Python 使用Matplotlib、NumPy和Scipy绘制方波

方波是一种非正弦波形，在电路和数字电路中广泛用于显示信号。基本上，这些电路使用方波来表示输入和输出，或者开和关。Python提供了几种绘制方波的方法，包括Matplotlib、NumPy和Scipy库。这些库提供了各种内置方法来进行数据可视化，使得创建和自定义方波图形变得容易。

Python绘制方波的程序

在讨论示例程序之前，有必要熟悉Matplotlib、NumPy和Scipy库的基础知识。

Matplotlib

这是最古老和最常用的用于绘图的Python库。它提供了一个低级接口，使我们可以完全控制我们的图形的方方面面，如坐标轴、标签、图例、颜色、标记等等。我们还可以将它与其他库，如NumPy和Pandas集成，以绘制来自各种来源的数据。

NumPy

这是一个强大的Python库，用于存储和操作大型多维数组。在我们的示例程序中，我们将使用这个库生成方波的随机数据点。

Scipy

Python的scipy库用于科学计算。它提供了一个内置模块集合，用于各种操作，如信号处理、积分、插值等等。我们将使用其中的内置方法’signal.square()’来返回一个方波波形。

示例1

以下示例演示如何使用matplotlib、numpy和scipy绘制具有网格的方波。

方法

首先，导入numpy库并使用别名’np’，从matplotlib库中导入pyplot模块并将其重命名为plt。还要从scipy中导入模块’signal’。
接下来，将频率和振幅分别设置为5和1。
使用内置方法’arange()’生成值从0到1，步长为0.001，并将它们存储在axisX变量中。
计算周期，等于频率的倒数。
现在，调用signal.square()方法，该方法以2 pi、频率和axisX的乘积作为参数，生成方波信号。返回的波形将存储在axisY变量中。
然后，使用plot()方法绘制方波，其中的参数为axisX和axisY。
使用相应的内置方法提供一些附加细节，如x轴和y轴标签、标题和网格线。
最后，使用’show()’方法显示绘图。

# importing required packages
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy import signal
# Setting frequency and amplitude for square wave
frequency = 5
amplitude = 1
# To generate values from 0 to 1 with a step size of 0.001
axisX = np.arange(0, 1, 0.001)
# Generating square wave signal using frequency and amplitude
period = 1.0 / frequency
axisY = amplitude * signal.square(2 * np.pi * frequency * axisX)
# Plotting the square wave with title and labels
plt.plot(axisX, axisY)
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Amplitude')
plt.title('Square Wave Graph')
plt.grid(True)
# to display the final graph
plt.show()

输出

Python 使用Matplotlib、NumPy和Scipy绘制方波

示例2

在这个示例中，我们将演示如何绘制一个带有水平线（表示波形中点）的方波图。为了实现这个目标，我们将在之前示例代码的基础上添加一行额外的代码，使用axhline()方法绘制一个指定位置的水平线。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy import signal
# Setting frequency and amplitude for square wave
frequency = 5
amplitude = 1
# To generate values from 0 to 1 with a step size of 0.001
axisX = np.arange(0, 1, 0.001)
# Generating square wave signal using frequency and amplitude
period = 1.0 / frequency
axisY = amplitude * signal.square(2 * np.pi * frequency * axisX)
# Plotting the square wave with title and labels
plt.plot(axisX, axisY)
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Amplitude')
plt.title('Square Wave Graph')
plt.axhline(y = 0, color = 'r')
# to display the final graph
plt.show()

输出

Python 使用Matplotlib、NumPy和Scipy绘制方波

示例3

在下面的示例中，我们将绘制带有网格和表示图形中间的水平线的方波。这里，x轴的值将由’axis’提供，而y轴的值将通过调用’signal.square’生成。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy import signal
# To generate values from 0 to 1
axis = np.arange(0, 1, 0.001)
# Plotting the square wave with title and labels
plt.plot(axis, signal.square(2 * np.pi * 5 * axis))
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Amplitude')
plt.title('Square Wave Graph')
plt.axhline(y = 0, color = 'r')
plt.grid(True)
# to display the final graph
plt.show()