейса в среде программирования “Borland Delphi”. - 10я неделя.

3.5. Отладка программы на ПК. - 12я неделя.

3.6. Выполнение вычислений на ПК. - 14я неделя.

3.7. Оформление пояснительной записки в соответствии с требованиями к оформлению курсовых работ. - 15я неделя.

4. Рекомендуемая литература:

4.1. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. - М.: Финансы и статистика, 1990г, - 240с.

4.2. Сергиевский М.В., Шалашов А.В., Турбо Паскаль 7.0., Язык, среда, программирования. - М.: Машиностроение. - 1994. - 254с.

4.3. Мудров А.Е., Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. - Томск : МП "РАСКО", 1991. - 272с.

4.4. Дьяконов В.П. Система MathCAD: Справочник, - М.: Радио и связь, 1993. - 128с.

4.5. Кудрявцев Е.М. Mathcad2000 Pro: - М.: ДМК Пресс, 2001. - 576 с.: ил.

5. Дополнительную литературу студент ищет самостоятельно в зависимости

от темы и сложности задания.

6. Исходные данные:

Определить профили мод ТЕ в планарном волноводе, если профиль компоненты Еу задан в трех слоях как:

, x0

,

где - поперечные волновые числа 1, 2 и 3-й сред соответственно.

6.2.Дисперсионная характеристика для ТЕ-мод в планарном волноводе задается выражением:

где n1, n2, n3 - показатели преломления трех сред;

m - порядок моды;

и - угол падения луча на границу раздела сред;

d - толщина волноводного слоя;

- длина волны света в вакууме.

- Построить семейство диспесионных характериситик для заданных значений n1, n2, n3, ;

- Для заданного значения d определить количесвто направляемых мод и соответствующие углы ввода для каждой из них;

- Построить профили ТЕ мод распрастроняющихся в волноводе с заданными конструктивными параметрами.

6.3. Пункт 6.1.-6.2. повторить на пакете MATHCAD.

- Точность вычислений обеспечить не хуже 10-3.

- Ввод исходных данных организовать с помощью меню.

7. Состав пояснительной записки:

7.1. Титульный лист.

7.2. Аннотация.

7.3. Лист задания с подписью преподавателя.

7.4. Содержание.

7.5. Введение. Постановка задачи.

7.6. Математическое описание используемого метода для решения задачи. Кратко, понятно, лаконично изложение теории.

7.7. Описание алгоритма решения задачи и схема алгоритма.

7.8. Описание программы. Результаты решения.

7.9. Интерпретация результатов и выводы по проделанной работе.

7.10. Список используемой литературы.

7.11. Распечатка программы с комментариями (в виде приложения).

8. Отчетность по работе:

8.1. В ходе выполнения работы - отчетность по фактическому материалу в рабочей тетради ( в соответствии со сроками выполнения основных этапов, указанных в п.3).

8.2. Пояснительная записка, в обязательном порядке со всеми разделами по п.7. без исключения.

8.3. На дискете - передается: файл программы, подробное описание программы.

8.4. После оформления пояснительной записки - защита на кафедре.

Дата выдачи задания .

Подпись руководителя _____________

Подпись студента _____________

5. Результаты решения, их интерпретация и выводы по проделанной работе.

5.1. результаты работы программы.

Расчёты проводились при следующих исходных данных:

При таких введённых параметрах программа рассчитала следующую дисперсионную характеристику:

Подсчитанные направляющие углы составили:

И при этих углах программа построила вот такие профили ТЕ-мод:

5.2. Результаты проверки в пакете «MathCAD».

При аналогичных исходных данных «MathCAD» выдал следующие результаты:

Полный листинг решения поставленной задачи в пакете «MathCAD» приведён в приложении С.

5.3. Интерпретация результатов и выводы по проделанной работе.

Проведя сравнительный анализ результатов, полученных при помощи написанной в «Delphi» программы и пакета «MathCAD», мы видим их полное совпадение в пределах заданной погрешности. Кроме того, конечные результаты, а именно профили ТЕ-мод, совпадают со справочными:

Из этого можно сделать вывод, что поставленная задача была решена мною верно и в полном объёме. Я не только создал конечный програмный продукт, ограниченно пригодный для практического использования, но и получил практические навыки программирования в объектно ориентированной среде «Delphi».

6. Список используемой литературы:

1. «Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль». А.Е.Мудров - МП «Раско», Томск, 1992г, 270с.

2. «Оптические волны в кристаллах». А. Ярив, П. Юх - издательство «Мир», Москва, 1987г, 616с.

Приложение А.

Блок-схема тела основной программы.

nn1,nn2,nn3 - показатели преломления, исходные данные, вводимые пользователем;

dd - толщина волновода, вводится пользователем;

wll - длина волны используемого света, вводится пользователем.

Блок-схема Процедуры «OnChanging».

AllowChange - свойство объекта TPageControl, отвечающее за разрешение/неразрешение смены закладки;

mtInformation - информационное окно, уведомляющее пользователя о том, что он ввёл не все исходные данные.

Блок-схема Процедуры «OnChange».

i - переменная типа boolean, которая отвечает за то, будет ли при смене закладки осуществлён пересчёт;

chart1 - график, отображающий дисперсионную характеристику волновода;

chart2 - график, отображающий профили ТЕ-мод;

stringgrid1 - таблица, которая по ходу выполнения программы заполняется значениями направляющих углов;

n - переменная типа byte, соответствующая порядку моды;

a, b - переменные, задающие диапазон, на котором производится уточнение направляющих углов;

dwl - функция, задающая дисперсионную характеристику волновода (численно равна правой части уравнения (3.1));

dix - процедура, осуществляющая одну итерацию метода дихотомии;

k - вспомогательная переменнная типа integer, используемая для построения графика;

f(k), g(k) - функции от k, выступающие в роли аргумента для других функций;

e1, e2, e3 - функции, определяющие профиль моды в различных средах.

Блок-схема процедуры «dix».

х1, х2, хm - крайние и среднее значения интервала, на котором производится уточнение корня;

y1, y2 ym - значения уточняемой функции от x1, x2 и xm соответственно;

xx1, xx2 , xxm - новые крайние и среднее значения интервала, полученные после его уменьшения вдвое.

Приложение В.

Модуль формы Form1.

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, jpeg, ComCtrls, TeEngine, Series, TeeProcs,

Chart,math, Grids, Menus;

type

TForm1 = class(TForm)

PageControl1: TPageControl;

TabSheet1: TTabSheet;

TabSheet2: TTabSheet;

Label1: TLabel;

Label2: TLabel;

Label3: TLabel;

Label4: TLabel;

Label5: TLabel;

Label6: TLabel;

Image1: TImage;

Image2: TImage;

Edit1: TEdit;

Edit2: TEdit;

Edit3: TEdit;

Edit4: TEdit;

Edit5: TEdit;

TabSheet3: TTabSheet;

Chart1: TChart;

TabSheet4: TTabSheet;

Chart2: TChart;

StringGrid1: TStringGrid;

MainMenu1: TMainMenu;

File1: TMenuItem;

Exit1: TMenuItem;

Help1: TMenuItem;

About1: TMenuItem;

Label7: TLabel;

Label8: TLabel;

Label9: TLabel;

Label10: TLabel;

Label11: TLabel;

Label12: TLabel;

procedure Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

procedure Edit2KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

procedure Edit3KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

procedure Edit4KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

procedure Edit5KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

procedure PageControl1Changing(Sender: TObject;

var AllowChange: Boolean);

procedure PageControl1Change(Sender: TObject);

procedure FormActivate(Sender: TObject);

procedure Exit1Click(Sender: TObject);

procedure About1Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

i:boolean;

nn1,nn2,nn3,dd,wll:real;

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

uses Unit4;

{$R *.dfm}

procedure TForm1.Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

begin

case key of

'0'..'9', chr(8): ;

'-': if length(edit1.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(45);

'.': if pos(',',edit1.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

',': if pos(',',edit1.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

else key:=chr(0);

end;

end;

procedure TForm1.Edit2KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

begin

case key of

'0'..'9', chr(8): ;

'-': if length(edit2.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(45);

'.': if pos(',',edit2.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

',': if pos(',',edit2.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

else key:=chr(0);

end;

end;

procedure TForm1.Edit3KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

begin

case key of

'0'..'9', chr(8): ;

'-': if length(edit3.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(45);

'.': if pos(',',edit3.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

',': if pos(',',edit3.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

else key:=chr(0);

end;

end;

procedure TForm1.Edit4KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

begin

case key of

'0'..'9', chr(8): ;

'-': if length(edit4.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(45);

'.': if pos(',',edit4.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

',': if pos(',',edit4.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

else key:=chr(0);

end;

end;

procedure TForm1.Edit5KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

begin

case key of

'0'..'9', chr(8): ;

'-': if length(edit5.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(45);

'.': if pos(',',edit5.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

',': if pos(',',edit5.text)<>0 then key:=chr(0) else key:=chr(44);

else key:=chr(0);

end;

end;

procedure TForm1.PageControl1Changing(Sender: TObject;

var AllowChange: Boolean);

begin

allowchange:= tschng(strtofloat(edit1.text),strtofloat(edit2.text),strtofloat(edit3.text),strtofloat(edit4.text),strtofloat(edit5.text));

end;

procedure TForm1.PageControl1Change(Sender: TObject);

//основная процедура программы, привязанная к смене закладки

//по её ходу и осуществляются все вычисления и построение графиков

var

n:byte;

k:integer;

a,b,c,f:real;

begin

nn1:=strtofloat(edit1.text);

nn2:=strtofloat(edit2.text);

nn3:=strtofloat(edit3.text);

dd:=strtofloat(edit4.text)/1000000;

wll:=strtofloat(edit5.text)/1000000000;

if pagecontrol1.activepage=(tabsheet1) then

begin

i:=false;

chart1.RemoveAllSeries;

chart2.RemoveAllSeries;

stringgrid1.rowcount:=(2);

stringgrid1.Height:=(52);

stringgrid1.Cells[0,1]:=(' ');

stringgrid1.Cells[1,1]:=(' ');

end

else

begin

if i=false then

begin

n:=0;

while dwl(n,(arcsin(nn1/nn2)+0.00005),nn1,nn2,nn3)<(dd/wll) do

begin

a:=(arcsin(nn1/nn2)+0.001);

b:=(pi/2-0.001);

c:=(a+b)/2;

while (abs(dwl(n,a,nn1,nn2,nn3)-dwl(n,b,nn1,nn2,nn3))>0.001) or (abs(a-b)>0.001) do

begin

dix(a,b,c,(dwl(n,a,nn1,nn2,nn3)-(dd/wll)),(dwl(n,b,nn1,nn2,nn3)-(dd/wll)),(dwl(n,c,nn1,nn2,nn3)-(dd/wll)),a,b,c);

end;

stringgrid1.Cells[0,n+1]:=floattostr(n);

stringgrid1.Cells[1,n+1]:=floattostr(a);

stringgrid1.RowCount:=(stringgrid1.RowCount+1);

if n<14 then stringgrid1.Height:=(stringgrid1.Height+26);

n:=n+1;

end;

stringgrid1.RowCount:=(stringgrid1.RowCount-1);

stringgrid1.Height:=(stringgrid1.Height-26);

for n:=0 to (stringgrid1.RowCount-2) do

begin

Chart1.AddSeries( TlineSeries.Create( Self ) );

chart1.Serieslist[n].SeriesColor:=chart1.getfreeseriescolor(false);

for k:=0 to 269 do

begin

f:=(arcsin(nn1/nn2)+k*(((pi/2)-0.001-arcsin(nn1/nn2))/300));

chart1.Series[n].AddXY(k,dwl(n,f,nn1,nn2,nn3),'',clteecolor);

end;

end;

Chart1.AddSeries( TlineSeries.Create( Self ) );

for k:=1 to 269 do

begin

chart1.Series[chart1.SeriesCount-1].AddXY(k,(dd/wll),'',clteecolor);

end;

for n:=0 to (stringgrid1.RowCount-2) do

begin

Chart2.AddSeries( TlineSeries.Create( Self ) );

chart2.Serieslist[n].SeriesColor:=chart2.getfreeseriescolor(false);

for k:=(-99) to 0 do

begin

chart2.Series[n].AddXY(k,e1(wll,dd,nn1,nn2,nn3,strtofloat(stringgrid1.Cells[1,n+1]),(k*dd/100)),'',clteecolor);

end;

for k:=0 to 99 do

begin

chart2.Series[n].AddXY(k,e2(wll,dd,nn1,nn2,nn3,strtofloat(stringgrid1.cells[1,n+1]),(k*dd/100)),'',clteecolor);

end;

for k:=100 to 199 do

begin

chart2.Series[n].AddXY(k,e3(wll,dd,nn1,nn2,nn3,strtofloat(stringgrid1.Cells[1,n+1]),(k*dd/100)),'',clteecolor);

end;

end;

label7.Caption:=floattostrf(arcsin(nn1/nn2),ffgeneral,3,3);

label8.caption:=floattostrf((pi/2-0.001-(pi/2-arcsin(nn1/nn2))/300),ffgeneral,3,3);

label10.Caption:=floattostr(-dd*1000000);

label11.Caption:=floattostr(2*dd*1000000);

i:=true;

end;

end;

end;

procedure TForm1.FormActivate(Sender: TObject);

begin

i:=false;

stringgrid1.Cells[0,0]:=('Порядок');

stringgrid1.Cells[1,0]:=('Угол (рад)');

end;

procedure TForm1.Exit1Click(Sender: TObject);

begin

close;

end;

procedure TForm1.About1Click(Sender: TObject);

begin

messagedlg('Курсовая работа по информатике, ТУСУР,'

+#13+' 1 курс, специальность 210405.'

+#13+' Выполнил студент группы 164'

+#13+' Филатов Александр.', mtinformation, [mbOK],0);

end;

end.

Вспомогательный модуль, содержащий математические процедуры и функции.

unit Unit4;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, jpeg, ComCtrls, TeEngine, Series, TeeProcs,

Chart,math;

function tschng(n1,n2,n3,d,wl:real):boolean;

function dwl(m:byte; tetta,n1,n2,n3:real):real;

function q(wl,tetta,n2,n1:real):real;

function h(wl,tetta,n2:real):real;

function p(wl,tetta,n2,n3:real):real;

function e1(wl1,d1,n11,n21,n31,tetta1,x1:real):real;

function e2(wl2,d2,n12,n22,n32,tetta2,x2:real):real;

function e3(wl3,d3,n13,n23,n33,tetta3,x3:real):real;

procedure dix(x1,x2,xm,y1,y2,ym:real; var xx1,xx2,xxm:real);

implementation

function tschng(n1,n2,n3,d,wl:real):boolean;

//осуществляет проверку исходных данных на полноту

begin

if (n1=0) or (n2=0) or (n3=0) or (d=0) or (wl=0) then

begin

messagedlg('Вы должны ввести значения всех параметров!', mtinformation, [mbOK],0);

tschng:=(False);

end

else

tschng:=(True);

end;

function dwl(m:byte; tetta,n1,n2,n3:real):real;

//функция дисперсионной характеристики волновода

var

aa,bb,cc,dd: real;

begin

aa:= sqrt(1-sqr(sin(tetta)));

aa:= 1/(2*pi*n2*aa);

bb:= sqrt(sqr(n2*sin(tetta))-sqr(n3));

cc:= sqrt(sqr(n2*sin(tetta))-sqr(n1));

dd:= n2*sqrt(1-sqr(sin(tetta)));

dwl:=aa*(arctan(bb/dd)+arctan(cc/dd)+pi*m);

end;

function q(wl,tetta,n2,n1:real):real;

//функция, вычисляющая волновое число q

begin

q:=(2*pi*sqrt(sqr(n2*sin(tetta))-n1*n1))/wl;

end;

function h(wl,tetta,n2:real):real;

//функция, вычисляющая волновое число h

begin

h:=(2*pi*cos(tetta)*n2)/wl;

end;

function p(wl,tetta,n2,n3:real):real;

//функция, вычисляющая волновое число p

begin

p:=(2*pi*sqrt(sqr(n2*sin(tetta))-n3*n3))/wl;

end;

function e1(wl1,d1,n11,n21,n31,tetta1,x1:real):real;

//функция, задающая профиль Еу ТЕ моды при условии х<=0

begin

e1:=exp(q(wl1,tetta1,n21,n11)*x1);

end;

function e2(wl2,d2,n12,n22,n32,tetta2,x2:real):real;

//функция, задающая профиль Еу ТЕ моды при условии 0<х<d

begin

e2:=(q(wl2,tetta2,n22,n12)/h(wl2,tetta2,n22))*(sin(x2*h(wl2,tetta2,n22))+(h(wl2,tetta2,n22)/q(wl2,tetta2,n22,n12))*cos(h(wl2,tetta2,n22)*x2));

end;

function e3(wl3,d3,n13,n23,n33,tetta3,x3:real):real;

//функция, задающая профиль Еу ТЕ моды при условии х>=d

begin

e3:=(q(wl3,tetta3,n23,n13)/h(wl3,tetta3,n23))*(sin(d3*h(wl3,tetta3,n23))+(h(wl3,tetta3,n23)/q(wl3,tetta3,n23,n13))*cos(h(wl3,tetta3,n23)*d3))*exp(-p(wl3,tetta3,n23,n33)*(x3-d3));

end;

procedure dix(x1,x2,xm,y1,y2,ym:real; var xx1,xx2,xxm:real);

//процедура, осуществляющая 1 итерацию метода дихотомии

begin

if (y1*ym)<0 then

begin

xx1:=x1;

xx2:=xm;

xxm:=(x1+xm)/2;

end;

if (ym*y2)<0 then

begin

xx1:=xm;

xx2:=x2;

xxm:=(xm+x2)/2;

end;

end;

end.

Приложение c.