MATLAB_Simulink仿真技术在模拟与数字电路教学中的应用

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0 引言
模拟电路与数字电路是电子、通信、计算机、机电等类专业 的一门实践性很强的专业基础课，若在讲授理论知识的同时， 辅助实验演示或实验，可以提高课堂教学效率，收到事半功倍 的效果。
MATLAB 是一个通用的科学计算平台，适用于工程各领域 的分析设计与复杂计算。Simulink 是图形化的仿真工具包，是 MATLAB 的重要成员，将 MATLAB 的 Simulink 工具包应用于模 拟电路与数字电路的教学中，用 MATLAB 进行课堂虚拟实验演 示、学生进行验证性实验及课外的辅助设计，是一种很好的理论 联系的教学方法，也是一种培养学生实际能力的有效工具。
3 MATLAB 仿真技术在数字电路设计中的应用
在数字电路中，组合逻辑电路的设计是把实际的逻辑问题
转换为逻辑电路的形式来实现，通常设计电路的过程为：
实际逻辑问题
确定入、出量 0.1 含义
真值表
对 SSI 芯片 化为最简式 化为适当式
对 MSI 芯片
逻辑电路
要确定设计结果的正确与否，可以通过 MATLAB 对逻辑
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的门极上。
Computer Era No. 10 2010
感的储能作用，晶闸管导通角θ将大于（180°-α）。整流电压 有正有负，波形连续，负载电流脉动减小。负载电感愈大，导通 角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占的比重就愈大，整 流输出电压和电流的平均值就愈小。
图 1 单相全控桥式整流电路仿真模型 晶闸管模型有两个输入端与两个输出端，第一个输入端与 输出端是晶闸管的阳极端(a)与阴极端(k)；第二个输入端(g)是 门极（或称栅极）控制信号端。第二个输出端(m)是检测输出向 量[Iak,Uak]端，即检测流经晶闸管的电流(Iak)与晶闸管的正向管 压降(Uak)。晶闸管模型内部的阳极端与阴极端之间还有一条 由 Rs与 Cs组成的阻容吸收回路，对 Rs与 Cs设置不同的数值可以 改变或取消吸收电路。 2.2 单相全控桥式整流电路仿真分析 当负载参数设置为 R=10Ω，L=0.01H 时，由示波器观察到 控制角α=0°的输入电压波形、晶闸管 T1 上流过的电流和两端 的电压波形、负载电压及负载电流波形等，如图 2 所示。图 2 中 我们可清楚地看出晶闸管由一组（如 T1、T4）导通，变为另一组 （如 T2、T3）导通的换流过程，自然换流点在输入电压过零处。 两组晶闸管轮流导通向负载供电，负载上两个半周内都有电流 流过，整流电压和电流是每周期脉动两次的直流电。
由 函 数 表 达 式 可 得 用“ 与 非 ”门 实 现 的 乘 法 电 路 。 用 MATLAB 建立的仿真模型如图 6 所示。仿真实验显示结果与 真值表完全相同，表明验证电路设计是可行且正确的。
图 5 α=60°L=0.5H 有 D 单相全控桥的仿真波形
在传统的实验中，对于电感性负载的电感最大只有几百毫 亨，而为了防止电路在实验中不过流，电阻值一般为几百欧。 本案例使用了 MATLAB 仿真软件，在教学和实验过程中，可以 灵活地改变参数，直观所得到的仿真结果，以弥补实验装置的 不足，克服实验仪器设备易损坏和实验场地不足的困难，提高 学生分析问题和解决问题的能力。
1 MATLAB/Simulink 仿真软件的特点与应用
MATLAB/Simulink 采用直观的图形化形式进行电路图输 入，界面友好、操作方便、简单易学。该软件在 Windows 平台上 运行，其界面与其他 Windows 应用软件相似，因此学生学习使 用时，很容易上手。
Simulink 提供了大量的功能块，建模时用鼠标点击与拖拽 库中的功能块，并将他们连接起来即可。用户可以将功能块组
[J].计算机教育,2008.10:27~28 [4] 袁驷.改进教学模式 切实提高教学质量[J].中国大学教学,2009.1:
11~13 [5] Tony Greeing 著, 麦 中 凡 译.Computer Science Education in the
21st Century[M].高等教育出版社,2002.
图 3 α=60°L=0.01H 单相全控桥的仿真波形
图 2 α=0°L=0.01H 单相全控桥的仿真波形
改变控制极触发脉冲的输入时刻（即改变移相角或控制角 α），当α=60°时，负载上得到的电流不连续，整流电压出现了 负值，波形有间断，如图 3 所示。很显然，控制角α愈小，输出的 电压愈高。
当参数改为α=60°，R=10Ω，L=0.5H 时，为电感负载情 况。单相全控桥式整流电路输出仿真波形如图 4 所示。由于电
期和宽度有关，本文仿真中电压幅值为 100V、频率为 50Hz，由 于触发脉冲频率应与输入电压的频率一致，所以触发脉冲周期 “period(secs)”应设置为 0.02 秒。计算出α=0°、30°和α=60°时 脉冲移相应分别设置为 0、0.02/12 和 0.02/6。另外，触发脉冲 “Pulse1”与“Pulse2”的相位延迟半个周期。将脉冲宽度（Pulse） 设置为脉冲周期的一半（0.01 秒）。所以，本仿真中当α=60° 时 ，“Pulse1”的“phase delay(secs)”设 为 0.02/6，而“Pulse2”的 “phase delay(secs)”应设为（0.01+0.02/6）。
本例由采用两组晶闸管 T1 与 T4、T2 与 T3 组成的桥式全控 整 流 电 路 、续 流 二 极 管 D 及 RL 负 载 等 构 成 主 电 路 。 使 用 MATLAB 仿真软件构建的单相全控桥式整流电路模型如图 1 所示。图 1 中，将两组移相触发脉冲 Pulse1 和 Pulse2 分别加到 正半波导通的晶闸管 T1 与 T4 及负半波导通的晶闸管 T2 与 T3
Y0=A0B0
表 1 乘法电路真值表
A1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 A0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 B1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 B0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Y3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Y2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 Y1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 Y0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
图 4 α=60°L=0.5H 单相全控桥的仿真波形
为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时关断，使负载 上不出现负电压，一般采取在电感性负载两端并联一个二极管 D（称为续流二极管）来解决问题。如图 1 所示。当输入的交流 电压过零值变负后，二极管 D 因承受正向电压而导通，于是负载 电感上感应电动势产生的电流经过二极管 D 形成回路，二极管 D 续流导通期间，负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压 而关断。负载上电压波形无负面积，与电阻性负载时相同，而负 载电流与电感性负载一样。负载电阻上消耗的能量是电感元件 释放的能量。当电感足够大时，流过晶闸管的电流为矩形波，负 载电流的变化变得很小，波形近似为一条直线。如图 5 所示。
成子系统来建立多级模型。功能块和连接的数目没有限制。 Simulink 框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户
可以通过菜单执行仿真，或使用命令行进行批处理。仿真结果 可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。
2 MATLAB/Simulink仿真技术在模拟电路教学中的应用
单相桥式全控整流电路可将交流电压变成电压可调的脉 动直流电压，在传统的实验教学中，对于其带电阻性负载，模拟 实验装置可以对理论进行很好的验证。而对于电感性负载的 情况，模拟实验装置就不能完全满足实验的需要。若在教学中 采用 MATLAB 仿真软件的虚拟仪器和仪表，可以很方便地观 察、测量各种负载在不同控制角的情况下，电路各节点的波形 和数值，分析其工作特点。 2.1 构建原理图
Application of MATLAB/Simulink Simulation Technology in Analog and Digital Circuits Teaching
PENG Han，LIN Yong-he，YANG Yi-qi （Dept. of Computer, Guangdong Police College, Guangzhou, Guangdong 510232, China） Abstract：The characteristics of MATLAB/Simulink are introduced, and the virtual simulation design of teaching experiment system is given by combining the examples of analog and digital circuits. The teaching method of simulating experiment by using MATLAB/Simulink is more vivid and lively than usual teaching methods, it improves the teaching effect obviously, and is helpful to develop students’innovation awareness and design capabilities. Key words：MATLAB/Simulink；simulation；analog circuits；digital circuits