基于Matlab GUI的電路特性演示平臺設計

摘 要：為了將用抽象、繁雜的數學公式描述的電路特性直觀地顯示出來，借助Matlab強大的數學計算和圖形顯示功能，利用Matlab GUIDE設計工具開發了電路特性演示平臺。平臺可動態演示電路參數變化時的電路特性，將常用的典型電路特性以圖形方式直觀地表現出來。實例表明，該平臺界面良好、操作方便，便于理解電路特性，有助于提高課堂教學效果。

關鍵詞：電路特性； Matlab； GUI； 演示平臺

中圖分類號：TN71034； TP391.77 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22016003

電路特性往往是由抽象、繁雜的數學公式描述的，其難以理解，不易掌握。受實驗學時和設備的限制，有關電路特性測試的實驗開設得很少。基于上述考慮，利用 Matlab高效的數值計算功能和完備的圖形處理功能，并運用Matlab自帶的GUIDE設計工具，開發了界面友好、操作簡單的電路特性演示平臺，旨在動態演示電路參數變化時電路特性的變化情況，解決繁雜數學公式抽象、不易理解的難題，幫助理解和掌握電路特性。

1 演示平臺總體結構

電路特性演示平臺模塊結構如圖1所示，界面布局采用自頂向下設計方法，即先設計主界面，再設計子界面。平臺包含11個演示項目，涵蓋了常用的典型電路的特性演示。

2 主界面設計

主界面是用戶進入各個演示平臺的入口。為方便用戶進入具體的演示項目，采用子菜單選擇演示項目，如圖2所示。

圖2 電路特性演示平臺主界面在每個子菜單的回調函數中用close關閉當前窗口，打開子菜單指定的文件。如項目1回調函數如下：

function xiangmu1_Callback（hObject， eventdata， handles）

close

shiyan1

其中xiangmu1是“項目1”子菜單的Tag（標識），shiyan1是要打開文件的文件名。

3 演示項目設計

每個演示項目的設計包括三個內容：數學模型建立、界面設計和控件回調函數設計。

3.1 數學模型建立

每個演示項目旨在演示動態演示電路特性，因此首先要對每個演示電路建立數學模型，確定最能反映該電路特性的參數，然后根據需要演示的內容建立數學模型。

以RLC串聯的二階電路零輸入響應為例，其響應形式有三種［1］，即過阻尼、欠阻尼和無阻尼。阻尼來自電阻，因此電阻的大小決定了響應的形式。當R<2L/C時，為欠阻尼，表現為電容振蕩性放電；當R<2L/C時，為過阻尼，表現為電容單調性放電；當R=0時，為無阻尼，表現為等幅震蕩。演示的目的在于觀察電阻變化時電路響應的三種形式。為此選擇電阻為可變參數，觀察電阻變化時電容電壓和電感電流的響應形式，建立的數學模型為三種情況下的電容電壓和電感電流的數學表達式。

3.2 界面設計

利用Matlab自帶的 GUIDE可以完成用戶界面設計。仍以二階電路零輸入響應為例，其界面如圖3所示。

圖3 二階電路零入響應演示界面其中用兩個坐標軸顯示電容電壓和電感電流的波形，一個坐標軸顯示電路圖，兩個靜態文本框分別顯示電路初始條件和電路參數，為了動態顯示電阻變化時的響應，采用滑動條改變電阻，其值用可編輯文本框顯示，“特性說明”按鈕用于打開一個“特性說明”窗口，“返回”按鈕用于返回主界面，“退出”按鈕用于關閉該窗口。

3.3 控件回調函數設計

控件響應的事件是通過執行其回調函數完成的。以二階電路零輸入響應為例，主要是滑動條的回調函數（Callback）設計，設計的關鍵問題：

（1） 滑動條控件屬性設置

滑動條（slider）包括3個部分，即滑動槽、滑塊和滑動條兩端的箭頭，它們分別表示取值范圍、滑動條當前位置和滑動條的移動。二階電路零輸入響應觀察的是電阻R從0～20 Ω時的電路特性，因此滑動條的MAX設定為20，滑塊移動距離為默認值，即MAX的10%，箭頭移動距離為MAX的5%，即每點擊一次箭頭，變化1 Ω。

（2） 滑動條當期值獲取

為了將滑動條當前值顯示出來，并將其代入相應的公式中計算，可將滑動條當前值賦予一個可編輯文本框，并將該文本框“String”賦給變量R。在滑動條回調函數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）無阻尼、欠阻尼和過阻尼三種情況響應波形顯示

將滑動條當前值，即電阻R的值2L/C與比較，確定是哪種響應形式，比較時用if –else條件語句，程序結構及部分代碼如下：

if R<=2*sqrt（L/C）

if R==0

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

%刪除當前坐標軸和它的子對象，用新的坐標軸代替

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

set（handles.axes20，′Visible′，′on′）；

%坐標軸可視

set（handles.axes22，′Visible′，′on′）；

set（handles.text7，′String′，′無阻尼′）

…；

%計算特征根、求出響應

axes（handles.axes20）；

%在Tag是axes20的坐標軸上畫圖

plot（t，uc，′k′），grid on；

%畫uc波形

axis（［0 1-1 1］）；

%設定坐標軸范圍

axes（handles.axes22）；

plot（t，iL，′k′），grid on

%畫iL波形

axis（［0 1-0.2 0.2］）

else

…；

%刪除當前坐標軸和它的子對象，用新的坐標軸代替，畫出欠阻尼波形

end

end

if R>2*sqrt（L/C）

…；

%畫出過阻尼波形

end

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

圖4 R=0無阻尼波形

圖5 R從1 Ω變化到10 Ω欠阻尼波形4 結 語

基于Matlab GUI 開發的電路特性演示平臺，充分發揮了Matlab在計算電路響應、繪制圖形方面的優勢，將抽象的數學公式用圖形直觀地顯示出來。平臺層次分明，操作簡單，調整電路參數，可實時觀察結果，便于學生理解和掌握電路特性。

圖6 R從11 Ω變化到20 Ω過阻尼波形

參 考 文 獻

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

［2］ 陳垚光，毛濤濤.精通Matlab CUI設計［M ］.北京：電子工業出版社，2008.

［3］ 龔妙昆.基于Matlab的GUI 設計應用軟件［J］.微型電腦應用，2011，27（8）：5355.

［4］ 田社平，陳洪亮，張峰.Matlab函數編程在電路分析中的應用［J］.電氣電子教學學報，2010，32（6）：105107.

［5］ 廖曉輝，秦毅男.基于Matlab 圖形用戶界面的電路分析演示系統［J］.電腦知識與技術，2007（2）：591592.

［6］ 宗節保，段柳云.基于Matlab GUI軟件制作方法的研究與實現［J］.電子設計工程，2010，18（7）：5456.

［7］ 丁益民，陳倩.基于Matlab的RLC電路暫態過程的模擬［J］.大學物理實驗，2011，24（2）：7880.

［8］ 李娟.基于Matlab的計算機輔助電路分析［J］.微計算機信息，2010，26（3）：178181.

［9］ 吳迪，劉軍，徐朋，等.基于Matlab GUI的大學物理交互式演示實驗動畫設計［J］.大學物理實驗，2010，23（1）：5253.

［10］ 李念念，張紅梅.基于Matlab GUI的信號與系統分析軟件開發［J］.工業控制計算機，2011，24（3）：1921.

作者簡介： 李京秀 女，1964年出生，山西人，碩士，教授。主要從事電路理論、電子技術方面教學與研究工作。