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【北京培训资料】陈桥梁博士现场分享Mathcad 软件应用!在本帖提问题,...

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世纪电源网-九天
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  • 2015-4-16 09:32:00
        在刚刚结束的北京培训会上,中国电源学会新能源电源变换委员会委员陈桥梁博士为工程师分享了一些关于Mathcad 软件的在电源设计和电力电子电路分析中的应用。
                    现在,我们分享出来供大家讨论和交流,同时,大家有什么疑问也可以在这里提出来,陈桥梁博士会在工作之余为大家解答。
        

               陈桥梁 博士
      1979年7月生,2001年获西安交通大学电气工程学士学位,2004年获西安交通大学电气工程硕士学位,2008年获西安交通大学电力电子及电力传动工学博士学位。

        2007年至2009年担任台湾全汉集团(FSP-Group)西安分公司总监,2009年至2011年任博兰得电子科技西安分公司总监。
        2009年在美国弗吉利亚理工大学(Virginia Tech)电力电子系统中心(CPES)做访问学者研究。在IEEE国际学术期刊和国际会议上发表论文13篇,申请美国专利7项,中国专利17项。
        目前为IEEE会员,中国电源学会高级会员以及西安电源学会理事。主要研究和行业方向包括:光伏逆变器,高频高效开关电源和电力电子功率集成技术。

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        <<<<<<点此进入软件下载页面>>>>>>
        
         陈桥梁博士讲座视频        [url]http://www.tudou.com/programs/view/GjiqHTXxRxY/[/url]
         本文以下内容,为陈桥梁博士在北京培训中的演讲内容,由专业录入师在培训现场录入,后期整理完成:
        

        开关电源研发流程
         首先:电源有一个规格的需求,就是我们常说SPEC的需求,它通常来自于两个个方面,一个是法规的需求,另外就是来自市场和客户的需求,包括像体积、输出的电压、还有输入的PF值等其他的东西。
        
       第二步:我们根据这个SPEC要转化成实际的电源方案的设计上面的东西。我们通常在做的时候,会找一些比较熟悉的方案,所以很多公司在方案设计的地方所花的精力和时间不会太多;但是这个方面实际上非常重要,在一些比较大的公司像台达、华为,包括国外的艾默生,他们在这方面花的时间和精力非常多。这时会用到一些软件,这个软件也有助于我们更加方便更加节省时间去选择好的方案,我们在选择好的方案的时候有可能要去对比,在我们的样机没有出来的情况下,通过这种比较定量化的方法可以去对它的效率和元器件的选择做一些评估。

        
       第三点:做一些仿真分析,仿真分析的基础是来源于我们的方案设计的参数。像反激变换器的话,在方案设计里面我们通常要完成各个器件的电压电流应力,包括像变压器的一个设计,在方案筛选中我们用其他软件,像saber,spice等一些软件来做分析。第二步我们可以用到今天讲的Mathcad,我会重点给大家介绍一些设计方法。

        
       第四点:就是原理图和版图设计,这是基于我们有一套或是两套比较成熟的方案。
第五是样机制作,第六个是调试,就是我们说的Debug。之后会有一个测试,这个测试是我们研发部或者是其他的部门做的一个关于整个产品性能的综合测试。我相信这里面有很多公司会在第二步的时候,不管用什么方法,用纸和笔或是软件都会有一个初步的评估。

     【Mathcad常用的功能
         我后续主要会通过实际的软件进行演示,这里我先简单介绍一下Mathcad常用的功能。
      第一是计算的功能,Mathcad在打开界面的时候更像一张白纸,跟我们手写的界面很相似,软件对格式的需求也不是很严格,不像其他的软件比如Matlab,Matlab是需要输入一些代码,对格式的需求会非常的严格。Mathcad这种软件对格式的这方面的要求不是很多,并且能够比较好的进行符号运算,下一场张博士的培训里面会有很多公式,这个公式如果转换到Mathcad里面,对于大家以后的重复性计算,比如说这个电源进行重复设计的时候,由于公式是通用的,会节省大家很多的时间。
        
      第二是画图功能,可以画2D3D图,图形可以比较直观的看到每一步计算的结果,包括最终结果的对比和分析,这个分析是比较方便的。

        
      第三Mathcad具有运算复杂的程序功能,可以用到一些编程。像常用的开关电源波形是分段函数,需要用到一些编程或计算,有的甚至要解方程或者求极值,其中简单一些的可以在MAthcad的计算方面去完成,因为它有很多内置函数可以解方程或者求极值。而相对复杂一点的,可以在编程这个里面去做一些工作,大家如果熟悉C语言,这个编程也是很简单的。

        
      第四是数据分析功能。其实我们做电力电子这个行业用的不是很多,但是对示波器的波形做的一些分析,包括频率分析,公因数、谐波的分析,都是非常方便的。这大概是它的四个方面。

        

        

        --------------未完待续--------------------------

        如对本软件有什么问题,可在本帖提出,由陈桥梁博士进行回复!

        Mathcad 软件关活动:免费PTC MathCAD Prime 3.1 新版试用
                                                                 谈使用心得领取《Mathcad Prime 2.0基础与应用技巧》书籍!

        

        --------------演讲中所列举的案例---------------











本帖最后由 世纪电源网-编辑 于 2015-11-24 15:24 编辑

世纪电源网-九天
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  • 2015-4-16 09:35:31
 
我今天设计案例大概是分成五个部分,我准备的案例大概有几十个,所以今天的重点是演示而不具体讲Mathcad软件怎么用,Mathcad这个软件有非常详细的帮助文档,包括一些网络上可以下载的一些书籍可以看到,所以我重点讲的就是Mathcad在电路分析计算中的应用


第一:电路分析计算可能大家在刚学习开关电源的时候会去比较深一些了解公式,或者对反激变换器做一些简单设计时可以用到这方面东西;


第二:用于环路设计,开关电源中非常重要的部分。电路分析计算的话大家用纸和笔就可以算,但是环路分析一般会设计到波形图,还有曲线,包括要设计补偿器,这时用纸和笔的方式显得效率会比较低,或者做起来速度会比较慢,这个时候用Mathcad非常合适。


第三:针对完整的电源设计的案例,从它输入的条件,到最后我们把每一个元器件电流电压应力、效率可以初步做计算,因为很多器件的损耗模型是很清楚的,因此可以在设计电源实际的装置之前,比较准确的去分析每个器件,像我们比较关心的器件如变压器,还有驱动的一些损耗可以做比较详细的分析,我在这方面做的案例比较多,我们通常做完之后一般会跟实际的样机结果做对比,我的经验感觉这个分析还是比较准确的。


第四:损耗分析有个模型,准确度基于这个模型的分析,模型是非线性的,用比较专业的软件做拟合,会比较清楚。


第五:是波形方面的分析,我主要介绍像PFC,Boost电流波形的谐波分析,包括公因数、开关频率的分析,还有做一些开关损态的分析,来找到EMI 的源头的频谱。
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  • 2015-4-16 09:46:54
 
大家对陈桥梁博士的演讲有什么疑问,可以在本帖进行回复,将由陈桥梁博士进行解答!
本帖将陆续更新本次演讲的全部内容,敬请大家期待!
-----------------未完待续----------------
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  • 2015-4-17 09:17:55
 
我从2000年开始用Mathcad 2000到现在Mathcad 15.0大概有15年时间,有新的版本我还没有尝试过,今天我介绍的从Mathcad 15.0 开始。
这个软件界面看上去非常简单,和word 有点像,我今天主要讲Mathcad 的一些特点,具体软件的操作大家通过帮助文档可以很好的学习到。
接下来用拓扑举一个例子。
拓扑涉及到一些特性分析,像降压升压这种拓扑输入输出关系比较简单一点,但是像谐振变换器LLC这种的话,相对比较复杂。我们在分析的时候首先要知道它的传递特性,我们可以通过两种方法来得到:一种是直接简化成电网络,然后计算输出到输入这个传递函数,然后进行一个增益的分析,因为它是带通滤波器,这样对它进行分析,得到增益函数;另外大家把拓扑通过其他的软件做频率分析,也可以达到同样的效果。
但是对我们做电路的人来说,我们通常喜欢直观地了解到每个参数的变化对增益的影响,我们现在要做的工作是把笔和纸上的公式输入到这里面,包括谐振频率还有电感。这样可以通过下面公式,就是Uo到Uin的这个传递函数。



这个图大家在很多文献上都看到过,但是那个图是不会动的。如果把它转成自己的图,可以从中分析到很多品质因素,你可以根据自己的需要把公式转成这样的图形,甚至可以是三维的曲线,这时就可以很方便地查看增益,还有Ln与Q的关系,还有极值,还有看什么地方出现谐振,什么点出现峰值等等。
在LLC设计中关系量比较多,会用到不同的曲线或者曲面做交叉或者交叠来得到增益曲线,LnQ符合曲线规律,通过其他的条件就可以很容易找到,而通过手动计算的方式通常是比较困难的。如果想得到比较好的优化设计,首先要对变换器的特性进行了解,这是第一个例子。建议大家在学习的时候通过案例边学边做,效果比较好,而且通常来说我们需要的格式没有那么复杂。
世纪电源网-九天
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  • 2015-4-17 10:46:40
 
第二个方面的例子:一个小功率的,像临界模式的Flyback,拓扑用的很多,充电器用的比较多,涉及到一些变频的东西,我们用一般的解析公式可能会算不出来。如果是需要算输入电流的波形,会涉及到这样一个方程,如果这个方程用一般数值的方法去求积分会很难,特别是我们现在高等数学忘得差不多了。

但是Mathcad可以直接写成这样的公式:

这样我们就可以把这些公式转化成相应的关系量,可以写出相当容易的函数,像输入电流频率的函数,以及输入电流峰值的函数,这样它的整个的周期会随着时间的变化改变。输入电流的峰值是正弦波,它的平均值会影响输入电流的PF值,我们可以画出来,后续的功率因数也可以画出来。我们通过理论上的方法可以计算出可达到最高的功率因数,但是输入电压的变化会导致功率因数不同,输入电压比较低时功率因数比较高,而输入电压的峰值比较高,这个时候功率因数就会比较低。
它的开关频率是随着时间变动的,正弦波在90度的时候和它在45度时候频率是不一样的,我们可以把它除了相位以外可以把输入电压关系展示出来,这个很方便。


这是开关频率,随着不同电压变化它的频率是多少可以很直观看到。


损耗分析:前面波形知道了,mos开关损耗就很容易计算得出。并且我们可以把一个开关周期电流有效值算出来,甚至后面可以把turn-off的变化得出来,包括变压器值也可以得出来。
这样在开始设计的时候,你可以对电源有一个充分的了解,在做好之后你可以根据自己你的需求进行调整。比如把前面的功率从28W改成100W,后面所有的图都会跟着变,实际就是你写一套程序,后面所有的随频率变化随着时间变化,在公司有这样的软件对你后面的项目的设计帮助非常大,我觉得这是Mathcad非常好的特点。


何仙公
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  • 2015-4-17 11:42:48
 
能不能把例子发出来看看啊
gaohq
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总工程师
  • 2015-4-17 13:23:44
 
让博士放个简单点的电源设计实例出来,让大家见识下,看博士们是如何设计电源的吧。
世纪电源网-九天
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  • 2015-4-17 13:27:45
 
第二部分我跟大家分享一下控制环的设计。
我们一般首先要建模,模型可以把常用的拓扑转化成可以解析的公式,这时候可以对拓扑的方程进行分析。
这是几年前我在做光伏逆变器的项目,拓扑结构比较复杂,要考虑很多杂散参数的影响。
首先建模,可以在Mathcad里面把它的开关状态写出来,然后写公式。基于这样一个开关周期的平均会得到开关周期平均后的函数,它可以做一些简化分析,这样可以得到一个传递函数,之后你可以把你的条件,比如像输入电压,占空比等设置出来,然后就可以把上面的方程直接转到这个地方可以对它进行一些分析。
这个是直接采用开关模型得到的,两种效果差不多,用Mathcad进行比较,都可以完成。如果是通过解析方式,我有一个案例,是我在五年前用手推的,给大家做个对比。可以把它这个都写出来,但是这个东西其实很多,像开关模型就需要做很多分析,整体的工作量非常大,我用了一周时间还没搞完,有一步错了就前功尽弃了。Mathcad功能可以替代这些方面的工作,你需要做的事情是对它的结果用其他软件或者从它的波形图上看效果,工作量上形成了一个比较大的反差,所以我推荐大家用这个软件来做这个方面的工作。
这是我做光伏逆变器的时候的一个例子,这个结构相对来说比较简单一点,采用单向的光伏逆变器,从头到尾的情况。


从你的输入条件,一直到后续,采用什么调试方式,这个公式不像之前那么复杂,直接可以把它写出来,写出来之后就可以把它转化成的波形图,你可以知道两个双极点在什么地方,需要补充的相位在什么地方,通过这样的方法你知道什么是它的扰动量,剩下的事情通过Mathcad就可以完成。做一些分析之后得到波形图,然后就可以做一些补偿器的设计,补偿之后是一个大概什么样的情况,做一下分析,电流环的设计,后面你可以基于电流环整个闭环函数可以设计外环,电压环就是母线控制环,这些结果出来之后,你可以把它包括整个像输入电流。这个是非常方便的,虽然其他一些软件可以完成,但是Mathcad你可以看到它中间的过程,包括可以作为不同补偿器的比较的时候,你可以把几条曲线都画出来,或者哪一种补偿器比较好,这个比较直观,这是对控制环的设计。


刚才我们讲的反激设计是简单的,现在要做一个比较详细的在一个虚拟平台上的完整的电源设计分析,电压电流应力都可以得到,像这个设计包含器件的模型,你看像整流二极管,这个模型可以通过曲线拟合,然后通过曲线拟合变成分段函数,直接把曲线描述出来,这个曲线干什么用,给你一个VF值和电流变化,通过这个软件计算到输入电流变化情况,可以把它的每点电流对应的电压计算出来这样进而把功耗计算出来,这是一个模型。


其他的模型MOSFETE的模型,可以把它的损耗写出来,有的公布出来有一些曲线可以拟合,这样可以得到Eon和Eoff的曲线,这个是后面整个变换器规格的设计,采用的是Flyback,你可以把输入电流的描述写出来,输入电流的平均值和峰值可以写出来,时间可以写出来,包括功率因数是多少可以写出来。0.984是理论上最高的功率因数。有一些计算结果之后,像现在电流都有了,包括它的频率,这样你可以对每一个器件,像mos管可以计算它的损耗,输出二极管,整流二极管损耗都可以写出去。包括变压器的损耗,都可以做,还有像一些损耗的模型,还有变形公式,不同频段时候系数不一样可以通过关系弄出来可以把变压器的不同电压时候的损耗可以算出来。还有这样最后就可以得到一个效率,整个一个效率的情况,这个效率就最后你可以得到在样机出来之前你可以得到一个效率曲线,计算的点比较多。


效率曲线对我们刚开始设计之初方案的选择我觉得是非常有帮助,理论上知道你这个变换器理论上的效率到什么程度,前提是对你每个器件的损耗模型要比较精确,刚才提到这些损耗模型都不是根据它这个简单的电压和电流交叠算出来的,这个曲线是从90V有效值到220V有效值的时候,符合匹配度很高,这个工作在电源没有做出来就可以得到这些东西,是非常方便的一件事情。这个是PV系统的设计,这个拓扑相对来说比较复杂一些,也可以做从头到尾的设计这个设计更复杂,这个时候用这个软件优势就非常明显,因为它有很多解方程的东西,包括求极值的东西,还有很多变量,有一个范围,这个Mathcad可以很好的限定他多少伏到多少伏的变化,三角形内部求极值都可以很好的求出来,包括每个开关器件电流有效值都可以得到这些东西。


损耗的话就是说,损耗计算要做的话其实像这个损耗计算大家如果公司有条件可以搭一个损耗模型,根据结果测定开关损耗,最后变成一个库地每一种器件都可以把它的损耗曲线得到,这个可以直接放到Mathcad里面去,这个模型会比较准确,贴合实际模型,效果会好一点,这里面是损耗模型的计算。甚至你可以画波形图,可以把它的每个器件的损耗理合曲线画出来,只要得到分段函数就可以写出来功耗情况。到后面最后你可以得到损耗二维带颜色的效率的范围。这个可以把这个函数直接导到excel里面去。可以直接把数据写到excel里面去,Mathcad数据一变,表格里面的数据也会变。
还有波形分析,有了示波器你可以把波形直接导到Mathcad里面去,这个就是一些数据文件,有的就像我们用的力科示波器支持把文档导出。你可以把波形进行复线,直接画出来,左边电压波形右边是电流波形,可以对电流波形做一些二次计算,就是它的公因数是多少,包括谐波分析,从基波到后面,包括比重可以得到这样一个情况,可以通过Mathcad软件做一个后处理这个是比较方便的事情。还可以对波形做(FT)分析,怎么对示波器提出EMI调试,他基于这样一个频谱仪,其实Mathcad可以直接把波新导出来,示波器或者频谱仪有时时的功能更好一点,导出来之后可以做FIT分析,取决于你示波器和探头,如果采样点非常深,理论上的分析是非常高的,如果配一个比较好的示波器和一个比较好的探头,可以做一个开关频段设计,可以把开关器件损态模型导出来,它的频谱不一样,这个时候如果你没有频谱仪或者是探头的时候,你可以把它的电压和电流直接导到Mathcad里面去,这样也可以得到一个比较好的比较,这个是它的一个状态。


我今天给大家讲的内容是泛泛讲的五个方面的内容,讲的大家有点晕,大家对这个案例一个一个学一下,我相信这个软件对大家后期的帮助是非常大的。软件能够拓展看问题的本质,并且把我们做事情的效率提高,但是软件终归是计算机做的事情,最终的结果就是大家要对结果进行详细的分析,定性的理解,软件只会告诉你结果,这个结果对不对,有什么规律需要大家自己进一步理解或者配合其他的软件计算来验证它的规律,今天要讲的内容就这么多,谢谢大家。
hechaocao
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助理工程师
  • 2015-7-29 09:22:22
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学习ing
qiang7260
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副总工程师
  • 2016-1-9 21:33:13
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曲线很直观的反应LnQ  值正在学习MATHCAD 这个曲线能详细讲解一下如何操作MATHCAD求解吗?谢谢!


HABO100
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本网技师
  • 2015-4-18 21:59:39
 
[size=14.399999618530273px] LLC transfer gain function (Ln,Q)_Function.rar
[size=14.399999618530273px] PI,PID,PR Controller comparison.rar
[size=14.399999618530273px] 这两个文件不能下载,请楼主检查一下,谢谢
世纪电源网-小李
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  • 2015-4-20 10:10:59
 
用的什么浏览器
HABO100
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本网技师
  • 2015-4-20 21:41:23
 
谢谢,已经用IE下载完成,但是我用mathcad14.0,文件里的3D-plot 图形不能显示,该如何设置
tongyuanju2005
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助理工程师
  • 2015-4-18 01:38:44
 
LLC transfer gain function (Ln,Q)_Function.rar
PI,PID,PR Controller comparison.rar
这两个文件不能下载,请楼主检查一下,谢谢
HABO100
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本网技师
  • 2015-4-18 21:58:36
 
我也想看看这个,请楼主快快查下,谢谢
世纪电源网-九天
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  • 2015-4-20 09:05:01
 
您好,正在查看原因,马上进行解决
世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2015-4-20 13:35:22
 
已经解决了,你看下是否可以下载了,如果不行,可以更换下浏览器!
世纪电源网-小李
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社区站务
  • 2015-4-20 10:11:21
 
用IE试试 我的IE可以下载 谷歌不行
tongyuanju2005
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助理工程师
  • 2015-4-20 20:23:05
 
已经用IE完成下载,谢谢提醒
gaohq
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总工程师
  • 2015-4-18 10:34:03
 
那么,问题来了

tongyuanju2005
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助理工程师
  • 2015-5-16 23:43:52
 
竖线那个表达式是个迭代,学过C语言的应该很容易理解。箭头是赋值的意思,把右边的值给左边,也就是左边的值等于右边的值,但右边的值要先计算出来。while是条件判断,当这个大于条件成立时,执行下面那句话,之后再判断一次大于是否成立,成立继续执行下面那句话,不成立就得到这时的fs2值,并给fs。


如果理解没错的话
hwx-555
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总工程师
  • 2015-4-20 09:51:44
 
下面4个文件下不了
世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2015-4-21 10:36:49
 
已经没问题,你试试~
hwx-555
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总工程师
  • 2015-4-21 11:12:16
 
嗯,已下,不过导不进Mathcad3.0
之前下的这个Mathcad3.0好像没有开放全部功能
qimingshu
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本网技师
  • 2015-4-22 15:41:16
 
是不是 试用期 到期了 网上有破解版哦
hwx-555
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总工程师
  • 2015-4-22 18:20:15
 
这前下载时不是说试用期过后直接正版的吗。。。。
世纪电源网-小李
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社区站务
  • 2015-4-23 15:29:25
 
啊 不是不是 是过期后还能使用部分免费功能 也是正版软件哦 有兴趣请联系我 世纪电源网小李Q2103063728
hwx-555
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总工程师
  • 2015-4-23 19:17:05
 
哦,正版多少钱
lux0530
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初级工程师
  • 2015-4-24 08:49:44
 
可以打电话问021-61065534,刚才点下载页面,看到右上角写着,联系方式
hwx-555
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总工程师
  • 2015-4-24 09:17:26
 
huitengshi
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本网技师
  • 2015-4-27 09:04:08
 
听说正版要好几万 个人不适合买
eforweb
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LV4
初级工程师
  • 2015-6-13 10:48:15
 
陈博士演示的老外编写的那个*.mcd文件没有放上来呢!
名字应该是"WM inverter simulation.mcd"
感觉这个文件是比较牛的文件,能不能放上来呢?
lcz
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本网技师
  • 2018-11-6 10:18:53
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老兄,你找到这个文件了么,可否分享一下
haodeyiwange
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高级工程师
  • 2015-7-2 23:46:05
 
好帖
ruohan
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  • 2015-7-4 09:30:49
 
Mathcad 15.0还真要学习一下这个,有没有这个的安装软件和具体资料呀,,,
bake_ql
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副总工程师
  • 2015-11-24 09:04:42
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管理员,这几个附件好像不能下载了!
zyzoops
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高级工程师
  • 2015-11-24 10:49:14
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学习,九天同学辛苦了
hongchuan
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初级工程师
  • 2015-12-15 14:59:35
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楼主,母线电容纹波电压的例子里面第一行是什么参数,
朴华
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  • 2017-9-11 13:40:24
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超级经典的实例啊,多谢
sonny9665
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高级工程师
  • 2018-10-1 22:48:53
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Mathcad 14.0还真要学习一下这个,先收藏了,有视频讲解就好了
lcz
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本网技师
  • 2018-11-6 10:24:26
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你好,可否分享一下视频里提到的pwm inverter simulation.mcd这个文件
南海岸的小甜瓜
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  • 2020-2-9 12:08:56
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