摘 要：為了將用抽象、繁雜的數(shù)學(xué)公式描述的電路特性直觀地顯示出來(lái)，借助Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和圖形顯示功能，利用Matlab GUIDE設(shè)計(jì)工具開(kāi)發(fā)了電路特性演示平臺(tái)。平臺(tái)可動(dòng)態(tài)演示電路參數(shù)變化時(shí)的電路特性，將常用的典型電路特性以圖形方式直觀地表現(xiàn)出來(lái)。實(shí)例表明，該平臺(tái)界面良好、操作方便，便于理解電路特性，有助于提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電路特性； Matlab； GUI； 演示平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TN71034； TP391.77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22016003

電路特性往往是由抽象、繁雜的數(shù)學(xué)公式描述的，其難以理解，不易掌握。受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和設(shè)備的限制，有關(guān)電路特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)得很少?；谏鲜隹紤]，利用 Matlab高效的數(shù)值計(jì)算功能和完備的圖形處理功能，并運(yùn)用Matlab自帶的GUIDE設(shè)計(jì)工具，開(kāi)發(fā)了界面友好、操作簡(jiǎn)單的電路特性演示平臺(tái)，旨在動(dòng)態(tài)演示電路參數(shù)變化時(shí)電路特性的變化情況，解決繁雜數(shù)學(xué)公式抽象、不易理解的難題，幫助理解和掌握電路特性。

1 演示平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

電路特性演示平臺(tái)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，界面布局采用自頂向下設(shè)計(jì)方法，即先設(shè)計(jì)主界面，再設(shè)計(jì)子界面。平臺(tái)包含11個(gè)演示項(xiàng)目，涵蓋了常用的典型電路的特性演示。

2 主界面設(shè)計(jì)

主界面是用戶進(jìn)入各個(gè)演示平臺(tái)的入口。為方便用戶進(jìn)入具體的演示項(xiàng)目，采用子菜單選擇演示項(xiàng)目，如圖2所示。

圖2 電路特性演示平臺(tái)主界面在每個(gè)子菜單的回調(diào)函數(shù)中用close關(guān)閉當(dāng)前窗口，打開(kāi)子菜單指定的文件。如項(xiàng)目1回調(diào)函數(shù)如下：

function xiangmu1_Callback（hObject， eventdata， handles）

close

shiyan1

其中xiangmu1是“項(xiàng)目1”子菜單的Tag（標(biāo)識(shí)），shiyan1是要打開(kāi)文件的文件名。

3 演示項(xiàng)目設(shè)計(jì)

每個(gè)演示項(xiàng)目的設(shè)計(jì)包括三個(gè)內(nèi)容：數(shù)學(xué)模型建立、界面設(shè)計(jì)和控件回調(diào)函數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)學(xué)模型建立

每個(gè)演示項(xiàng)目旨在演示動(dòng)態(tài)演示電路特性，因此首先要對(duì)每個(gè)演示電路建立數(shù)學(xué)模型，確定最能反映該電路特性的參數(shù)，然后根據(jù)需要演示的內(nèi)容建立數(shù)學(xué)模型。

以RLC串聯(lián)的二階電路零輸入響應(yīng)為例，其響應(yīng)形式有三種［1］，即過(guò)阻尼、欠阻尼和無(wú)阻尼。阻尼來(lái)自電阻，因此電阻的大小決定了響應(yīng)的形式。當(dāng)R<2L/C時(shí)，為欠阻尼，表現(xiàn)為電容振蕩性放電；當(dāng)R<2L/C時(shí)，為過(guò)阻尼，表現(xiàn)為電容單調(diào)性放電；當(dāng)R=0時(shí)，為無(wú)阻尼，表現(xiàn)為等幅震蕩。演示的目的在于觀察電阻變化時(shí)電路響應(yīng)的三種形式。為此選擇電阻為可變參數(shù)，觀察電阻變化時(shí)電容電壓和電感電流的響應(yīng)形式，建立的數(shù)學(xué)模型為三種情況下的電容電壓和電感電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

3.2 界面設(shè)計(jì)

利用Matlab自帶的 GUIDE可以完成用戶界面設(shè)計(jì)。仍以二階電路零輸入響應(yīng)為例，其界面如圖3所示。

圖3 二階電路零入響應(yīng)演示界面其中用兩個(gè)坐標(biāo)軸顯示電容電壓和電感電流的波形，一個(gè)坐標(biāo)軸顯示電路圖，兩個(gè)靜態(tài)文本框分別顯示電路初始條件和電路參數(shù)，為了動(dòng)態(tài)顯示電阻變化時(shí)的響應(yīng)，采用滑動(dòng)條改變電阻，其值用可編輯文本框顯示，“特性說(shuō)明”按鈕用于打開(kāi)一個(gè)“特性說(shuō)明”窗口，“返回”按鈕用于返回主界面，“退出”按鈕用于關(guān)閉該窗口。

3.3 控件回調(diào)函數(shù)設(shè)計(jì)

控件響應(yīng)的事件是通過(guò)執(zhí)行其回調(diào)函數(shù)完成的。以二階電路零輸入響應(yīng)為例，主要是滑動(dòng)條的回調(diào)函數(shù)（Callback）設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題：

（1） 滑動(dòng)條控件屬性設(shè)置

滑動(dòng)條（slider）包括3個(gè)部分，即滑動(dòng)槽、滑塊和滑動(dòng)條兩端的箭頭，它們分別表示取值范圍、滑動(dòng)條當(dāng)前位置和滑動(dòng)條的移動(dòng)。二階電路零輸入響應(yīng)觀察的是電阻R從0～20 Ω時(shí)的電路特性，因此滑動(dòng)條的MAX設(shè)定為20，滑塊移動(dòng)距離為默認(rèn)值，即MAX的10%，箭頭移動(dòng)距離為MAX的5%，即每點(diǎn)擊一次箭頭，變化1 Ω。

（2） 滑動(dòng)條當(dāng)期值獲取

為了將滑動(dòng)條當(dāng)前值顯示出來(lái)，并將其代入相應(yīng)的公式中計(jì)算，可將滑動(dòng)條當(dāng)前值賦予一個(gè)可編輯文本框，并將該文本框“String”賦給變量R。在滑動(dòng)條回調(diào)函數(shù)中此部分程序代碼如下：

set（handles.edit1，′String′，...

num2str（get（handles.slider1，′Value′）））；

R=str2num（get（handles.edit1，′String′））；

（3）無(wú)阻尼、欠阻尼和過(guò)阻尼三種情況響應(yīng)波形顯示

將滑動(dòng)條當(dāng)前值，即電阻R的值2L/C與比較，確定是哪種響應(yīng)形式，比較時(shí)用if –else條件語(yǔ)句，程序結(jié)構(gòu)及部分代碼如下：

if R<=2*sqrt（L/C）

if R==0

set（handles.uc1，′NextPlot′，′replace′）；

%刪除當(dāng)前坐標(biāo)軸和它的子對(duì)象，用新的坐標(biāo)軸代替

set（handles.iL1，′NextPlot′，′replace′）；

set（handles.axes20，′Visible′，′on′）；

%坐標(biāo)軸可視

set（handles.axes22，′Visible′，′on′）；

set（handles.text7，′String′，′無(wú)阻尼′）

…；

%計(jì)算特征根、求出響應(yīng)

axes（handles.axes20）；

%在Tag是axes20的坐標(biāo)軸上畫(huà)圖

plot（t，uc，′k′），grid on；

%畫(huà)uc波形

axis（［0 1-1 1］）；

%設(shè)定坐標(biāo)軸范圍

axes（handles.axes22）；

plot（t，iL，′k′），grid on

%畫(huà)iL波形

axis（［0 1-0.2 0.2］）

else

…；

%刪除當(dāng)前坐標(biāo)軸和它的子對(duì)象，用新的坐標(biāo)軸代替，畫(huà)出欠阻尼波形

end

end

if R>2*sqrt（L/C）

…；

%畫(huà)出過(guò)阻尼波形

end

在二階電路零輸入響應(yīng)演示界面中點(diǎn)擊滑動(dòng)條改變電阻值，得到三種情況下響應(yīng)波形如圖4～圖6所示。

圖4 R=0無(wú)阻尼波形

圖5 R從1 Ω變化到10 Ω欠阻尼波形4 結(jié) 語(yǔ)

基于Matlab GUI 開(kāi)發(fā)的電路特性演示平臺(tái)，充分發(fā)揮了Matlab在計(jì)算電路響應(yīng)、繪制圖形方面的優(yōu)勢(shì)，將抽象的數(shù)學(xué)公式用圖形直觀地顯示出來(lái)。平臺(tái)層次分明，操作簡(jiǎn)單，調(diào)整電路參數(shù)，可實(shí)時(shí)觀察結(jié)果，便于學(xué)生理解和掌握電路特性。

圖6 R從11 Ω變化到20 Ω過(guò)阻尼波形

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 于歆杰，朱桂萍，陸文娟.電路原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

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作者簡(jiǎn)介： 李京秀 女，1964年出生，山西人，碩士，教授。主要從事電路理論、電子技術(shù)方面教學(xué)與研究工作。