裘雪敬，陽天舒，馮 娟，王杰

(中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

RLC電路特性實驗是電工學(xué)的基本電路之一，其電路特性是由抽象、復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述的，不易于學(xué)生理解與掌握。同時，有限的實驗學(xué)時與不足的實驗設(shè)備也使RLC實驗教學(xué)存在一定困難。利用仿真軟件可以構(gòu)建非實驗室環(huán)境下RLC仿真平臺［1-2］，學(xué)生無論是在課堂上還是在課后，都可以在電腦上實現(xiàn)RLC實驗的仿真，擺脫了無實物的困境，為RLC實驗教學(xué)提供一種新的方法?；诖耍肕atlab中GUI開發(fā)了RLC電路特性仿真實驗平臺［3-5］，動態(tài)演示電路參數(shù)變化時電路特性的變化，幫助學(xué)生理解和掌握電路特性，既可以用作學(xué)生課前預(yù)習(xí)，也可以作為實際實驗的一種替代手段。

圖1 RLC電路特性仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 RLC仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

RLC仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。仿真實驗?zāi)K共包括三個實驗主模塊，在每個實驗主模塊下由實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗原理、思考題四個模塊組成，每個模塊在主模塊后調(diào)用。

2 RLC仿真實驗平臺設(shè)計

RLC電路特性仿真實驗中包含三個仿真實驗，分別為:RLC串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性實驗、RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實驗、RC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實驗。

2．1 登錄界面模塊

登錄界面模塊是用戶進(jìn)入仿真實驗系統(tǒng)的入口，由“系統(tǒng)簡介”、“進(jìn)入系統(tǒng)主界面”、“關(guān)閉系統(tǒng)”三個按鈕控件構(gòu)成，見圖2。

圖2 登錄界面

在每個按鈕的回調(diào)函數(shù)中，先用close關(guān)閉當(dāng)前窗口后，再打開指定的文件［6，7］。如“進(jìn)入系統(tǒng)主界面”按鈕的回調(diào)函數(shù)如下:

close指關(guān)閉當(dāng)前頁面，chosepage是要打開文件的文件名。

2．1．1 “系統(tǒng)簡介”按鈕設(shè)計

點(diǎn)擊“系統(tǒng)簡介”按鈕后，界面如圖3所示，用于對系統(tǒng)的簡要說明。界面中的文字通過靜態(tài)文本框顯示出來，雙擊靜態(tài)文本框后，“String”用于改變顯示的文字，“BackgroundColor”用于改變文本框的背景色?！胺祷亍卑粹o用于返回上一頁GUI界面。

圖3 系統(tǒng)簡介

2．1．2 “進(jìn)入系統(tǒng)主界面”按鈕設(shè)計

點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)主界面”按鈕后，界面如圖4所示，供用戶選擇將要演示的仿真實驗。進(jìn)行實驗選擇的菜單稱為彈出菜單，彈出菜單里包含四項，如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

圖5 實驗選擇菜單

若要實現(xiàn)彈出菜單每個選項的功能，需先獲取每個選項的Value，再進(jìn)行相應(yīng)的操作。彈出菜單里的選項是通過其屬性的“String”進(jìn)行設(shè)置的，每行對應(yīng)一個Value。每個選項關(guān)聯(lián)著相應(yīng)的仿真實驗，點(diǎn)擊后則切換到對應(yīng)實驗的仿真頁面。這里需要注意的是，若是沒有選擇任何實驗，而是直接按“確認(rèn)”按鈕，則執(zhí)行的指令應(yīng)是容錯處理指令，界面如圖6所示。

圖6 容錯處理界面

2．2 系統(tǒng)主界面模塊

為了使仿真實驗界面與用戶的交互性更好，同時也為了幫助用戶更好地理解實驗，RLC仿真實驗系統(tǒng)的每個實驗均由實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗原理、思考題和開始實驗等五個模塊構(gòu)成，每個模塊對應(yīng)相關(guān)內(nèi)容并通過按鈕控件進(jìn)行映射［8-9］。下面以RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實驗為例進(jìn)行仿真設(shè)計說明，菜單界面如圖7所示。

圖7 RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實驗菜單

2．2．1 “實驗?zāi)康摹?、“實驗?nèi)容”、“實驗原理”和“思考題”按鈕設(shè)計

“實驗?zāi)康摹?、“實驗?nèi)容”或“思考題”按鈕用于打開一個說明窗口，以”思考題”按鈕為例，運(yùn)行后效果如圖8所示。

由于實驗原理內(nèi)容較多，不便展示在GUI窗口上，所以“實驗原理”按鈕利用open函數(shù)打開一個實驗原理的文本文檔，方便用戶更好地理解實驗?！皩嶒炘怼卑粹o的回調(diào)函數(shù)如下:

open RLC串聯(lián)電路暫態(tài)特性實驗原理．doc;

運(yùn)行后，即可打開《RLC串聯(lián)電路暫態(tài)特性實驗原理》文檔。

圖8 思考題

2．2．2 “開始實驗”按鈕設(shè)計

RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性有三種響應(yīng)形式:欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼［10］。點(diǎn)擊“開始實驗”按鈕，進(jìn)入如圖9所示的GUI界面。調(diào)節(jié)參數(shù)電阻、電容、電感的值，計算出R與關(guān)系，則可確定電路的響應(yīng)形式［11-13］。

圖9 RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性GUI界面

(1)滑動條與可編輯文本框之間的映射

滑動條的作用就是實現(xiàn)按照設(shè)定的步長進(jìn)行變量的變化，可編輯文本框的作用就是易于用戶設(shè)置自己想設(shè)置的數(shù)值，二者結(jié)合起來，則可達(dá)到滑動條與文本框的數(shù)值同步的目的，有利于提高GUI界面與用戶的交互性。

以電阻值的滑動條與文本框之間的映射為例，滑動條、文本框的回調(diào)函數(shù)分別為:

其中，handles．edit2為文本框的句柄，handles．r為滑動條的句柄。

其中，handles．edit3、handles．edit2、handles．edit1分別為電阻、電感、電容文本框的句柄，而handles．t1、handles．t2 則分別為 R 與對應(yīng)文本框的句柄。運(yùn)行后，靜態(tài)文本里即可顯示出對應(yīng)的R與的數(shù)值。

(3)電路狀態(tài)的顯示

圖10 欠阻尼

圖11 臨界阻尼

(4)電路響應(yīng)圖形的繪制

由于描述該物理特性的是數(shù)學(xué)中的二階微分方程［14］，所以采用Matlab中的解二階微分方程的函數(shù)進(jìn)行求解命令執(zhí)行后，通過調(diào)節(jié)R、L、C的值，繪制的三種響應(yīng)形式的圖像分別如圖10、圖11、圖12所示。

圖12 過阻尼

4 結(jié)束語

利用Matlab中GUI工具開發(fā)了RLC仿真實驗平臺，將電路特性用圖形界面方式直觀地顯示出來，充分發(fā)揮了GUI在計算電路響應(yīng)、繪制圖形方面的優(yōu)勢。將物理實驗教學(xué)與計算機(jī)仿真模擬有機(jī)地結(jié)合起來，不僅操作簡單，加深了學(xué)生對電路特性的理解，而且解決了實驗室設(shè)備不足、學(xué)時有限的問題，提高了教學(xué)效率與質(zhì)量，對于今后物理實驗仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用具有一定的參考價值。

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