Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Физика Лаб 8.09.10.doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
09.11.2019
Размер:
1.53 Mб
Скачать

Лабораторная работа

Изучение возможных искажений электрических сигналов в электронных усилителях

Цель занятия:

1. Исследовать нелинейные и линейные искажения сигналов усилителем.

2.Изучить влияние частотной характеристики усилителя на искажение электрокардиограмм.

Литература:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 18, с. 320 - 324.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 57—62.

ТЕОРЕТИЧЕСКие предпосылки работы:

Усилитель является одним из главных структурных элементов электронных устройств, предназначенных для получения и регистрации параметров медико-биологических объектов. Необходимость его включения в эти устройства обуcловлена тем, что электрические сигналы, возникающие в устройствах съема (биопотенциалы на электродах, электрический ток и напряжение на датчиках), обычно очень малы.

Электронными усилителями называются технические устройства, которые увеличивают электрический сигнал за счет энергии постороннего источника.

На вход усилителя подается входной сигнал х, а с его выхода снимается усиленный выходной сигнал у. Способность усилителя увеличивать подаваемый сигнал количественно оценивается коэффициентом усиления.

Коэффициентом усиления усилителя k называется величина, равная отношению приращения у выходного сигнала к вызвавшему его приращению входного сигнала х:

Если на вход усилителя подается гармонический сигнал, то коэффициент усиления определяется по формуле:

k= 1)

где хm и уm — амплитуды входного и выходного сигналов.

Основное требование, предъявляемое к усилителям, — отсутствие в них искажений, т. е. совпадение формы выходного и входного сигналов

В зависимости от причин, приводящих к их возникновению, различают нелинейные и линейные искажения

Нелинейные (амплитудные) искажения. Зависимость амплитуды ут выходного сигнала от амплитуды хm входного сигнала называется амплитудной характеристикой усилителя: уm = f(xm) Если коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала (k = const), то уm = kxm и амплитудная характеристика усилителя — прямая линия. В этом случае при подаче на вход гармонического сигнала х = х + +хm sin t на выходе усилителя образуется также гармонический сигнал y= y0 + ym sin t (рис. 1).

На практике коэффициент усиления принимает различные значения при различных величинах входного сигнала, и линейная зависимость у = kx выполняется только в ограниченной области входного напряжения. Если входной гармонический сигнал выходит за границы линейного участка амплитудной характеристики (рис. 2), то форма выходного сигнала будет

Рис.1 Рис.2

отличаться от формы входного, т. е. возникнут искажения, которые называются нелинейными или амплитудными.

При нелинейных искажениях выходной сигнал является периодическим, но не гармоническим. Такой сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний:

y=y0+ ym1 sin 1t + ут2 sin2t+ ym3sin3t + ...,

где ут1 и 1— амплитуда и круговая частота основной гармоники; ут2, ут3 и 2, 3 — амплитуды и круговые частоты новых гармоник.

В результате нелинейных искажений гармонический спектр выходного сигнала отличается от гармонического спектра входного сигнала.

Степень искажения оценивается коэффициентом нелинейных искажений :

(2)

Для предупреждения возникновения нелинейных искажений необходимо, чтобы входной сигнал не выходил за границы линейной части амплитудной характеристики усилителя.

Линейные искажения. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, сопротивления которых зависят от частоты, то и коэффициент усиления усилителей зависит от частоты.

Частотная характеристика усилителя — это зависимость коэффициента усиления k от частоты ν или круговой частоты сигнала (рис. 3).

k

kmax

kmax / √2

0 ν1 ν2

Рис. 3

Если на вход усилителя подается периодический, но не гармонический сигнал, который содержит несколько гармоник с различными частотами νx, ν2, ν3, ..., то вследствие зависимости коэффициента усиления от частоты, амплитуды хm1 , хm2 , xm3 … , различных гармоник могут быть усилены в различной степени. В этом случае форма выходного сигнала будет отличаться от формы входного сигнала, т.е. возникают линейные искажения.

Линейными (частотными) искажениями называются искажения, которые возникают при усилении периодического, но не гармонического сигнала, вследствие того, что коэффициент усиления усилителя зависит от частоты.

Принято считать, что уменьшение коэффициента усиления до величины kmax не приводит к искажению сигнала. Диапазон частот vx - v2 на частотной характеристике усилителя, в котором коэффициент усиления изменяется незначительно, называется полосой пропускания усилителя (см. рис. 3). Для предупреждения возникновения линейных искажений необходимо, чтобы частоты всех гармоник входного сигнала находились в пределах полосы пропускания усилителя.

Особенно важное значение имеет предупреждение искажений сигналов в приборах, предназначенных для регистрации биопотенциалов (электрокардиограф, электроэнцефалограф и др.). Биопотенциалы сравнительно медленно изменяются со временем, поэтому в этих приборах используются усилители, полоса пропускания которых лежит в области низких частот.

Амплитуда биопотенциалов сравнительно мала, поэтому при их снятии, усилении и записи могут появляться дополнительные сигналы приборного или биологического происхождения — помехи, может оказаться невозможной регистрация таких потенциалов, особенно если помехи их превосходят.

Одним из способов уменьшения влияния помех является их усреднение. В основе этого метода лежат два факта:

-биопотенциал может многократно повторяться, по крайней мере, в течение некоторого интервала времени, например повторение циклов ЭКГ;

-помеха (приборного или биологического происхождения) случайна, она может быть как положительной, так и отрицательной относительно некоторого уровня. Поэтому при многократном повторении полезного сигнала суммирование помех приводит к нулевому результату, т. е. отклонение суммарной помехи от нуля будет маловероятным.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что такое электронный усилитель?

2. Каковы особенности усиления биоэлектрических сигналов?

3. Дайте определение коэффициента усиления усилителя.

4. Что называется амплитудной характеристикой усилителя?

5. Объясните механизм образования амплитудных искажений.

6. Что называется частотной характеристикой усилителя?

7. Объясните механизм образования частотных искажений.

8. В чем заключается метод «усреднения помехи»?

Приборы и принадлежности:

персональный компьютер.

Схема работы

Последовател-ность действий

Способ выполнения задания

1. Исследование амплитудных искажений гармонического сигнала

1. Ознакомьтесь с расположением информации на экране. Экран разделен на четыре поля, которым присвоены номера: левое верхнее 1, правое верхнее 2, левое нижнее 3 и правое нижнее 4. В поле 4 изображен график временной зависимости входного сигнала: по горизонтальной оси — входная величина х = х0 + xm sin t, ось времени t направлена вниз. В поле 2 изображена амплитудная характеристика усилителя. В поле 1 изображен график временной зависимости выходного сигнала у (ось времени направлена справа налево), а также гармонический спектр выходного сигнала. По виду этого спектра можно судить о наличии амплитудных искажений в усилителе, так как в этом случае в спектре кроме постоянной составляющей и основной гармоники содержатся дополнительные гармоники.

2. Задайте такие значения параметров х0 и хm входного сигнала, чтобы выходной сигнал был искаженным, и определите по его гармоническому спектру амплитуды постоянной составляющей у0, основной ут1 и дополнительных ут2, ут3 гармоник.

3. Вычислите коэффициент нелинейных искажений у (см. форм. (2)).

4. Проделайте действия п. 2 и 3 при других значениях xо и xm.

5. Опыт повторите пять раз. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

6. Изменяя значения параметров х0 и хт, определите границы х1 и х2 линейной части амплитудной характеристики. Результаты занесите в тетрадь.

Таблица 1

Значение параметров

x0

xm

y0

ym1

ym2

ym3

1

2

3

4

5

2.Исследование частотных искажений усилителя

1. Ознакомьтесь с расположением информации на экране. В поле 4 в виде таблицы приведены параметры гармонического спектра входного периодического сигнала. В поле 2 изображена частотная характеристика усилителя и совмещенный с ней гармонический спектр входного сигнала. В поле 1 изображена временная зависимость выходного сигнала.

2. Изменяя положение частотной характеристики, определите значения коэффициента усиления при частотах v0 = 0, vx, v2, v3, соответствующих постоянной составляющей и гармоникам входного сигнала;. Вычислите значения у0 и ут1, ут2, ут3 амплитуд постоянной составляющей и гармоник выходного сигнала: ут = kxm (значения х0 и хт1, хт2, хт3 возьмите из таблицы, приведенной в поле 4).

3. Проведите описанные измерения и вычисления при пяти различных положениях частотной характеристики.

4. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

5. По данным таблицы 2 изобразите гармонические спектры входных и выходных сигналов.

6. Получите в поле 1 экрана график выходного сигнала, образующегося при подаче на вход усилителя гармонического сигнала, частота которого указана в поле 4.

7. Изменяя частоту v, определите по изменению амплитуды выходного сигнала нижнюю v1 и верхнюю v2 границы полосы пропускания.

8. Полученные значения запишите в тетрадь. В данном задании полосой пропускания считают горизонтальный участок частотной характеристики.

Таблица 2

Положение частотной

характиристики

1

2

3

4

5

v

xm

k

ym

k

ym

k

ym

k

ym

k

ym

3. Исследование влияния частотной характеристики усилителя на искажения электрокардиограмм

1. Ознакомьтесь с расположением информации на экране: в поле 4 изображен входной сигнал электрокардиографа (истинная электрокардиограмма), в поле 1 — выходной сигнал, в поле 3 — частотная характеристика усилителя и совмещенный с ней гармонический спектр входного сигнала.

2. Измерьте высоту h зубцов R иР истинной электрокардиограммы и вычислите отношение .

3. Измерьте hR и hp выходного сигнала при трех положениях частотной характеристики: положение 1 — коэффициент усиления одинаков для всех гармоник, положение 2 — «зарезаются» низкие частоты, положение 3. — «зарезаются» высокие частоты; вычислите для каждого положения отношение выходного сигнала.

4. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 3.

5. Определите, при каком положении частотной характеристики сигнал ЭКГ усиливается без искажений.

Таблица 3

Зубец ЭКГ

Истинная электрокарди-ограмма

Положение частотной

характеристики

1

2

3

hR

hP

4. Иллюстрация устранения влияния помехи на полезный сигнал

1. Сравните форму выходного сигнала (поле 1) с входным (полезным) сигналом (поле 4) при его однократном прохождении через усилитель.

2. Запуская многократное повторение входного сигнала (20, 50 и 100 раз), пронаблюдайте изменение вида выходного сигнала.

3. Сделайте вывод о влиянии количества повторений на устранение помехи.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]