示波器實驗的教學改革*

馬 堃

(黃山學院信息工程學院 安徽 黃山 245041)

1 引言

示波器是一種用途廣泛的電信號測量儀器，利用它可以直觀地觀察電信號的波形，獲取電信號的電壓、頻率和周期等參數.示波器原理和使用是大學物理實驗里一個具有代表性的經典實驗項目，大部分高校都將其設置為必做的實驗項目之一[1～3].該實驗的實驗目的包括：了解示波器的結構和顯示波形原理；學會用示波器觀察波形及測量電壓、周期和頻率以及學會利用利薩如圖形測量待測信號頻率等3個方面.傳統模擬示波器主要采用電子顯像管顯示波形，電子槍發射電子，電子在飛行路徑上受到X極板和Y極板作用導致運動發生偏移，電子最終落在熒光屏的不同位置.該實驗項目增加學生對帶電離子在電場中運動知識掌握，提高學生對相互垂直方向振動合成的理解，擴展學生對信號采集和分析方面的能力有很大的幫助.隨著科技的進步，在工程應用中數字示波器逐步取代了模擬示波器，成為信號采集的主流設備.目前的實驗項目教學內容顯然落后于科技的發展，為了改變這種現狀，有不少高校對示波器實驗項目進行了改造.包括采用其他實驗項目代替傳統的示波器的使用；在原有傳統實驗基礎上對教學內容進行擴展；直接利用數字示波器代替模擬示波器進行實驗教學等[4,5].

我校于2019年將模擬示波器整體替換為數字示波器.由于數字示波器顯示波形的原理與模擬示波器不同，超出了大學物理教學內容.因此在教學中該實驗項目的原理部分我們只是簡單介紹，重點講解示波器的使用，包括示波器的信號采集、利薩如圖形測量待測信號頻率、信號存儲和導出、函數信號的編輯等.教學的同時，我們也積極拓展該實驗項目的教學內容.本文介紹我們利用數字示波器，結合光電反射式模擬傳感器，搭建了脈搏采集實驗平臺，并對人體脈搏測量進行了初步研究等工作.

2 實驗原理

本實驗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，即它通過脈搏搏動時充血對光的透光率不同來采集脈搏信號，并通過濾波電路和放大電路.對采集到的脈搏信號進行濾波放大，便于觀察.

圖1 光電反射式模擬傳感器

本實驗采用的是GA1062CAL型數字示波器，帶寬60 MHz，采樣率1 GSa/s，如圖2所示.實驗時，將傳感器采集到的電流信號接入到數字示波器的輸入端口，通過調節示波器，可以觀察到時域信號的波形，將信號數據儲存在示波器的內存中.

圖2 數字示波器

3 實驗數據記錄及處理

3.1 數據采集

與模擬示波器不同，數字示波器通過模擬轉換器將被測電信號轉換為數字信號.它不僅能在屏幕上顯示信號形狀，也可以存儲信號并對其進行簡單的運算.圖3表示耳垂處脈搏信號在示波器上的顯示，該信號為時域信號，即橫坐標為時間軸，縱坐標為信號強度值.

圖3 示波器顯示耳垂處的脈搏信號

3.2 信號處理

為了便于對信號進一步的處理，將該信號儲存后從示波器中導出.導出的數據再導入到Origin軟件中進行處理.圖4(a)為圖3導入Origin軟件后的時域信號圖.可以看出主脈沖等時間間隔出現，每個主脈沖旁邊有若干個小的波峰.為了分析這些小的波峰，我們采用離散傅里葉變換技術，將時域信號轉換為頻域信號，結果在圖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的特點，我們分別對男生和女生的耳垂、手腕和手指3個部位分3個時間段進行采集.表1中給出了各采集樣本經過傅里葉變換后的基頻值.

表1 人體不同位置、不同時間、不同性別的基頻信號大小

從表1可以看出，人體各部位基頻信號的頻率差異在0.5 Hz之內，手腕信號較穩定，在一天中起伏不大，這也是古代老醫生挑選手腕為把脈位置的原因之一.我們采用手腕信號來計算人1 min脈搏跳動的次數，左手腕的基頻為1.333 33 Hz，即1 min人的脈搏就跳動約80次.根據醫學知識可知，正常人脈搏1 min跳動次數為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個身體部位在不同時間段的脈沖基頻情況.

圖5 男性-基頻信號分析圖

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

圖6給出了21：00時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的基頻數值是一樣的；食指處信號的基頻值男性大于女性，手腕相反，即女性手腕處信號的基頻值大于男性.

圖6 不同性別的基頻信號分析圖

4 總結

教育要跟上時代的進步，一些陳舊的教學內容可以用新的內容替代.模擬示波器實驗項目一直以來是大學物理實驗的傳統實驗項目.該實驗項目對加深學生理解帶電粒子在電場中運動以及振動的合成等知識點，鍛煉學生使用示波器采集和分析信號的能力都起到了十分重要的作用.但科技是不斷進步的，教學也要跟上時代的發展.在工程應用中大多使用數字示波器的背景下，我們在教學中積極探索數字示波器的使用及其知識拓展顯得非常必要.本文在此基礎上給出了數字示波器的一個拓展實驗內容，希望對示波器的實驗教學改革和創新方面起到一定的借鑒作用.