基于Matlab的电路分析实验平台设计

（南开大学 计算机与控制工程学院，天津 300071）

电路分析是一门实践性较强的课程，要求学生具有一定的实际动手能力。针对目前存在的实验与理论不同步、实验箱故障等问题，电路仿真不仅可以快速加深对所学知识的理解，同时还能引导学生独立进行电路设计及验证工作。

Matlab是功能强大的仿真软件，它的应用范围非常广泛[1-2]。本文利用Matlab Simulink搭建了电路分析中的多个实验，并利用GUI设计了可视化界面[3-4]，该平台主要用来进行各种定律的验证以及电路中不同参数的输出响应。通过编程可实现系统的连续输入，从而得到完整的电路仿真输出结果，避免了由传统离散点拟合出的曲线误差。为锻炼学生的动手能力，提供3种可选模式：（1）提供可正常运行的模型文件，学生可直接运行，并查看结果；（2）提供所需元器件模块，学生根据电路图负责连线；（3）学生自己搭建模型，自己寻找元器件并连线。

1 电路分析仿真平台

图1显示的是该仿真平台的基本结构，电路分析实验主要是通过调用函数及模型文件进行电路仿真，其中的函数主要是实现传递参数及打开模型文件；而模型文件是结合实际电路利用Simulink搭建的，根据实验要求修改适当的参数就可以进行实验。核心部分是其中的编程、建模和仿真工作。

图1 电路分析仿真平台结构Fig.1 Structure of circuit analysis simulation platform

具体实验流程如图2所示。

样本地区参加城乡居民合作医疗保险的两类疾病患者在调查前一年的医疗服务费用情况见图1和图2。以下分析分别以调查前2周内门诊就诊的自付费用对数值以及调查前一年患者住院次均自付费用对数值作为被解释变量，以社会人口经济学特征、疾病严重程度、医疗机构层次、住院押金支出和住院天数等为解释变量，拟合门诊、住院自付费用的半对数线性回归模型；并按样本中被调查者家庭年人均收入的四分位数，将被调查者划分为低收入组、中低收入组、中高收入组和高收入组。回归结果如表2和表3所示，其中，门诊就诊观察275例糖尿病患者；住院方面为65例糖尿病患者。

图2 电路流程Fig.2 Circuit flow chart

2 仿真平台设计

而“电路图”按钮对应的是电路原理图，该程序通过界面将具体RC参数传递给后台运行的模型文件，并将输出结果图形显示在当前界面中。以一阶积分电路为例，具体如图5所示。

图3 仿真平台主界面Fig.3 Main interface of simulation platform

2.1 RC一阶电路

图4中有2个选项，首先是电路应用选择，分别是积分和微分电路；另一个是“模式选择”，它有3种可选项，分别打开对应的model模型文件，简单模式下只要通过点击运行就可得到仿真结果；另外2种模式需要对模型文件进行相应的操作。

仿真平台与传统的实验箱相比，不需要通过离散点描线的方式进行画图；而且可通过编程的方法实现参数的定时修改，可直接进行多种参数的结果对比，便于理论知识的学习，界面如图4所示。

以RC一阶电路为例，该电路内容相对简单，包括电压源、电阻和电容[5]。通过仿真分析RC一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应；通过调整电阻值和电容值得到不同参数下的输出波形及原理验证，了解时间常数的含义[6]。为了便于了解和检测积分电路的时间常数，将输入电压源设置为周期性方波信号来模拟阶跃激励信号，即令方波上升沿作为零状态响应的阶跃激励信号；而方波下降沿作为零输入响应的阶跃激励信号，其上升沿和下降沿等效于直流电源的接通与断开状态。

从图5可看出，电路中的方波周期信号频率为1 kHz，幅度为1 V，电阻阻值为10 kΩ，电容容值为3300 pF。此时，电路时间常数，电容端的输出波形如图5所示，由于电容的充放电时间小，而方波脉冲信号的周期大，所以充电电压会稳定在最大值，而放电电压会降到0 V，理论分析与仿真结果一致。当方波脉冲信号的周期固定不变时，随着时间常数的不断增加（通过增加电阻值或电容值），输出电压波形的上升沿和下降沿将会变得越来越缓，一直到τ＝RC≫T/2，此时的电路才能称之为积分电路，输出电压波形会在某一固定值上下波动，即电容放电还未结束又对其进行充电。学生可通过编程或逐步修改参数的方式进行实验验证。具体如图6所示。

该实验仿真平台主要由3部分组成：fig图形文件、m程序文件和mdl模型文件，其中的fig图形文件和m程序文件主要提供实验目的、实验步骤和电路参数输入等功能，其设计思路是在提供所有功能的前提下界面尽量简洁、美观。仿真平台界面如图3所示，它是基于Matlab GUI进行设计的，通过回调函数调用模型并进行系统仿真。同时采用模块方式设计，8个实验相互之间是独立的。

单因素及多因素分析结果均显示治疗后CA19-9下降程度及BED10是影响PFS的重要因素(表1)。治疗后CA19-9低水平组患者PFS显著长于高水平反应组(HR=0.847，95%CI 0.605～1.185，B=-0.166) ，高水平反应组患者又长于高水平低反应组(HR=2.332，95%CI 1.741～3.125，B=0.847)；BED10<60 Gy患者PFS显著短于BED10≥60 Gy组(HR=3.28，95%CI 2.46～4.38，B=1.19)。

图5 RC一阶电路Fig.5 RC first order circuit

为了进一步降低车体重量，提高车体性能，采用CFRP替代原有的铝合金和钢车体材料已成为各主机厂尝试的方向。

在仿真平台，可通过方波信号控制受控电压源实现方波脉冲激励信号。其幅度和频率都可通过图6界面上的参数值设置面板进行设定。“开始仿真”按钮的回调函数会首先获取面板中输入的参数值，然后将其传递给模型文件并运行仿真，最后显示仿真结果。此方式跟实验箱类似，只需修改参数就可获得实验结果，但实验模型文件无法看到。其中，参数值的传递是通过Simset函数实现的，将Simulink设置为从当前工作空间运行，然后利用Sim函数对模型文件进行仿真[7]。

根据考证，傣族的纺织历史可追溯至西汉时期。东汉以后，傣族的手工业已很发达，到了元明时期，傣族的织锦工艺更为精湛，甚至出现了专为宫廷和贵族织锦的手工业者。其中以德宏傣族地区的“干崖布”、明洪武年间的西双版纳傣族的“丝幔帐”及“绒棉”最具代表性。

图6 RC一阶积分电路Fig.6 RC first order integral circuit

2.2 RC一阶电路实验测试

该平台搭建完成后，在机房中安装Matlab软件，并将该平台所需的文件拷贝到计算机磁盘中，便于学生独立、自主地选择或进行实验；该平台可移植性比较好，便于学生将其安装在自己的计算机中进行仿真实验。平台的仿真结果与理论分析是一致的，输出波形比较直观，易于掌握。

3 结语

本文基于Matlab GUI搭建了电路分析实验平台，与传统硬件实验箱相比，准确性和安全性得到了保障，在激发学生兴趣的同时，也降低了实验室的投入成本，为相关实验虚拟平台的搭建提供了一定的参考价值。

[1] 周开利，邓春晖，李临生，等.MATLAB基础及其应用教程[M].北京：北京大学出版社，2011.

[2] 何正风.MATLAB动态仿真实例教程[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[3] 曹丽英，王永刚，李强.基于Matlab GUI图像处理的物料粒度与圆形度测试[J].中国农机化学报，2015，36（2）：95-98.

[4] 谢丽蓉.基于Matlab/GUI异步电动机人机界面设计[J].实验技术与管理，2014，31（8）：50-53.

[5] 邱关源.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 李瀚荪，吴锡龙.电路分析基础学习指导[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[7] 罗华飞.MATLAB GUI设计学习手册[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.