基于Matlab的電路分析實驗平臺設計

（南開大學 計算機與控制工程學院，天津 300071）

電路分析是一門實踐性較強的課程，要求學生具有一定的實際動手能力。針對目前存在的實驗與理論不同步、實驗箱故障等問題，電路仿真不僅可以快速加深對所學知識的理解，同時還能引導學生獨立進行電路設計及驗證工作。

Matlab是功能強大的仿真軟件，它的應用范圍非常廣泛[1-2]。本文利用Matlab Simulink搭建了電路分析中的多個實驗，并利用GUI設計了可視化界面[3-4]，該平臺主要用來進行各種定律的驗證以及電路中不同參數的輸出響應。通過編程可實現系統的連續輸入，從而得到完整的電路仿真輸出結果，避免了由傳統離散點擬合出的曲線誤差。為鍛煉學生的動手能力，提供3種可選模式：（1）提供可正常運行的模型文件，學生可直接運行，并查看結果；（2）提供所需元器件模塊，學生根據電路圖負責連線；（3）學生自己搭建模型，自己尋找元器件并連線。

1 電路分析仿真平臺

圖1顯示的是該仿真平臺的基本結構，電路分析實驗主要是通過調用函數及模型文件進行電路仿真，其中的函數主要是實現傳遞參數及打開模型文件；而模型文件是結合實際電路利用Simulink搭建的，根據實驗要求修改適當的參數就可以進行實驗。核心部分是其中的編程、建模和仿真工作。

圖1 電路分析仿真平臺結構Fig.1 Structure of circuit analysis simulation platform

具體實驗流程如圖2所示。

樣本地區參加城鄉居民合作醫療保險的兩類疾病患者在調查前一年的醫療服務費用情況見圖1和圖2。以下分析分別以調查前2周內門診就診的自付費用對數值以及調查前一年患者住院次均自付費用對數值作為被解釋變量，以社會人口經濟學特征、疾病嚴重程度、醫療機構層次、住院押金支出和住院天數等為解釋變量，擬合門診、住院自付費用的半對數線性回歸模型；并按樣本中被調查者家庭年人均收入的四分位數，將被調查者劃分為低收入組、中低收入組、中高收入組和高收入組。回歸結果如表2和表3所示，其中，門診就診觀察275例糖尿病患者；住院方面為65例糖尿病患者。

圖2 電路流程Fig.2 Circuit flow chart

2 仿真平臺設計

而“電路圖”按鈕對應的是電路原理圖，該程序通過界面將具體RC參數傳遞給后臺運行的模型文件，并將輸出結果圖形顯示在當前界面中。以一階積分電路為例，具體如圖5所示。

圖3 仿真平臺主界面Fig.3 Main interface of simulation platform

2.1 RC一階電路

圖4中有2個選項，首先是電路應用選擇，分別是積分和微分電路；另一個是“模式選擇”，它有3種可選項，分別打開對應的model模型文件，簡單模式下只要通過點擊運行就可得到仿真結果；另外2種模式需要對模型文件進行相應的操作。

仿真平臺與傳統的實驗箱相比，不需要通過離散點描線的方式進行畫圖；而且可通過編程的方法實現參數的定時修改，可直接進行多種參數的結果對比，便于理論知識的學習，界面如圖4所示。

以RC一階電路為例，該電路內容相對簡單，包括電壓源、電阻和電容[5]。通過仿真分析RC一階電路的零輸入響應、零狀態響應和全響應；通過調整電阻值和電容值得到不同參數下的輸出波形及原理驗證，了解時間常數的含義[6]。為了便于了解和檢測積分電路的時間常數，將輸入電壓源設置為周期性方波信號來模擬階躍激勵信號，即令方波上升沿作為零狀態響應的階躍激勵信號；而方波下降沿作為零輸入響應的階躍激勵信號，其上升沿和下降沿等效于直流電源的接通與斷開狀態。

從圖5可看出，電路中的方波周期信號頻率為1 kHz，幅度為1 V，電阻阻值為10 kΩ，電容容值為3300 pF。此時，電路時間常數，電容端的輸出波形如圖5所示，由于電容的充放電時間小，而方波脈沖信號的周期大，所以充電電壓會穩定在最大值，而放電電壓會降到0 V，理論分析與仿真結果一致。當方波脈沖信號的周期固定不變時，隨著時間常數的不斷增加（通過增加電阻值或電容值），輸出電壓波形的上升沿和下降沿將會變得越來越緩，一直到τ＝RC?T/2，此時的電路才能稱之為積分電路，輸出電壓波形會在某一固定值上下波動，即電容放電還未結束又對其進行充電。學生可通過編程或逐步修改參數的方式進行實驗驗證。具體如圖6所示。

該實驗仿真平臺主要由3部分組成：fig圖形文件、m程序文件和mdl模型文件，其中的fig圖形文件和m程序文件主要提供實驗目的、實驗步驟和電路參數輸入等功能，其設計思路是在提供所有功能的前提下界面盡量簡潔、美觀。仿真平臺界面如圖3所示，它是基于Matlab GUI進行設計的，通過回調函數調用模型并進行系統仿真。同時采用模塊方式設計，8個實驗相互之間是獨立的。

單因素及多因素分析結果均顯示治療后CA19-9下降程度及BED10是影響PFS的重要因素(表1)。治療后CA19-9低水平組患者PFS顯著長于高水平反應組(HR=0.847，95%CI 0.605～1.185，B=-0.166) ，高水平反應組患者又長于高水平低反應組(HR=2.332，95%CI 1.741～3.125，B=0.847)；BED10<60 Gy患者PFS顯著短于BED10≥60 Gy組(HR=3.28，95%CI 2.46～4.38，B=1.19)。

圖5 RC一階電路Fig.5 RC first order circuit

為了進一步降低車體重量，提高車體性能，采用CFRP替代原有的鋁合金和鋼車體材料已成為各主機廠嘗試的方向。

在仿真平臺，可通過方波信號控制受控電壓源實現方波脈沖激勵信號。其幅度和頻率都可通過圖6界面上的參數值設置面板進行設定。“開始仿真”按鈕的回調函數會首先獲取面板中輸入的參數值，然后將其傳遞給模型文件并運行仿真，最后顯示仿真結果。此方式跟實驗箱類似，只需修改參數就可獲得實驗結果，但實驗模型文件無法看到。其中，參數值的傳遞是通過Simset函數實現的，將Simulink設置為從當前工作空間運行，然后利用Sim函數對模型文件進行仿真[7]。

根據考證，傣族的紡織歷史可追溯至西漢時期。東漢以后，傣族的手工業已很發達，到了元明時期，傣族的織錦工藝更為精湛，甚至出現了專為宮廷和貴族織錦的手工業者。其中以德宏傣族地區的“干崖布”、明洪武年間的西雙版納傣族的“絲幔帳”及“絨棉”最具代表性。

圖6 RC一階積分電路Fig.6 RC first order integral circuit

2.2 RC一階電路實驗測試

該平臺搭建完成后，在機房中安裝Matlab軟件，并將該平臺所需的文件拷貝到計算機磁盤中，便于學生獨立、自主地選擇或進行實驗；該平臺可移植性比較好，便于學生將其安裝在自己的計算機中進行仿真實驗。平臺的仿真結果與理論分析是一致的，輸出波形比較直觀，易于掌握。

3 結語

本文基于Matlab GUI搭建了電路分析實驗平臺，與傳統硬件實驗箱相比，準確性和安全性得到了保障，在激發學生興趣的同時，也降低了實驗室的投入成本，為相關實驗虛擬平臺的搭建提供了一定的參考價值。

[1] 周開利，鄧春暉，李臨生，等.MATLAB基礎及其應用教程[M].北京：北京大學出版社，2011.

[2] 何正風.MATLAB動態仿真實例教程[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3] 曹麗英，王永剛，李強.基于Matlab GUI圖像處理的物料粒度與圓形度測試[J].中國農機化學報，2015，36（2）：95-98.

[4] 謝麗蓉.基于Matlab/GUI異步電動機人機界面設計[J].實驗技術與管理，2014，31（8）：50-53.

[5] 邱關源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 李瀚蓀，吳錫龍.電路分析基礎學習指導[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[7] 羅華飛.MATLAB GUI設計學習手冊[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2011.