示波器實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革*

馬 堃

(黃山學(xué)院信息工程學(xué)院 安徽 黃山 245041)

1 引言

示波器是一種用途廣泛的電信號(hào)測(cè)量儀器，利用它可以直觀地觀察電信號(hào)的波形，獲取電信號(hào)的電壓、頻率和周期等參數(shù).示波器原理和使用是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)里一個(gè)具有代表性的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大部分高校都將其設(shè)置為必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一[1～3].該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ǎ毫私馐静ㄆ鞯慕Y(jié)構(gòu)和顯示波形原理；學(xué)會(huì)用示波器觀察波形及測(cè)量電壓、周期和頻率以及學(xué)會(huì)利用利薩如圖形測(cè)量待測(cè)信號(hào)頻率等3個(gè)方面.傳統(tǒng)模擬示波器主要采用電子顯像管顯示波形，電子槍發(fā)射電子，電子在飛行路徑上受到X極板和Y極板作用導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏移，電子最終落在熒光屏的不同位置.該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目增加學(xué)生對(duì)帶電離子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)知識(shí)掌握，提高學(xué)生對(duì)相互垂直方向振動(dòng)合成的理解，擴(kuò)展學(xué)生對(duì)信號(hào)采集和分析方面的能力有很大的幫助.隨著科技的進(jìn)步，在工程應(yīng)用中數(shù)字示波器逐步取代了模擬示波器，成為信號(hào)采集的主流設(shè)備.目前的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容顯然落后于科技的發(fā)展，為了改變這種現(xiàn)狀，有不少高校對(duì)示波器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了改造.包括采用其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目代替?zhèn)鹘y(tǒng)的示波器的使用；在原有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展；直接利用數(shù)字示波器代替模擬示波器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)等[4,5].

我校于2019年將模擬示波器整體替換為數(shù)字示波器.由于數(shù)字示波器顯示波形的原理與模擬示波器不同，超出了大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容.因此在教學(xué)中該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理部分我們只是簡單介紹，重點(diǎn)講解示波器的使用，包括示波器的信號(hào)采集、利薩如圖形測(cè)量待測(cè)信號(hào)頻率、信號(hào)存儲(chǔ)和導(dǎo)出、函數(shù)信號(hào)的編輯等.教學(xué)的同時(shí)，我們也積極拓展該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容.本文介紹我們利用數(shù)字示波器，結(jié)合光電反射式模擬傳感器，搭建了脈搏采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)人體脈搏測(cè)量進(jìn)行了初步研究等工作.

2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用脈搏傳感器的電路板如圖1所示，直徑為16 mm，厚度為1.2 mm，外接供電電壓需在3.3～5 V之間，電流大小為4 mA，LED發(fā)光的峰值波長為515 nm的綠光.該脈搏傳感器利用的原理是光電容積法，即它通過脈搏搏動(dòng)時(shí)充血對(duì)光的透光率不同來采集脈搏信號(hào)，并通過濾波電路和放大電路.對(duì)采集到的脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波放大，便于觀察.

圖1 光電反射式模擬傳感器

本實(shí)驗(yàn)采用的是GA1062CAL型數(shù)字示波器，帶寬60 MHz，采樣率1 GSa/s，如圖2所示.實(shí)驗(yàn)時(shí)，將傳感器采集到的電流信號(hào)接入到數(shù)字示波器的輸入端口，通過調(diào)節(jié)示波器，可以觀察到時(shí)域信號(hào)的波形，將信號(hào)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在示波器的內(nèi)存中.

圖2 數(shù)字示波器

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

與模擬示波器不同，數(shù)字示波器通過模擬轉(zhuǎn)換器將被測(cè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).它不僅能在屏幕上顯示信號(hào)形狀，也可以存儲(chǔ)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行簡單的運(yùn)算.圖3表示耳垂處脈搏信號(hào)在示波器上的顯示，該信號(hào)為時(shí)域信號(hào)，即橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為信號(hào)強(qiáng)度值.

圖3 示波器顯示耳垂處的脈搏信號(hào)

3.2 信號(hào)處理

為了便于對(duì)信號(hào)進(jìn)一步的處理，將該信號(hào)儲(chǔ)存后從示波器中導(dǎo)出.導(dǎo)出的數(shù)據(jù)再導(dǎo)入到Origin軟件中進(jìn)行處理.圖4(a)為圖3導(dǎo)入Origin軟件后的時(shí)域信號(hào)圖.可以看出主脈沖等時(shí)間間隔出現(xiàn)，每個(gè)主脈沖旁邊有若干個(gè)小的波峰.為了分析這些小的波峰，我們采用離散傅里葉變換技術(shù)，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，結(jié)果在圖4(b)中給出.在頻域圖中可以看出，除基頻1.333 3 Hz外，還有若干個(gè)頻率峰值，其頻率值分別為2.666 6 Hz，3.999 9 Hz以及5.333 2 Hz.這些信號(hào)分別為基頻的2倍、3倍、4倍等，我們稱為高次諧波.

為了更好地分析脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，我們分別對(duì)男生和女生的耳垂、手腕和手指3個(gè)部位分3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行采集.表1中給出了各采集樣本經(jīng)過傅里葉變換后的基頻值.

表1 人體不同位置、不同時(shí)間、不同性別的基頻信號(hào)大小

從表1可以看出，人體各部位基頻信號(hào)的頻率差異在0.5 Hz之內(nèi)，手腕信號(hào)較穩(wěn)定，在一天中起伏不大，這也是古代老醫(yī)生挑選手腕為把脈位置的原因之一.我們采用手腕信號(hào)來計(jì)算人1 min脈搏跳動(dòng)的次數(shù)，左手腕的基頻為1.333 33 Hz，即1 min人的脈搏就跳動(dòng)約80次.根據(jù)醫(yī)學(xué)知識(shí)可知，正常人脈搏1 min跳動(dòng)次數(shù)為60次至100次.不同性別之間同一部位的脈搏頻率差異不大.

圖5給出了男生3個(gè)身體部位在不同時(shí)間段的脈沖基頻情況.

圖5 男性-基頻信號(hào)分析圖

從圖中可以看出，上午9：30時(shí)，耳垂處信號(hào)基頻最大，食指處的信號(hào)基頻最小，之間相差0.45 Hz；在14：00時(shí)，3處信號(hào)采集點(diǎn)的信號(hào)基頻相等；在21：00時(shí)，食指處信號(hào)的基頻最大，耳垂和手腕處的基頻相等.另外，我們還發(fā)現(xiàn)食指處信號(hào)的基頻在一天中變化最大，而手腕處信號(hào)的基頻在一天中變化最小.

圖6給出了21：00時(shí)男生和女生不同部位的基頻情況.從圖可以看出，男生和女生耳垂處信號(hào)的基頻數(shù)值是一樣的；食指處信號(hào)的基頻值男性大于女性，手腕相反，即女性手腕處信號(hào)的基頻值大于男性.

圖6 不同性別的基頻信號(hào)分析圖

4 總結(jié)

教育要跟上時(shí)代的進(jìn)步，一些陳舊的教學(xué)內(nèi)容可以用新的內(nèi)容替代.模擬示波器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一直以來是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)加深學(xué)生理解帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)以及振動(dòng)的合成等知識(shí)點(diǎn)，鍛煉學(xué)生使用示波器采集和分析信號(hào)的能力都起到了十分重要的作用.但科技是不斷進(jìn)步的，教學(xué)也要跟上時(shí)代的發(fā)展.在工程應(yīng)用中大多使用數(shù)字示波器的背景下，我們?cè)诮虒W(xué)中積極探索數(shù)字示波器的使用及其知識(shí)拓展顯得非常必要.本文在此基礎(chǔ)上給出了數(shù)字示波器的一個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，希望對(duì)示波器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新方面起到一定的借鑒作用.