用python绘制电路图像

用scipy中的odeint模块可以求微分方程的数值解，笔者基于此功能创作了一个极其简陋的电路计算器，给定电路参数，可以绘制出对应的波形。

from scipy.integrate import odeint
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import math'''以下所有数据均为国际单位!!'''
Vs = 1  # 电压源电压(恒压源值,方波峰值,交流源峰值)
iS = 1  # 电流源电流(同上)
T0 = 5  # 周期
R = 1
C = 1
L = 1dots1 = 200  # 一阶电路采样点数
dots2 = 1000  #  二阶电路采样点数def pulse(t):  #生成一个低值为0,高值为1的方波,周期为T0的方波pulse = 1for k in range(1, 100, 1):pulse = pulse + 4 * np.sin((2 * k - 1) * 2 * np.pi * t / T0) / ((2 * k - 1) * np.pi)return 0.5 * pulse# 一阶RC电路,返回电容电压
def RC_diff(Vc, t):if flag == 0:return np.array(-Vc / (R * C) + Vs / (R * C))elif flag == 1:return np.array(-Vc / (R * C) + Vs * np.sin(2 * np.pi * t / T0) /(R * C))elif flag == 2:return np.array(-Vc / (R * C) + Vs * pulse(t) / (R * C))# 一阶RL电路,返回电感电流
def RL_diff(iL, t):if flag == 0:return np.array(-iL * R / L + R * iS / L)elif flag == 1:return np.array(-iL * R / L + R * iS * np.sin(2 * np.pi * t / T0) / L)elif flag == 2:return np.array(-iL * R / L + iS * pulse(t) * R / L)# 二阶RLC电路
def RLC_diff(state_vector, t):Vc, iL = state_vectorif flag == 0:return np.array([iL / C, -R * iL / L - Vc / L + Vs / L])elif flag == 1:return np.array([iL / C, -R * iL / L - Vc / L + Vs * np.sin(2 * np.pi * t / T0) / L])elif flag == 2:return np.array([iL / C, -R * iL / L - Vc / L + Vs * pulse(t) / L])def plot(mode, submode):if (mode == 1):if (submode == 1):tau = R * Ct = np.linspace(0, 5 * tau, dots1)result = odeint(RC_diff, [0, 0], t)plt.xlabel('t')plt.ylabel('Vc')plt.xlim(0, 5 * tau)if flag == 0:plt.ylim(0, Vs)else:plt.ylim(-Vs, Vs)plt.plot(t, result)plt.show()elif (submode == 2):tau = L / Rt = np.linspace(0, 5 * tau, dots1)result = odeint(RL_diff, [0, 0], t)plt.xlabel('t')plt.ylabel('iL')plt.xlim(0, 5 * tau)plt.ylim(0, iS)if flag == 0:plt.ylim(0, iS)else:plt.ylim(-iS, iS)plt.plot(t, result)plt.show()elif (mode == 2):damping_factor = R * math.sqrt(C / L) / 2  # 阻尼系数ξomega = 1 / math.sqrt(L * C)  # 自由振荡频率if (submode == 1):'''LC谐振腔的品质因数Q = 1/(2*ξ)经过Q个周期，振铃幅度衰减为4.3%以下经过1.5Q个周期，振铃幅度衰减为1%以下经过2.2Q个周期，振铃幅度衰减为0.1%以下'''if (damping_factor < 1 and damping_factor > 0):  #欠阻尼T = 2 * math.pi / (omega * math.sqrt(1 - damping_factor**2))  # RLC电路的周期Q = 1 / (2 * damping_factor)t = np.linspace(0, 1.5 * Q * T, dots2)result = odeint(RLC_diff, [0, 0], t)plt.xlabel('t')plt.ylabel('Vc/iL')plt.xlim(0, 1.5 * Q * T)plt.ylim(-Vs, 2 * Vs)plt.plot(t, result)plt.show()'''过阻尼下的时间常数τ1=(ξ+sqrt(ξ^2-1))/ω(长寿命项),τ2=(ξ-sqrt(ξ^2-1))/ω(短寿命项)短期行为看短寿命项,长期寿命看长寿命项'''elif (damping_factor > 1):  # 过阻尼tau = (damping_factor +math.sqrt(damping_factor**2 - 1)) / omegat = np.linspace(0, 5 * tau, dots2)result = odeint(RLC_diff, [0, 0], t)plt.xlabel('t')plt.ylabel('Vc/iL')plt.xlim(0, 5 * tau)plt.ylim(-Vs, 2 * Vs)plt.plot(t, result)plt.show()'''临界阻尼中有一项是e^(-ωt),有一项是t*e^(-ωt),这里定义其时间常数τ=1/ω'''elif (damping_factor == 1):  # 临界阻尼tau = 1 / omegat = np.linspace(0, 5 * tau, dots2)result = odeint(RLC_diff, [0, 0], t)plt.xlabel('t')plt.ylabel('Vc/iL')plt.xlim(0, 5 * tau)plt.ylim(-Vs, 2 * Vs)plt.plot(t, result)plt.show()else:  # 无阻尼T = 2 * math.pi / omegat = np.linspace(0, 5 * T, dots2)result = odeint(RLC_diff, [0, 0], t)plt.xlabel('t')plt.ylabel('Vc/iL')plt.xlim(0, 5 * T)plt.ylim(-2 * Vs, 2 * Vs)plt.plot(t, result)plt.show()def main():global flagflag = int(input('choose the power mode (0--vdc 1--vsin 2--vpulse):'))mode = int(input('choose the order of the circuit (1 or 2):'))if (mode == 1):submode = int(input('choose the circuit type (1--RC 2--RL):'))plot(mode, submode)elif (mode == 2):submode = int(input('choose the circuit type (1--RLC(in series)):'))plot(mode, submode)if __name__ == "__main__":main()

效果

方波激励RC电路：

欠阻尼下的RLC电路：

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效果

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