Компьютер как осциллограф своими руками: Как сделать осциллограф из своего компьютера — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Как сделать осциллограф из ноутбука

Приобретение дорогостоящего осциллографа может быть неподъемной задачей для начинающего радиолюбителя. Различные приставки к компьютеру и соответствующие программы позволяют заменить устройство и сделать осциллограф из своего компьютера. Кроме экономии средств, появляется возможность сохранить данные измеряемого сигнала на компьютере, и автоматизировать вычисления параметров.

Программы, эмулирующие работу осциллографа

Обработкой сигналов, поступающих на вход компьютера или ноутбука занимаются виртуальные осциллографы. Эти программы имеют интерфейс, схожий с экраном реального осциллографа. Часть приложений предназначена для работы с устройствами на основе звуковых карт, другие взаимодействуют с USB-осциллоскопами.

Программы, работающие через аудиовхода:

Digital Oscilloscope;
SoundCard Oszilloscope;
Российская разработка «Авангард».

Софт для USB-осциллографов:

Aktakom OscilloscopePro.
Simplescope.

Все виртуальные приборы являются двухканальными, снабжены генераторами частот, анализаторами. Проведенные измерения и осциллограммы можно сохранять на ПК. Обычно их не нужно инсталлировать. После распаковки архива и запуска программы появляется интерфейс реального осциллографа с регуляторами настроек.

Методы работы

Компьютер — цифровое устройство, поэтому для измерения аналогового параметра необходимо перевести сигнал в дискретный вид. Для этого используется АЦП — аналогово-цифровой преобразователь. Для вывода данных применяют ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.

Звуковая карта компьютера дискретизирует входящие аналоговые сигналы, подключаемые к входам LINE IN и MIC.

Поэтому аудиоплату можно использовать в качестве АЦП для подачи на компьютер или ноутбук измеряемого сигнала. Так как человек слышит звук в диапазоне 4Гц- 20кГц, то соответственно и аудиокарта работает в низкочастотном спектре. Полученный осциллограф также будет работать в указанном диапазоне.

Еще одним недостатком в работе «звукового» осциллоскопа является ограничение по напряжению, подаваемому на вход. Оно должно быть в пределах 0,5 В для входа MIC и до 2 В для LINE IN. Подключение сигнала амплитудой более 2В выведет из строя звуковую карту или компьютер.

Из-за конструкционных особенностей аудиокарты — наличие разделительного конденсатора на входе, постоянная составляющая электрического тока не будет показана на осциллографе. Но, используя приложение, можно ее измерить. Подавать сигнал лучше на вход LINE IN, так как он имеет наименьший уровень шумов. Минимальный уровень сигнала, который можно измерить — около 1мВ.

Использование таких осциллоскопов ограничено по частоте. Ими можно снимать показания с усилителей, магнитофонов, различных звуковых девайсов, а также микросхем, работающих на частотах до 20 кГц.

На высоких частотах применяется USB-осциллографы, имеющие больше возможностей. Минусом таких устройств является высокая цена.

Конструкция и применение

Осциллограф — сложный электрический прибор. Понять принцип его работы поможет блок-схема.

Имеются два луча развертки: по вертикали — Y и по горизонтали — X. По оси X откладывается значения времени, по Y отображается амплитуда сигнала.

На Y подается сигнал с устройства. Далее он проходит через аттенюатор, который изменяет чувствительность контура. Потом, пройдя предварительный усилитель, попадает в линию задержки, которая «придерживает» сигнал пока не сработает генератор развертки. Оконечный усилитель выводит сигнал на экран осциллоскопа. Чем больше входное напряжение, тем больше амплитуда сигнала.

На X подается пилообразное напряжение с генератора развертки, благодаря чему сигнал на осциллографе получается «растянутым» по времени. Меняя размерность генератора, можно получить изображение с разверткой до тысячных долей секунды.

Чтобы развертка запустилась одновременно с поступлением сигнала, в устройстве предусмотрена система синхронизации. Есть 3 возможных источника синхроимпульсов:

Измеряемый сигнал. Наиболее часто используемый вариант, особенно при постоянной частоте входящего источника.
Электрическая сеть. Частота сети поддерживается с высокой точностью, поэтому через нее возможна синхронизация.
Внешний источник. Используется, как лабораторный генератор сигналов, так и смартфон с приложением, генерирующим синхроимпульсы определенной частоты.

Осциллограф визуализирует форму сигнала, что помогает понять причину неисправности. С помощью устройства снимается АЧХ прибора, есть возможность узнать скорость нарастания импульса в цифровых устройствах.

Используются осциллографы при настройке, ремонте электронных девайсов, будь то бытовая техника, ремонт автотранспорта или орбитальная станция.

Схема и сборка устройства

Существует много схем для изготовления цифрового USB-осциллографа своими руками. Не все доступны для неопытного радиолюбителя. Наиболее легким является сборка устройств на основе звуковой карты, так как здесь нужно собрать только делитель для увеличения порога входящего напряжения.

Подключение через USB

USB-осциллограф сложный в изготовлении своими руками, но высокоточный прибор с большим диапазоном по частоте. Детали для него можно приобрести в магазине или заказать через интернет. Список запчастей следующий:

двусторонняя плата с готовыми дорожками;
АЦП AD9288−40BRSZ;
система собирается на процессоре марки CY7C68013A;
резисторы, трансформаторы, конденсаторы, дроссели — номиналы указаны на схеме;
паяльник и монтажный фен, паяльная паста, флюс и припой;
провод с площадью сечения 0,1 мм 2 и лаковым покрытием;
тороидальный сердечник для изготовления трансформатора;
чип памяти EEPROM flash 24LC64;

реле с управляющим напряжением не более 3,3 В;
операционные усилители AD8065;
преобразователь постоянного тока DC-DC;
USB коннектор;
стеклотекстолит;
разъемы для щупов, корпус для платы.

Схема устройства приведена ниже.

Так как используется двусторонний монтаж, то самостоятельно плату с дорожками изготовить не получится. Надо обратиться к производственному объединению, выпускающему подобные изделия, и сделать заказ со следующими условиями:

стеклотекстолит, на котором будет размечена схема, должен иметь толщину не менее 1,5 мм;
толщина медных дорожек не менее 1 унции (OZ) или 35 мкм;
сквозная металлизация отверстий;
лужение контактных площадок для лучшего припаивания элементов.

Получив заказ, можно приступать к сборке. Вначале собирается конвертер DC-DC, для получения двух постоянных напряжений: +5 В и -5 В. Изготавливается он отдельно от основного устройства, а затем подсоединяется экранированным кабелем.

Далее аккуратно припаять элементы схемы. Особенно быть осторожным при пайке микросхем, не допускать увеличения температуры паяльника выше 300°С.

Разместив изготовленное устройство в корпусе, подключить его к компьютеру через USB разъем. После этого перемкнуть

перемычку JP1.

Использование аудиокарты

Осциллограф из внешней звуковой карты — малобюджетный и простой в изготовлении осциллоскоп к компьютеру или ноутбуку. Более всего подойдет начинающим радиолюбителям. Можно использовать как внешнее, так и внутреннее звуковое устройство.

Входное напряжение для внутренней звуковой карты компьютера не должно превышать 0,5-2 В. Чтобы измерить сигнал с амплитудой более 2 В, необходимо подать его на компьютер через делитель напряжения. Собирается аттенюатор по следующей схеме.

Подаваемое напряжение уменьшается в 100, 10 или 1 раз, в зависимости от величины. Для этого щупы вставляются в соответствующие разъемы. Точная настройка происходит через

подстроечный резистор. Диоды предохраняют от случайной подачи напряжения более 2 В.

Конструкцию разместить в металлической коробке для устранения возможных наводок. Провод, подключаемый к звуковой карте, должен быть коротким с медной оплеткой. Для создания второго канала необходимо продублировать устройство. Если на карте есть несколько входов, то выбрать с наименьшим внутренним сопротивлением.

Ниже рассматривается схема с использованием внешней USB звуковой карты стоимостью около 2 долларов.

Кроме адаптера понадобятся:

сопротивление на 120 кОм:
коннектор mini Jake;
щупы для измерений.

После приобретения всех запчастей проделать следующие шаги:

Вскрыть аккуратно адаптер, так, чтобы не сломать защелки. Внутри будет небольшая плата.
Снять конденсатор C6 и поставить на его место сопротивление на 120 кОм.
Припаять к щупам коннекторы mini Jack вместо оригинальных и вставить их в адаптер.
Скачатьархив с драйверами устройства и распаковать его в папку. Вставить гаджет в компьютер.
Компьютер запросит драйвера на новое устройство.
Установить их, указав путь к папке.
Нажать на кнопку «Далее» для установки драйверов.

Перед использованием осциллограф необходимо настроить.

Настройка изделий

После сборки USB-осциллографа, на последнем этапе нужно прошить чип памяти EEPROM flash 24LC64. Для этого:

Скачать и установить на компьютер приложение Cypress Suite.
Запустить программу и перейти в меню EZ Console.
Нажать на надпись «LG EEPROM».
Появится окно с файлом прошивки. Выбрать его и запустить клавишей Enter.
Если появилась ошибка «Error», запустить операцию прошивки снова.
После успешного окончания процесса должна появиться надпись «Done». Осциллограф готов к работе.

Перед запуском осциллоскопа на основе внешнего аудиоадаптера проделать следующие действия:

Сохранить файлы miniscope.exe, miniscope.ini и miniscope.log из скачанного архива в отдельной папке. Открыть miniscope.exe.
После запуска программы, зайти в настройки и произвести действия, показанные на рисунках.

Устройство готово к работе.

Калибровка необходима устройству, работающему через аттенюатор и внутреннюю звуковую карту. Для этого подать на гаджет сигнал с известными амплитудой и частотой. Добившись устойчивой развертки, включить измерительную сетку. Согласовывая действия подстроечного резистора с регулировками на панели управления, привести значения сетки к исходным величинам.

Если не получится корректно отобразить значения, то можно отъюстировать сетку при помощи регулировок звука на компьютере. Открыть для этого регулятор громкости, расположенный на панели задач и, двигая ползунок, получить нужный уровень сигнала.

Готовые изделия перед включением обязательно заземлить. Соблюдать осторожность при подаче сигнала на порт звукового адаптера.

Источник: composs.ru

Как сделать своими руками осциллограф из ноутбука

Сегодня часто вместо того, чтобы сделать, например, осциллограф из компьютера, большинство людей предпочитают просто приобрести USB-осциллоскоп. Но, пройдясь по магазинам, можно увидеть, что цена бюджетных осциллографов начинается от 200 долларов. А серьезная аппаратура и вовсе стоит в разы дороже. Именно тем людям, которых не устраивает эта цена, проще всего сделать осциллограф из ноутбука или компьютера своими руками.

Что необходимо использовать

Самая оптимальная сегодня – это программа Osci, она имеет интерфейс, похожий на классический осциллограф: на мониторе находится стандартная сетка, с помощью которой вы сможете сами померить амплитуду или длительность.

Из недостатков этой программы можно выделить то, что она работает немного нестабильно. Во время работы утилита может иногда зависать, а чтобы затем ее сбросить, надо использовать специализированный TaskManager. Но все это компенсируется тем, что программа имеет привычный интерфейс, и довольно удобна в использовании, а также имеет большое количество функций, они дают возможность сделать полноценно работающий осциллограф из компьютера или ноутбука.

На заметку

Нужно сказать, что в комплекте данных программ есть специальный низкочастотный генератор, но его использование нежелательно, он пытается полностью сам контролировать работу драйвера звуковой карты, что провоцирует выключение звука. Если решили его опробовать, позаботьтесь, чтобы у вас была точка восстановления либо сделайте бэкап вашей ОС. Самым оптимальным способом, как сделать своими руками из компьютера осциллограф, будет скачивание рабочего генератора.

Это отечественная программа, она не имеет привычной и стандартной измерительной сетки, и отличается очень большим экраном для фотографирования скриншотов, но в то же время позволяет использовать установленный частотомер и вольтметр амплитудных значений. Это частично компенсирует недостатки, указанные выше.

Сделав этот осциллограф из компьютера, вы столкнетесь со следующим: на небольших уровнях показателей вольтметр и частотомер могут значительно искажать данные, но для новичков-радиолюбителей, эта утилита будет вполне достаточной. Еще одной полезной функцией будет то, что можно делать абсолютно независимую калибровку двух уже находящихся шкал установленного вольтметра.

Как это использовать

Из-за того, что входные цепи звуковой карты имеют специальный разделительный конденсатор, то компьютер в роли осциллографа может работать только с закрытым входом. Таким образом, на мониторе будет видна лишь переменная составляющая показателей, но, имея определенную сноровку, с помощью этих программ можно сделать измерение показателя постоянной составляющей. Это очень актуально в случае, когда, к примеру, время отсчета мультиметра не дает возможности зафиксировать некоторое значение амплитуды напряжения на конденсаторе, заряжающегося с помощью крупного резистора.

Нижнее значение напряжения ограничивается уровнем фона и шума и имеет примерно 1 мВ. Верхний предел ограничивается лишь по показателям делителя и достигает более сотни вольт. Частотный диапазон ограничивается самой возможностью звуковой карты и для старых компьютеров составляет около 20 кГц.

Естественно, в этом случае рассматривается довольно примитивное устройство. Но когда у вас нет возможности, например, использовать USB-осциллограф, то в данном случае его использование вполне приемлемо. Этот прибор поможет вам в ремонте разной аудиоаппаратуры, или может быть использован для учебных целей. Кроме того, программа-осциллограф даст возможность вам сохранить эпюру для иллюстрации материала или для размещения в сети.

Электрическая схема

Если вам необходим приставка к компьютеру, то сделать осциллограф будет гораздо сложнее. Сегодня в интернете можно отыскать довольно большое количество разных схем этих устройств, и для изготовления, например, двухканального осциллографа вам будет необходимо только их продублировать. Второй канал зачастую актуален в случае, когда надо сравнивать два сигнала или же осциллограф используется для подключения внешней синхронизации.

Как правило, схемы очень простые, но так, вы самостоятельно обеспечите очень большой диапазон доступных измерений, используя минимум радиодеталей. Причем аттенюатор, который изготавливается по классической схеме, потребовал бы от вас наличие узкоспециализированных высокомегаомных резисторов, а его сопротивление на входе все время менялось при переключении диапазона. Поэтому вы бы испытывали некоторые ограничения при использовании обычных осциллографических проводов, рассчитанных на импеданс входа не больше 1 мОм.

Как выбрать резисторы делителя напряжения

Из-за того, что зачастую радиолюбители испытывают сложности с тем, чтобы подобрать прецизионные резисторы, часто бывает так, что приходится выбирать устройства широкого профиля, которые надо максимально точно подогнать, иначе сделать своими руками осциллограф из компьютера не получится.

Подстроечные резисторы делителя напряжения

В этом случае каждое плечо делителя имеет два резистора, один является постоянным, второй – подстроечный. Минус этого варианта, это его громоздкость, но точность ограничивается лишь тем, какие доступные характеристики имеет измерительный аппарат.

Как выбрать обычные резисторы

Еще один вариант сделать осциллограф из компьютера – это выбрать пары резисторов. Точность в этом случае обеспечивается благодаря тому, что используются пары из двух комплектов с довольно приличным разбросом. Тут важно изначально выполнить тщательные замеры всех устройств, а после подобрать пары, суммарное сопротивление которых будет самым подходящим для вашей схемы.

Подгонка резисторов

Сегодня подгонка резисторов с помощью удаления части пленки часто используется даже в современной промышленности, то есть так, нередко делается осциллограф из компьютера.

Но нужно сказать, что если вы хотите подгонять высокоомные резисторы, то резистивная пленка не должна быть разрезана насквозь. Так как в этих устройствах она находится на цилиндрической поверхности в виде спирали, потому делать подпил надо предельно аккуратно, чтобы не допустить разрыва цепи. Затем:

Чтобы подогнать резисторы в домашних условиях, надо просто использовать обычную наждачную бумагу «нулевку».
Изначально у резистора, у которого находится меньшее сопротивление, бережно удаляется защитный слой краски.
Затем нужно подпаять резистор к концам, они и подклеиваются к мультиметру. С помощью аккуратных движений наждачкой показатели сопротивления резистора выводятся до нужного значения.

После, когда резистор полностью подогнан, место пропила покрывают слоем специального защитного лака.

Сегодня этот способ наиболее быстрый и простой, но при этом дает хорошие результаты, что и сделало его оптимальным для домашних условий.

Что нужно учесть

Существует ряд правил, которые необходимо выполнять в любом случае, если решили проводить эти работы:

Используемый компьютер для осциллографа обязательно нужно заземлить.
Нельзя подключать заземление к розетке. Оно подсоединяется через специальный корпус линейного входного разъема с корпусом системного блока. В данном случае, независимо, попадаете ли вы в фазу или ноль, у вас не будет замыкания.

Говоря иначе, в розетку может подсоединяться только провод, который соединяется с резистором, и находится в схеме адаптера с номинальным значением один мегом. Если же вы попробуете включить в сеть провод, который контактирует с корпусом, то почти во всех случаях это обязательно приведет к самым плачевным последствиям.

Источник: elektro.guru

Осциллограф своими руками

Устройство с дисплеем на базе электронно-лучевой трубки, предназначенное для изучения параметров времени и амплитуды электрического сигнала, называется осциллографом. Подача сигнала осуществляется на вход устройства, результат записывается на фотоленту или выводится на экран. Оно возглавляет топ самых необходимых приборов, используемых для настройки и регулировки электронных схем.

Осциллограф и его функции

Это электронный прибор, на экране которого наблюдают за формой сигнала. В процессе работы доступен ряд опций:

фиксирование мгновенных характеристик;
аналогия фазовых смещений и форм сигналов с иными импульсами;
контроль и мониторинг синусоидальных, треугольных и прямоугольных колебаний;
развёртка импульса для измерения времени нарастания.

Проще говоря, это телевизионный приёмник, где отслеживается электросигнал визуально. Зная принципы работы и схему устройства, собирают осциллограф своими руками.

Классифицировать приборы возможно по следующим показателям:

особенности работы и предназначение;
количество сигналов, просматриваемых разом;
способ обработки информации;
вид воспроизводящего устройства.

По особенности работы подразделяются на модели: скоростные, стробоскопические, универсальные, запоминающие и специальные. Количество одновременно подающихся сигналов – один, два и более.

Важно! Многоканальные n-осциллографы высвечивают на экран n-графиков, считывая показания с n-го количества сигнальных входов.

Аналоговые и цифровые устройства делят между собой методы обрабатывания полученной информации. Узлы отображения сигналов представлены электронно-лучевыми трубками «ЭЛТ» или матричными панелями.

Схема простого осциллографа

Чтобы понять, как устроен прибор, изучают стандартную блок-схему.

В формировании сигнала на экране участвуют два вида отклонения луча: по вертикали и горизонтали. Пользуясь системой координат, эти развёртки обозначили как: Y и Х.

В блоке развёртки по вертикали выполняется обработка сигнала, подающегося в канал через аттенюатор. Он ступенчато регулирует амплитуду исследуемых величин, не допуская превышения должного уровня. Это удерживает изображение в границах дисплея.

Для синхронизации работы узла задающего генератора Х – отклонения с канала вертикальной развёртки на него подаётся сигнал. По умолчанию канал Y работает в открытом режиме. Отклонение луча по вертикали в этом случае в точности совпадает с уровнем сигнала. Помеха постоянной составляющей, при её наличии, будет смещать картинку или же загонять за границы дисплея. Это сильно мешает работе и требует постоянной подстройки ступенчатого регулятора.

Использование режима закрытого входа помогает этого избежать. Закрытый видеовход подразумевает включение конденсатора между ним и схемой. Конденсатор играет роль ёмкостного фильтра для постоянной составляющей входного сигнала.

Канал горизонтальной развёртки (X) подсоединяется к генератору. Тот выдаёт команды для отклонения луча ЭЛТ по горизонтали и действует в четырёх позициях:

Режим внутренней синхронизации. Применяется для обработки сигнала, имеющего постоянную частоту. Возможна работа в режиме автоколебаний, где частота выставляется вручную. Выполняются захват частоты сразу после входа и повышение стабильности картинки.
Режим внешней синхронизации, когда выполняется пуск генератора от входящего импульса. Актуален, когда синхронизация осуществляется от входа Y, по которому подаётся испытуемый сигнал. Команда запуска выполняется по фронту или спаду всплеска, а также по команде источника внешних пульсаций. Такой регламент работы удобен для рассмотрения нестабильных колебаний.
Обеспечение синхронизации от сети питания 220 В, 50 Гц. Используется при определении искажений и помех от источников питания. Запуск блока происходит одновременно с импульсами напряжения сети.
Однократный ручной пуск применим для слежения за сигналами логических схем непериодической природы. Чтобы снова включить генератор, его опять «взводят».

К сведению. Окончательное формирование уровней сигналов двух развёрток выполняют оконечные усилители.

Одноканальная модель

Такой прибор имеет один вход – один луч. Структурное строение показано на рис. выше. В состав схемы входят:

экран – ЭЛТ;
блок Y-развёртки: аттенюатор, предварительный усилитель, цепь задержки, начальное усиление синхронизации и оконечный усилитель выхода;
блок Х-развёртки: устройство синхронизации, узел развёртки, выходной усилитель;
схема усиления подсветки;
калибратор;
сетевой блок питания.

В таком приборе сигнал мониторинга подаётся на один вход и отображается движением луча на экране. Этого хватает для проведения измерений ряда параметров.

Двухканальные устройства

Когда требуется сравнить два вида сигнала, применяют такие приборы. Выделяют две разновидности:

Двухканальные – для наблюдения импульсов с идентичных Y-каналов. Переключая тумблером, поочерёдно подают выходные сигналы на пластины ЭЛТ. Наблюдают отдельно каждый сигнал входов Y1-Y2 или совместно. Второй – при каждом обратном ходе развёртки.
Двухлучевые – у них в наличии два отдельных Y-канала и двухлучевое исполнение ЭЛТ. У такого прибора совместный запуск генератора горизонтальной развёртки, включение вертикальной развёртки происходит для каждого канала отдельно. Это разрешает видеть 2 осциллограммы одновременно.

Многоканальные модификации

Современные аппараты выполняют мониторинг импульсов по нескольким каналам. Различают входы: аналоговые, цифровые или смешанные. Модели со смешанными каналами обрабатывают оба вида сигнала с выводом картинки на монитор.

Сборка устройства на 5 В

Полноценный цифровой прибор этой линейки без собственного дисплея называется USB oscilloscope. Продаются наборы комплектующих материалов для изучения работы с подобными устройствами. В комплект входят:

прибор;
кабель питания юсб;
2 щупа с «крокодилами»;
программный продукт на диске.

Подключается к ПК через шнур USB. Собранный из набора измеритель подойдёт для приобретения начальных навыков. В самодельных схемах такая приставка собирается на микросхеме ММР20.

Осциллографы на 10 В

В схемах с подобным напряжением применяются резисторы закрытого типа и стабилитрон. Их параметры чувствительности по вертикали подбираются до 2 мВ. При расчёте полосы пропускания максимальное сопротивление устройства согласовывается с ёмкостью проводных конденсаторов. Диоды подбирают с напряжением 2 В, резисторы желательно выбирать полевые. Выбор диодов на такое напряжение позволит снизить частоту дискретизации до минимума и увеличить скорость передачи. Из-за быстрой развёртки данных предельная частота резко падает. Использование стабилитрона или делителя, выполненного из модулятора, поможет решить эту проблему.

Как сделать модель на 15 В

При сборке используют линейные резисторы, сопротивление которых на уровне предела – 5 Мом. Это разрешает стабилитрону работать в щадящем режиме. При выборе конденсаторов предварительно тестером измеряется пороговое напряжение.

Внимание! Полученные результаты тестирования, при использовании для прибора настроечных резисторов, бывают неточными. Использовать подобает линейные резисторы.

При сборке не забывают смонтировать порт, присоединяемый через щуп к микросхеме, при этом через шину подключают делитель. Использование вакуумных диодов в сборке позволит контролировать уровень амплитуды колебаний.

Использование резисторов серии ППР1

Приборы, в состав которых входят элементы этой линейки, весьма популярны. Благодаря высокой чувствительности, применяются для мониторинга электроаппаратуры. Для создания этого измерителя потребуются ЭЛТ, импульсный модулятор, выпрямитель и контакторы с обкладками. Установка кенотрона оправдана точностью полученных показаний. Устройство оперативного типа требует установки контроллера.

Величина сопротивления не выше 34 Ома, а проводимость сигнала с коэффициентом 4,2-4,5 Ом. Через модулятор низкой проводимости выполняют подключение USB-порта. Спектральные расширители для схемы берутся импульсного типа.

Важно! Необходимо организовать стабилизацию напряжения, расширитель закрепить рядом с компаратором, который уменьшит тепловые потери.

Модели с резисторами ППР3

Выполнить сборку схемы с этими резисторами допустимо с применением сеточных конденсаторов. Сопротивление ёмкостной цепи Rц возможно до 4 Ом. В сборку на микросхеме ММР20 устанавливают не менее 3 шт. Важно делать проверку проводимости ППР3 до включения схемы.

Устройства с подавлением колебаний

Определение зашумленности сигнала и подавление выполняет отдельный узел. Схемы, включающие в себе такой блок, имеют значения предельной частоты не выше 4 Гц. В этом случае используются аналоговые диоды и микросборки сеточного типа.

Сборка карманного осциллографа на основе «андроида»

Если частота, подлежащая измерениям, лежит в диапазоне 20 кГц (звук слышимости ухом), то используют наушники с микрофоном. Чтобы собрать новый прибор на основе ОС «Андроид», можно обойтись без дополнительных узлов. Из гарнитуры берётся разъём 3,5 мм. К микрофонным контактам припаиваются щупы. Между ними и штекером вставляется коммутатор пределов измерения. Скачивают на телефон приложение «Осциллограф». Сигнал, поступающий на вход микрофона, будет отображаться на экране.

Плюсы и минусы «андроидной» сборки

Недостатков в таком методе больше, чем плюсов. Минусы:

не даёт точности измерений;
разрешает мерить только высокочастотные сигналы;
нельзя померить переходные процессы при постоянном напряжении;
подвергается опасности вход гаджета.

Плюсов мало:

20 минут времени на монтаж;
сборка несложная.

Трудно назвать эту приставку хорошим измерительным прибором.

Сборка осциллографа из планшета

Смонтировать осциллограф из ноутбука или планшета возможно с помощью приставки Hantek-6022BE-2-20-USB-PC. Планшет используется как монитор. Управление измерениями командой – с экрана или «мышкой».

Программное обеспечение для осциллографа на планшете и андроиде

Если usb осциллограф из звуковой карты изготовлен своими руками, скачивается ПО. Программу качают на «Плей Маркете» или других аналогичных сайтах для скачивания приложений. Подобные программы позволяют не только добиться точности измерений для планшета, но и выполнять нужную калибровку сигнала.

Широкодиапазонная частота с помощью отдельного гаджета

Расширить частотный диапазон позволит применение отдельного устройства. Оно включает в себя преобразователь аналога в цифру. Дальнейшая подача импульсов происходит в цифровом формате. Точность измерений повышается. Выпускается в виде портативного прибора с дисплеем.

Осциллограф из планшета на «Андроид»

При приобретении приставки-осциллографа выбирается ОС не «виндовс», а «андроид». Приставка должна поддерживать опции:

вluetooth-канал;
передача данных с помощью Wi-Fi.

Это позволит обойтись без контактной привязки гаджета с приставкой.

Bluetooth-канал

У подключения через Bluetooth присутствуют ограничения:

у тестируемой частоты граница – 1 МГц;
U щупа = 10 В;
зона покрытия – 10 м.

Это ограничивает ресурс при применении подключений такого типа.

Передача данных с помощью Wi-Fi

Подключить осциллограф из планшета фирмы Linux или иного производителя допустимо посредством беспроводной сети – wi fi канала. Пакет измерений выдаётся на планшет без промедления и для неограниченного количества участников проекта. Наличие опции записи позволяет работать с информацией в версиях офлайн и онлайн. Дальность соединения выше, чем у Bluetooth.

USB осциллограф своими руками схема

Используя источник 5 В и подключение через шнур usb, можно самостоятельно собрать такую схему.

Создание подобных приборов самостоятельно оправдано при измерениях, не требующих точных результатов. Подход к решению вопроса – это использование уже готовой полноценной приставки.

Источник: amperof.ru

Как сделать осциллограф из компьютера своими руками?

Довольно часто в последнее время вместо того, чтобы сделать, к примеру, осциллограф из компьютера, многие предпочитают просто купить цифровой USB-осциллоскоп. Однако, пройдясь по рынку, можно понять, что на самом деле стоимость бюджетных осциллографов начинается приблизительно от 250 долларов. А более серьезное оборудование и вовсе имеет цену в несколько раз больше.

Именно для тех людей, которых не устраивает такая стоимость, актуальнее сделать осциллограф из компьютера, тем более что он позволяет решить большое количество задач.

Что нужно использовать?

Одним из наиболее оптимальных вариантов является программа Osci, которая имеет интерфейс, схожий со стандартным осциллографом: на экране есть стандартная сетка, при помощи которой вы можете самостоятельно измерить длительность, или же амплитуду.

Из недостатков данной утилиты можно отметить то, что она работает несколько нестабильно. В процессе своей работы программа может иногда зависать, а для того, чтобы потом ее сбросить, нужно будет использовать специализированный Task Manager. Однако все это компенсируется тем, что утилита имеет привычный интерфейс, является достаточно удобной в использовании, а также отличается достаточно большим количеством функций, которые позволяют сделать полноценный осциллограф из компьютера.

На заметку

Сразу стоит отметить, что в комплекте этих программ есть специализированный генератор низкой частоты, однако его использование крайне не рекомендуется, так как он пытается полностью самостоятельно регулировать работу драйвера аудиокарты, что может спровоцировать необратимое отключение звука. Если вы будете пробовать его применять, позаботьтесь о том, чтобы у вас была собственная точка восстановления или возможность сделать бэкап операционной системы. Наиболее оптимальным вариантом того, как сделать из компьютера осциллограф своими руками, является скачивание нормального генератора, который находится в «Дополнительных материалах».

«Авангард» – это отечественная утилита, которая не имеет стандартной и привычной всем измерительной сетки, а также отличается слишком большим экраном для снятия скриншотов, но при этом предоставляет возможность использовать встроенный вольтметр амплитудных значений, а также частотомер. Это позволяет частично компенсировать те минусы, которые были указаны выше.

Сделав такой осциллограф из компьютера своими руками, вы можете столкнуться со следующим: на малых уровнях сигнала как частотомер, так и вольтметр могут сильно искажать результаты, однако для начинающих радиолюбителей, которые не привыкли воспринимать эпюры в вольтах или же миллисекундах на деление, данная утилита будет вполне приемлемой. Другой же ее полезной функцией является то, что можно осуществлять полностью независимую калибровку двух уже имеющихся шкал встроенного вольтметра.

Как это будет использоваться?

Так как входные цепи аудиокарты имеют специализированный разделительный конденсатор, компьютер в качестве осциллографа может использоваться исключительно с закрытым входом. То есть на экране будет наблюдаться только переменная составляющая сигнала, однако, имея некоторую сноровку, при помощи этих утилит можно будет также провести измерение уровня постоянной составляющей. Это является довольно актуальным в том случае, если, например, время отсчета мультиметра не дает возможности зафиксировать определенное амплитудное значение напряжения на конденсаторе, который заряжается через крупный резистор.

Нижний предел напряжения ограничивается уровнем шума и фона и составляет приблизительно 1 мВ. Верхний предел имеет ограничения только по параметрам делителя и может достигать даже нескольких сотен вольт. Частотный диапазон непосредственно ограничивается возможностями самой аудиокарты и для бюджетных устройств составляет примерно от 0.1 Гц до 20 кГц.

Конечно, в данном случае рассматривается относительно примитивное устройство. Но если у вас нет возможности, к примеру, использовать USB-осциллограф (приставка к компьютеру), то в таком случае его применение вполне оптимально.

Такой прибор может помочь вам в ремонте различной аудиоаппаратуры, а также может быть использован исключительно в учебных целях, особенно если дополнить его виртуальным генератором НЧ. Помимо этого, программа-осциллограф для компьютера позволит вам сохранить эпюру для иллюстрации определенного материала или же с целью размещения в Интернете.

Электрическая схема

Если вам нужна приставка к компьютеру (осциллограф), то сделать его будет уже несколько сложнее. На данный момент в интернете можно найти достаточно большое количество различных схем таких устройств, и для постройки, к примеру, двухканального осциллографа вам нужно будет их продублировать. Использование второго канала часто является актуальным в том случае, если нужно сравнивать два сигнала или же приставка к компьютеру (осциллограф) будет использоваться также с подключением внешней синхронизации.

В преимущественном большинстве случаев схемы являются предельно простыми, однако таким образом вы сможете обеспечить самостоятельно довольно широкий диапазон доступных для измерения напряжений, используя при этом минимальное количество радиодеталей. При этом аттенюатор, который строится по классической схеме, потребовал бы от вас использования специализированных высокомегаомных резисторов, а его входное сопротивление постоянно изменялось бы в случае переключения диапазона. По этой причине вы бы испытывали определенные ограничения в использовании стандартных осциллографических кабелей, которые рассчитываются на входной импеданс не более 1 мОм.

Обеспечиваем безопасность

Для того чтобы линейный вход аудиокарты был защищен от возможности случайного попадания высокого напряжения, параллельно можно установить специализированные стабилитроны.

При помощи резисторов вы сможете ограничить ток стабилитронов. К примеру, если вы собираетесь использовать ваш компьютер-осциллограф (генератор) для измерения напряжения около 1000 Вольт, то в таком случае в качестве резистора можно будет задействовать два одноваттных или же один двухваттный резистор. Они между собой различаются не только по своей мощности, но еще и по тому, какое напряжение в них является предельно допустимым. Также стоит отметить тот факт, что в этом случае вам потребуется и конденсатор, максимально допустимое значение для которого составляет 1000 Вольт.

Нередко нужно изначально посмотреть переменную составляющую сравнительно небольшой амплитуды, которая при этом может отличаться довольно большой постоянной составляющей. В таком случае на экране осциллографа с закрытым входом может быть такая ситуация, когда вы не увидите ничего, кроме переменной составляющей напряжения.

Выбираем резисторы делителя напряжения

По той причине, что достаточно часто современные радиолюбители испытывают определенные трудности с тем, чтобы найти прецизионные резисторы, нередко случается так, что приходится использовать стандартные устройства широкого применения, которые нужно будет подогнать с максимальной точностью, так как сделать осциллограф из компьютера в противном случае не выйдет.

Высокоточные резисторы в преимущественном большинстве случаев стоят в несколько раз дороже по сравнению с обычными. При этом на сегодняшний день их чаще всего продают сразу по 100 штук, в связи с чем их приобретение не всегда можно назвать целесообразным.

Подстроечные

В данном случае каждое плечо делителя составляется из двух резисторов, один из которых является постоянным, в то время как второй – подстроечный. Недостатком такого варианта является его громоздкость, однако точность ограничивается только тем, какие доступные параметры имеет измерительное устройство.

Подбираем резисторы

Второй вариант сделать компьютер в роли осциллографа – это подобрать пары резисторов. Точность в данном случае обеспечивается за счет того, что используются пары резисторов из двух комплектов с достаточно большим разбросом. Здесь важно изначально сделать тщательное измерение всех устройств, а затем выбрать пары, сумма сопротивлений которых является наиболее соответствующей выполняемой вами схеме.

Стоит отметить, что именно этот способ использовался в промышленных масштабах для того, чтобы подгонять резисторы делителя для легендарного устройства «ТЛ-4». Перед тем как сделать осциллограф из компьютера своими руками, необходимо изучить возможные недостатки такого устройства. В первую очередь можно отметить трудоемкость, а также необходимость применения большого количества резисторов. Ведь чем более длинным будет список используемых вами устройств, тем более высокой будет конечная точность проводимых измерений.

Подгонка резисторов

Стоит отметить, что подгонка резисторов посредством удаления части пленки на сегодняшний день иногда используется даже в современной промышленности, то есть таким способом часто делается осциллограф из компьютера (USB или какой-нибудь другой).

Однако при этом сразу стоит отметить, что если вы собираетесь подгонять высокоомные резисторы, то в таком случае резистивная пленка ни в коем случае не должна быть прорезана насквозь. Все дело в том, что в таких устройствах она наносится на цилиндрическую поверхность в форме спирали, поэтому производить подпил нужно предельно осторожно, чтобы исключить возможность разрыва цепи.

Если вы делаете осциллограф из компьютера своими руками, то для того, чтобы провести подгонку резисторов в домашних условиях, нужно просто использовать самую простую наждачную бумагу «нулевку».

Первоначально у того резистора, у которого присутствует заведомо меньшее сопротивление, нужно удалить аккуратно защитный слой краски.
После этого следует подпаять резистор к концам, которые и будут подклеиваться к мультиметру. Путем выполнения осторожных движений наждачной бумагой показатели сопротивления резистора доводятся до нормального значения.
Теперь, когда резистор окончательно подогнан, место пропила нужно покрыть дополнительным слоем специализированного защитного лака или же клея.

На данный момент такой способ можно назвать наиболее простым и быстрым, но при этом он позволяет получить неплохие результаты, что и делает его оптимальным для проведения работ в домашних условиях.

Что нужно учитывать?

Есть несколько правил, которые нужно соблюдать в любом случае, если вы собираетесь проводить подобные работы:

Используемый вами компьютер в обязательном порядке должен быть надежно заземлен.
Ни в какой ситуации вы не должны совать в розетку земляной провод. Он соединяется через специализированный корпус разъема линейного входа с корпусом системного блока. В этом случае, вне зависимости от того, попадаете вы в ноль или же в фазу, у вас не произойдет короткого замыкания.

Другими словами, в розетку может втыкаться исключительно провод, соединяющийся с резистором, который располагается в схеме адаптера и имеет номинал 1 мегом. Если же вы пытаетесь включить в сеть кабель, который соединяется с корпусом, то практически во всех случаях это приводит к самым неприятным последствиям.

Если вами будет использоваться осциллограф «Авангард», то в таком случае в процессе калибровки вам следует выбрать шкалу вольтметра «12.5». После того как вы увидите напряжение сети на вашем экране, в окошко калибровки нужно буде ввести значение 311. При этом стоит отметить, что вольтметр после этого должен показать вам результат в виде 311 мВ или же приближенное к нему.

Помимо всего прочего, не стоит забывать, что форма напряжения в современных электросетях отличается от синусоидальной, так как на сегодняшний день электроприборы выпускаются с импульсными блоками питания. Именно по этой причине вам нужно будет ориентироваться не просто на видимую кривую, но и на ее синусоидальное продолжение.

Источник: www.syl.ru

Как я из компьютера осциллограф делал! 🙂

Дубликаты не найдены

Давеча стукнула в голову идея — хочу собрать осциллограф!)))

Нужен реееееееееееееедко. Но хочу!)

Начал мыслить, что-то сложновато, что-то не подъемно. И тут МЫСЛЬ gigi.gif

Комп же тоже может визуализацию звуков делать.

Гуглю — ага, если тыкнуть в звуковую карту сигнал+ заранее подставленная программ визуализации нам будет осциллограф!

Только Аудиокарта маленькое напряжение переваривает, поэтому нужен аттенюатор (делитель — уменьшитель сигнала просто говоря), и все.

И вот что у меня в итоге получилось! sm_biggrin.gif

А, там еще и частотомер так же побочным прибором получился.

Правда 20 герц-20 килогерц полоса всего конечно)))

в следующий раз сделай усилитель для микрофона =)

Не легче красоту сделать через RS 232? через MAX подсосать к LV ?

человек, далекий от схемотехники

С таким (ЭЛТ) монитором проще подавать усиленный исследуемый сигнал на вертикально отклоняющие катушки на горловине кинескопа. ☺

Это не простые диоды, они открываются только при превышении определенного напряжения. При превышении диоды делают короткое замыкание на себя. если напряжение в норме, то сигнал идет в дальше в разъём. Две линии диодов стоит потому что переменное напряжение.

Я бы еще поставил очень очень слабый предохранитель. Потому что если напряжение сильно высоким будет и диоды просто пробьются, то один хер на разъем пойдет все. А пред спасет сами диоды.

1. абсолютно любые простые (или не простые) диоды открываются при превышении определенного напряжения.

2. при превышении этого напряжения короткого замыкания не будет, так как падение напряжения на одном диоде в среднем 0,6 вольт. а диодов там по 4 штуки.

3. если напряжение сильно высоким будет, то пробиваются диоды в КЗ всегда. на разъем ничего не пойдёт, потому что пробитые диоды зашунтируют сигнал своим нулевым сопротивлением. на то пробой диодов и называют пробоем — это значит, что в нём, грубо говоря, прямая дырка для прохождения тока в обе стороны появляется.

Источник: pikabu.ru

Цифровой USB осциллограф из компьютера. Схема и описание. Простейший осциллограф из компьютера

Стоит разобраться, для чего он вообще нужен. Электронный осциллограф используют как на производстве, так и в быту. Основное его назначение – анализ работы электронных схем. Он определит неисправность в электрических цепях, измерит показатель входящего потенциала, создаст защиту, обеспечит управление всеми технологическими процессами и не допустит нефункционального простоя электрического оборудования.

Сборка прибора – что понадобится?

Вся работа по сборке сводится к созданию аттенюатора, т.е. делителя напряжения, который позволяет контролировать некоторый диапазон напряжения. Другая функция – это защита входа от частых колебаний и перепадов электрического тока.

Вам понадобятся:

Подсчитайте необходимый вам объем памяти. Объем памяти равен отношению промежутка времени в секундах к разрешению в секундах. Увеличенный объем памяти сильно замедлит реакцию осциллографа на ваши действия и на перемену входного сигнала.

Подумайте, какие вам возможности прибора по запуску. В большинстве случаев достаточно запуска по фронту. Для ваших сложных задач ищите дополнительные возможности по запуску. Например, запуск по комбинации логических состояний по каналам прибора.

Устройство-осциллограф, название которого переводится с двух языков следующим образом – «качаюсь» с латыни и «пишу» с древнегреческого — представляет собой прибор, предназначенный и сконструированный для исследования параметров электрического сигнала, который подается на порт входа или на специальную ленту.

Область применения осциллографов

Современные устройства позволяют специалистам производить исследования сигнала гигагерцовых частот. Именно поэтому важнейшей областью применения осциллографа является радиоэлектроника, а также ее прикладные, лабораторные и научно-исследовательские сферы. В них специалисты с помощью прибора могут контролировать и изучать проходящие электрические сигналы или непосредственно и напрямую, или через дополнительные устройства и среды на фиксирующие датчики. В свою очередь последние преобразуют полученные воздействия в электрический сигнал или радио-волны.

Причем специальные осциллографы с блоком выделения отдельных строк применяются в случае необходимости проведения периодического или оперативного контроля показателей в системах телевещания.

Кстати, придумано устройсто-осциллограф было в 1893 году французским физиком Андре Блонделем, который внес свой вклад в науку следующим образом. В 1893 году Блондель смог решить проблему интегральной синхронизации в теории Корню, а бифилярный осциллограф, придуманный им, был более мощным и смог в 1891-ом заменить классический . Уже в 1894 году физик ввел понятие «люмен» и другие единицы измерения, а в 1899-ом опубликовал работу, касающуюся основных теорий двух реакций якоря.

Принцип классификации осциллографов

Приборы данного типа разделяются на две категории по своему назначению и способу выведения информации измерения – устройства с периодической разверткой для наблюдения сигнала, который появляется на экране, и аппараты с непрерывной разверткой, призванные проводить регистрацию кривой, но уже на фотоленте.

Есть различия среди осциллографов и по способу обработки ими входного сигнала – аналоговые и цифровые. Существуют и различия по количеству лучей в приборах – однолучевые, двулучевые, трехлучевые и другие — до 16 лучей и даже более (последнее, конечно, самое редкое).

В свою очередь, устройства с периодической разверткой подразделяются на обычные или универсальные, высокоскоростные, с функцией запоминания и специализированные. Также конструируются осциллографы, которые совмещаются с другими приборами для изменения (например, мультиметр), а называются подобные устройства сколометрами-осциллографами.

В прошлый раз мы смонтировали все радиоэлелементы на печатную плату цифрового осциллографа DSO138. Сейчас закончим его сборку и произведём первичную настройку и проверку работоспособности.

Вам понадобится

— Набор с цифровым осциллографом DSO138;
— мультиметр;
— источник питания на 8-12 В;
— пинцет;
— отвёртка для мелких работ;
— паяльник;
— припой и флюс;
— ацетон или бензин.

Инструкция

Первым делом припаяем петлю из проволоки толщиной 0,5 мм в отверстия разъёма J2 . Это будет контакт для выхода сигнала самотестирования осциллографа.
После этого закоротим с помощью паяльника и припоя контакты перемычки JP3 .

Займёмся платой TFT LCD экрана. Нужно припаять 3 штыревых разъёма с нижней части платы. Два маленьких разъёма по два пина и один двухрядный 40-пиновый.
Мы почти закончили сборку. Но не спешите убирать паяльник, он нам ещё ненадолго понадобится.

Теперь желательно промыть плату ацетоном, бензином или каким-либо другим способом очистить от следов флюса. Когда промоем плату, нужно дать ей полностью высохнуть, это очень важно!
После этого подключим источник питания к плате и замерим напряжение между землёй и точкой TP22 . Если напряжение примерно равно 3,3 вольтам, значит вы всё хорошо спаяли, поздравляю! Сейчас нужно отключить источник питания и закоротить припоем контакты перемычки JP4 .

Сейчас можно подключить к осциллографу ЖК дисплей, совместив его штыревые выводы с колодками на печатной плате осциллографа.
Подключите источник питания к осциллографу. Должен загореться дисплей и два раза моргнуть светодиод. Затем на пару секунд на экране появится логотип изготовителя и загрузочная информация. После этого осциллограф войдёт в рабочий режим.

Подключим пробник к BNC разъёму осциллографа и проведём первый тест. Никуда не подключая чёрный провод пробника, прикоснитесь рукой к красному. На осциллограмме должен появится сигнал наводки от вашей руки.

Теперь откалибруем осциллограф. Подключите красный щуп пробника к петле сигнала самотестирования, а чёрный оставьте неподключённым. Переключатель SEN1 поставьте в положение «0.1V», SEN2 в положение «X5», а CPL — в положение «AC» или «DC». С помощью тактовой кнопки SEL переместите курсор на метку времени, а кнопками «+» и «-» выставьте время «0.2ms», как на иллюстрации. На осциллограмме должен быть виден красивый меандр. Если края импульсов закругляются или имеют резкие острые пики по краям, нужно, поворачивая отвёрткой конденсатор C4 , добиться того, чтобы импульсы сигнала стали максимально близкими к прямоугольным.

Для управления чувствительностью служат переключатели SEL1 и SEL2 . Первый из них задаёт базовый уровень напряжения, второй — множитель. Например если выставить переключатели в положения «0,1V» и «X5», разрешение вертикальной шкалы будет 0,5 вольт на клетку.
Кнопка SEL служит для перемещения по элементам экрана, которые можно настраивать. Настройка выделенного элемента осуществляется с помощью кнопок + и — . Элементами для настройки являются: время развёртки, режим срабатывания, выбор фронта триггера, уровень срабатывания, перемещение вдоль горизонтальной оси осциллограммы, перемещение оси по вертикали.
Поддерживаемые режимы работы: автоматический, нормальный и однократный. Автоматический режим постоянно выводит сигнал на экран осциллографа. При нормальном режиме сигнал выводится каждый раз, когда превышен заданный триггером порог. Однократный режим выводит сигнал при первом срабатывании триггера.
Кнопка OK позволяет остановить развёртку и удерживать текущую осциллограмму на экране.
Кнопка RESET сбрасывает и перезагружает цифровой осциллограф.
Полезная функция осциллографа DSO138 — отображение информации о сигнале: частоты, периода, скважности, размаха, среднего напряжения и т.д. Чтобы активировать её, нажмите и удерживайте 2 секунды кнопку OK .
Осциллограф умеет запоминать текущую осциллограмму в энергонезависимой памяти. Для этого нажмите одновременно SEL и + . Чтобы вызвать на экран сохранённую в памяти осциллограмму, нажмите SEL и — .

Источники:

Осциллограф DSO138 устройство и приспособление к нему

Не секрет, что у начинающих радиолюбителей не всегда есть под рукой дорогое измерительное оборудование. К примеру осциллограф, который даже на китайском рынке, самая дешевая модель стоит порядка нескольких тысяч.
Бывает осциллограф нужен для ремонта различных схем, проверка искажений усилителя, настройки звуковой техники и т.п. Очень часто низкочастотный осциллограф используется при диагностике работы датчиков в автомобиле.
В этом ряде случаем вам поможет наипростейший осциллограф, сделанный из вашего персонального компьютера. Нет, ваш компьютер никак не придется разбирать и дорабатывать. Вам понадобится всего на всего спаять приставку – делитель, и подключить её к ПК через звуковой вход. А для отображения сигнала установить специальный софт. Вот за пару десятков минут у вас появится собственный осциллограф, который вполне может сгодится для анализа сигналов. Кстати можно использовать не только стационарный ПК, но и ноутбук или нетбук.
Конечно, такой осциллограф с большой натяжкой сравним с настоящим прибором, так как имеет маленький диапазон частот, но вещь в хозяйстве очень полезная, чтобы посмотреть выхода усилителя, различные пульсации источников питания и тп.

Схема приставки

Согласитесь, что схема невероятна проста и не потребует много времени для её сборки. Это делитель — ограничитель, который защитит звуковую карту вашего компьютера от опасного напряжения, которое вы можете случайно падать на вход. Делитель может быть на 1, на 10 и на 100. Переменным резистором регулируется чувствительность всей схемы. Подключается приставка к линейному входу звуковой карты ПК.

Собираем приставку

Можно взять бокс от батареек как я или другой пластиковый корпус.

Программное обеспечение

Программа «осциллограф» будет визуализировать сигнал, поданный на вход звуковой карты. Я предложу вам на скачивание два варианта:
1) Простая программа без установки с русским интерфейсом, качаем.

(cкачиваний: 7523)

2) И вторая с установкой, скачать её можно – .

Какой пользоваться – выбирать вам. Возьмите и установите обе, а там выберете.
Если у вас уже установлен микрофон, то после установки и запуска программы можно уже будет наблюдать звуковые волны, которые поступают в микрофон. Значит все хорошо.
Для приставки никаких драйверов больше не потребуется.
Подключаем приставку ко линейному или микрофонному входу звуковой карты и пользуемся на здоровье.

Если у вас никогда в жизни не было опыта работы с осциллографом, то я искренне рекомендую вам повторить эту самоделку и поработать с таким виртуальным прибором. Опыт очень ценный и интересны.

Что необходимо использовать

Самая оптимальная сегодня – это программа Osci , она имеет интерфейс, похожий на классический осциллограф: на мониторе находится стандартная сетка, с помощью которой вы сможете сами померить амплитуду или длительность.

На заметку

Нужно сказать, что в комплекте данных программ есть специальный низкочастотный генератор , но его использование нежелательно, он пытается полностью сам контролировать работу драйвера звуковой карты, что провоцирует выключение звука. Если решили его опробовать, позаботьтесь, чтобы у вас была точка восстановления либо сделайте бэкап вашей ОС. Самым оптимальным способом, как сделать своими руками из компьютера осциллограф, будет скачивание рабочего генератора.

«Авангард»

Как это использовать

Из-за того, что входные цепи звуковой карты имеют специальный разделительный конденсатор, то компьютер в роли осциллографа может работать только с закрытым входом . Таким образом, на мониторе будет видна лишь переменная составляющая показателей, но, имея определенную сноровку, с помощью этих программ можно сделать измерение показателя постоянной составляющей. Это очень актуально в случае, когда, к примеру, время отсчета мультиметра не дает возможности зафиксировать некоторое значение амплитуды напряжения на конденсаторе, заряжающегося с помощью крупного резистора.

Электрическая схема

Как выбрать резисторы делителя напряжения

Из-за того, что зачастую радиолюбители испытывают сложности с тем, чтобы подобрать прецизионные резисторы, часто бывает так, что приходится выбирать устройства широкого профиля, которые надо максимально точно подогнать , иначе сделать своими руками осциллограф из компьютера не получится.

Подстроечные резисторы делителя напряжения

Как выбрать обычные резисторы

После, когда резистор полностью подогнан, место пропила покрывают слоем специального защитного лака.

Что нужно учесть

Существует ряд правил, которые необходимо выполнять в любом случае, если решили проводить эти работы:

Используемый компьютер для осциллографа обязательно нужно заземлить.
Нельзя подключать заземление к розетке. Оно подсоединяется через специальный корпус линейного входного разъема с корпусом системного блока. В данном случае, независимо, попадаете ли вы в фазу или ноль, у вас не будет замыкания.

Говоря иначе, в розетку может подсоединяться только провод, который соединяется с резистором , и находится в схеме адаптера с номинальным значением один мегом. Если же вы попробуете включить в сеть провод, который контактирует с корпусом, то почти во всех случаях это обязательно приведет к самым плачевным последствиям.

Digital Oscilloscope V3.0 – популярная радиолюбительская программа, которая превратит ваш компьютер в виртуальный осциллограф

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Сегодня на сайте мы рассмотрим простую радиолюбительскую программу , превращающую домашний компьютер в осциллограф .

Есть два способа превращения персонального компьютера в осциллограф . Можно купить или сделать приставку, которую подключать к ПК. Приставка будет представлять собой АЦП, программно-управляемый. А на ПК установить соответствующую программу. Но это затратный способ. Второй способ – без затратный, в любом ПК есть уже АЦП и ЦАП – звуковая карта. Используя ее можно компьютер преобразовать в простой низкочастотный осциллограф , только установкой программного обеспечения, ну и придется спаять простой входной делитель. Таких программ существует не мало. Сегодня мы рассмотрим одну из них – Digital Oscilloscope V3.0 .

(149.8 KiB, 60,994 hits)

После запуска программы на экране появится окно внешне очень похожее на обычный осциллограф. Для подачи сигнала используется линейный вход звуковой карты. Подавать на вход обычно нужно сигнал не более 0,5-1 вольт, иначе происходит ограничение, поэтому нужно спаять входной делитель по простой схеме, как показано на рисунке №2.

Диоды КД522 нужны для защиты входа звуковой карты от слишком большого сигнала. После подключения цепи и входного сигнала нужно включить осциллограф. Для этого нажимаем мышкой поле RUN и выбираем START или нажать мышкой треугольник во втором сверху ряду окна. Осциллограф станет показывать сигнал. В нижнем правом углу экрана будут высвечиваться частота и период сигнала. А вот напряжение показанное осциллографом может не соответствовать действительности. При налаживании входного делителя нужно постараться переменным резистором так выставить коэффициент деления, чтобы величина показанного на экране напряжения была максимально реальной.

Назначение органов управления. TIME/DIV – время/деление; TRIGGER – синхронизация; CALIB – уровень; VOLT/DIV – напряжение/деление. И еще одно достоинство этой программы – осциллограф запоминающий – работу можно остановить, а на экране останется осциллограмма которую можно сохранить в памяти ПК или распечатать.

Осциллограф — инструмент, который имеется почти у каждого радиолюбителя. Но для начинающих он стоит слишком дорого.

Проблема высокой стоимости решается просто: есть много вариантов изготовления осциллографа.

Компьютер отлично подойдёт для такой переделки, причём его функциональность и внешний вид никак не пострадают.

Устройство и назначение

Принципиальная схема осциллографа сложна для понимания начинающего радиолюбителя, поэтому рассматривать её нужно не целиком, а предварительно разбив на отдельные блоки:

Каждый блок представляет собой отдельную микросхему, или плату .

Сигнал с исследуемого устройства поступает через вход Y на входной делитель, задающий чувствительность измерительного контура. После прохождения предварительного усилителя и линии задержки он попадает на конечный усилитель, который управляет вертикальным отклонением индикаторного луча. Чем выше уровень сигнала — тем больше отклоняется луч. Так устроен канал вертикального отклонения.

Второй канал — горизонтального отклонения, нужен для синхронизации луча с сигналом. Он позволяет удерживать луч в заданном настройками месте.

Без синхронизации луч уплывет за границы экрана.

Синхронизация бывает трёх видов: от внешнего источника, от сети и от исследуемого сигнала. Если сигнал имеет постоянную частоту, то синхронизацию лучше использовать от него. В качестве внешнего источника обычно выступает лабораторный генератор сигналов. Вместо него для этих целей подойдёт смартфон с установленным на него специальным приложением, которое модулирует импульсный сигнал и выводит его в гнездо для наушников.

Осциллографы применяются при ремонте, проектировании и настройке различных электронных устройств. Сюда входят диагностика систем автомобиля, устранение неисправностей в бытовой технике и многое другое.

Осциллограф измеряет:

Уровень сигнала.
Его форму.
Скорость нарастания импульса.
Амплитуду.

Также он позволяет развёртывать сигнал до тысячных долей секунды и просматривать его в мельчайших подробностях.

Большинство осциллографов имеют встроенный частотомер.

Осциллограф, подключаемый через USB

Есть множество вариантов изготовления самодельных USB осциллографов, но не все из них доступны новичкам. Самым простым вариантом будет его сборка из уже готовых комплектующих. Они продаются в радиомагазинах. Более дешёвым вариантом будет купить эти радиодетали в китайских интернет-магазинах, но нужно помнить о том, что купленные в Китае комплектующие могут прийти в неисправном состоянии, а деньги за них возвращают далеко не всегда. После сборки должна получиться небольшая приставка, подключаемая к ПК.

Этот вариант осциллографа имеет самую высокую точность. Если встает проблема, какой осциллограф выбрать для ремонта ноутбуков и другой сложной техники, лучше остановить свой выбор на нём.

Для изготовления понадобятся:

Плата с разведёнными дорожками.
Процессор CY7C68013A.
Микросхема аналого-цифрового преобразователя AD9288−40BRSZ.
Конденсаторы, резисторы, дроссели и транзисторы. Номиналы этих элементов указаны на принципиальной схеме.
Паяльный фен для запайки SMD компонентов.
Провод в лаковой изоляции сечением 0,1 мм².
Тороидальный сердечник для намотки трансформатора.
Кусок стеклотекстолита.
Паяльник с заземлённым жалом.
Припой.
Флюс.
Паяльная паста.
Микросхема памяти EEPROM flash 24LC64.
Корпус.
USB разъём.
Гнездо для подключения щупов.
Реле ТХ-4,5 или другое, с управляющим напряжением не более 3,3 В.
2 операционных усилителя AD8065.
DC-DC преобразователь.

Собирать нужно по этой схеме:

Обычно для изготовления печатных плат радиолюбители пользуются методом травления. Но сделать таким образом двухстороннюю печатную плату со сложной разводкой самостоятельно не получится, поэтому её нужно заранее заказать на заводе, выпускающем подобные платы.

Для этого нужно отослать на завод чертёж платы, по которому её изготовят. На одном и том же заводе делают разные по качеству платы. Оно зависит от выбранных при оформлении заказа опций.

Для того чтобы получить в итоге хорошую плату, нужно указать в заказе следующие условия:

Толщина стеклотекстолита — не менее 1,5 мм.
Толщина медной фольги — не менее 1 OZ.
Сквозная металлизация отверстий.
Лужение контактных площадок свинецсодержащим припоем.

После получения готовой платы и покупки всех радиодеталей можно приступать к сборке осциллографа.

Первым собирается DC-DC преобразователь, выдающий напряжения +5 и -5 вольт.

Его нужно собрать на отдельной плате и подключить к основной с помощью экранированного кабеля .

Припаивать микросхемы к основной плате нужно аккуратно, не перегревая их. Температура паяльника не должна быть выше трехсот градусов, иначе паяемые детали выйдут из строя.

После установки всех компонентов собирают устройство в подходящий по размеру корпус и подключают к компьютеру USB кабелем. Замыкают перемычку JP1.

Нужно установить и запустить на ПК программу Cypress Suite, перейти во вкладку EZ Console и кликните по LG EEPROM. В появившемся окне выбрать файл прошивки и нажать Enter. Дождаться появления надписи Done, говорящей об успешном завершении процесса. Если вместо неё появилась надпись Error, значит, на каком-то этапе произошла ошибка. Нужно перезапустить прошивальщик и попробовать снова.

После прошивки изготовленный своими руками цифровой осциллограф будет полностью готов к работе.

Вариант с автономным питанием

В домашних условиях радиолюбители обычно пользуются стационарными устройствами. Но иногда возникает ситуация, когда нужно отремонтировать что-то находящееся вдали от дома. В таком случае понадобится портативный осциллограф с автономным питанием.

Перед началом сборки приготовьте следующие комплектующие:

Ненужные Bluetooth наушники или аудиомодуль.
Планшет или смартфон на Android.
Литий-ионный аккумулятор типоразмера 18650.
Холдер для него.
Контроллер заряда.
Гнездо Jack 2,1 Х 5,5 мм.
Разъем для подключения измерительных щупов.
Сами щупы.
Выключатель.
Пластиковая коробочка из-под губки для обуви.
Экранированный провод сечением 0,1 мм².
Тактовая кнопка.
Термоклей.

Нужно разобрать беспроводную гарнитуру и достать из неё плату управления. Отпаять от неё микрофон, кнопку включения и аккумулятор. Отложить плату в сторонку.

Вместо блютус-наушников можно использовать Bluetooth аудиомодуль.

Ножом соскрести с коробочки остатки губки и хорошо почистить её с использованием моющих средств. Подождать, пока она высохнет, и вырезать отверстия под кнопку, выключатель и разъёмы.

Припаять провода к гнёздам, холдеру, кнопке и выключателю. Установить их на свои места и закрепить термоклеем.

Провода нужно соединять так, как показано на схеме:

Расшифровка обозначений:

Холдер.
Выключатель.
Контакты «BAT + и «BAT — .
Контроллер заряда.
Контакты «IN + и «IN — .
Разъём Jack 2,1 Х 5,5 мм.
Контакты «OUT+ и «OUT — .
Контакты батареи.
Плата управления.
Контакты кнопки включения.
Тактовая кнопка.
Гнездо для щупов.
Контакты микрофона.

Затем скачать из плеймаркета приложение виртуального осциллографа и установить его на смартфон. Включить блютус модуль и синхронизировать его со смартфоном. Подключить щупы к осциллографу и открыть на телефоне его программную часть.

При касании щупами источника сигнала на экране Android-устройства появится кривая, показывающая уровень сигнала. Если она не появилась, значит, где-то была допущена ошибка.

Следует проверить правильность подключения и исправность внутренних компонентов. Если все в порядке, нужно попробовать запустить осциллограф снова.

Установка в корпус монитора

Этот вариант самодельного осциллографа легко устанавливается в корпус настольного ЖК монитора. Такое решение позволяет сэкономить немного места на вашем рабочем столе.

Для сборки понадобятся:

Компьютерный ЖК монитор.
DC-DC инвертор.
Материнская плата от телефона или планшета с HDMI-выходом.
USB разъём.
Кусок HDMI кабеля.
Провод сечением 0,1 мм².
Тактовая кнопка.
Резистор на 1 кОм.
Двусторонний скотч.

Встроить своими руками в монитор осциллограф сможет каждый радиолюбитель. Для начала нужно снять с монитора заднюю крышку и найти место для установки материнской платы. После того как определились с местом, рядом с ним нужно вырезать в корпусе отверстия для кнопки и USB разъёма.

Второй конец кабеля нужно припаять к плате от планшета. Перед припаиванием каждой жилки прозванивать её мультиметром. Это поможет не перепутать порядок их подключения.

Следующим шагом нужно выпаять с платы планшета кнопку включения и micro USB разъём. К тактовой кнопке и USB гнезду припаять провода и закрепить их в вырезанных отверстиях.

Затем соединить все провода так, как это показано на рисунке, и припаять их:

Поставить перемычку между контактами GND и ID в микро ЮСБ разъёме. Это нужно для перевода USB порта в режим OTG.

Нужно приклеить инвертор и материнку от планшета на двусторонний скотч, после чего защёлкнуть крышку монитора.

Подключить к USB порту мышку и нажать кнопку включения. Пока устройство загружается, включить Bluetooth передатчик. Затем нужно синхронизировать его с приёмником . Можно открыть приложение осциллографа и убедиться в работоспособности собранного устройства.

Вместо монитора отлично подойдёт и старый ЖК телевизор, в котором нет Смарт ТВ. Начинка от планшета по своим возможностям превосходит многие Smart TV системы. Не стоит ограничивать её применение одним лишь осциллографом.

Изготовление из аудиокарты

Осциллограф, собранный из внешнего аудиоадаптера, обойдётся всего в 1,5-2 доллара и займёт минимум времени на своё изготовление. По размеру он получится не больше обычной флешки, а по функционалу не уступит своему большому собрату.

Необходимые детали:

USB аудиоадаптер.
Резистор на 120 кОм.
Штекер mini Jack 3,5 мм.
Измерительные щупы.

Нужно разобрать аудиоадаптер, для этого стоит поддеть и расщёлкнуть половинки корпуса.

Выпаять конденсатор C6 и припаять на его место резистор. Затем установить плату обратно в корпус и собрать его.

Следует отрезать от щупов стандартный штекер и припаять на его место мини-джек. Подключить щупы ко звуковому входу аудиоадаптера.

Затем нужно скачать соответствующий архив и распаковать его. Вставить карту в USB разъём.

Осталось самое простое: зайти в Диспетчер устройств и во вкладке «Аудио, игровые и видеоустройства» найти подключённый USB аудиоадаптер. Щёлкнуть по нему правой кнопкой мыши и выбрать пункт «Обновить драйвер».

Затем переместить файлы miniscope.exe, miniscope.ini и miniscope.log из архива в отдельную папку. Запустить «miniscope.exe».

Перед использованием программу нужно настроить. Необходимые настройки показаны на скриншотах:

Если коснуться щупами источника сигнала, в окне осциллографа должна появиться кривая:

Таким образом, чтобы превратить аудиоадаптер в осциллограф , нужно приложить минимум усилий. Но стоит помнить, что погрешность такого осциллографа составляет 1-3%, чего явно недостаточно для работы со сложной электроникой. Он отлично подойдёт для начинающего радиолюбителя, а мастерам и инженерам стоит присмотреться к другим, более точным осциллографам.

Узнаем как собрать осциллограф своими руками

Электронный осциллограф – незаменимая вещь на производстве, в домашней или учебной лаборатории. Этот измерительный прибор позволяет заглянуть в работу электронных схем, показывая на экране динамику изменения входного потенциала. Он незаменим при настройке мощных тиристорных преобразователей на производстве. Хорошо помогает при поиске неисправностей в электрических цепях контроля, защиты либо управления технологическим процессом, значительно сокращая время простоя оборудования.

Собрать осциллограф своими руками — трудновыполнимая задача для радиолюбителя, но только в том случае, если идти традиционным путем, пытаясь сымитировать работу современных измерительных приборов. Речь идет об аналоговых и цифровых устройствах, которые производятся в промышленных масштабах.

Картина радикально меняется, если в качестве вычислительного узла и визуального контроля над измеряемым напряжением использовать бытовой персональный компьютер. Быстродействующим современным процессорам под силу решить любые задачи, а большой монитор для наблюдения за измеряемым сигналом будет только плюсом. Остается только собрать небольшую схему, и вы сделаете осциллограф своими руками. Устройство не требует предварительной наладки.

Давайте рассмотрим основные части изделия. Саму схему и программу для прошивки контроллера вы легко можете найти в специализированной литературе. Как правило, устройство имеет один и более аналоговых входов. Установив регулируемый делитель на одном из них, вы сможете менять амплитуду входного сигнала. Это делается для расширения диапазона измерения устройства. В качестве защиты от превышения допустимого напряжения устанавливаем параметрический стабилизатор или любое другое устройство, ограничивающее уровень входного напряжения. Все, можно соединять аналоговые входы с входом микропроцессора, выходы которого соединены с разъемом для подключения устройства к USB-порту. Питание схемы осуществляется с помощью этого же порта.

Таким образом, мы сделали свой осциллограф своими руками, но для запуска устройства необходимо запрограммировать микроконтроллер и установить интерфейсную программу для распознавания входных сигналов на ваш компьютер. Контроллер программируется с помощью программатора и устанавливается в плату. Так же инсталлируем нужную программу на компьютер. Как вы уже догадались, вы сделали свой usb-осциллограф своими руками. Основное требование — все операции по монтажу и программированию должны быть выполнены правильно.

Как видите, цифровой осциллограф своими руками сделать несложно. Быстродействие этого прибора позволяет настраивать, ремонтировать или изучать принцип работы несложных электронных схем. Такой прибор пригодится в домашней лаборатории.

Для увеличения быстродействия устройства применяют несколько способов, но все они ведут к усложнению первоначальной схемы. Для коммутации устройства с компьютером можно использовать параллельный порт, это позволит обойти частоту дискретизации USB-порта и поднять быстродействие.

Кроме того, есть специальные платы, которые вставляются в компьютер и служат для обработки входных сигналов.

Осциллограф из монитора своими руками

В переводе осциллограф означает — качаюсь и пишу. Любой мастер, занимающийся ремонтом радио и электроаппаратуры, скажет, что этот прибор будет главным на его рабочем столе.

Устройство позволяет оценивать основные характеристики: напряжение, силу тока, частоту. Помимо этого, он визуализирует информацию в виде графика, что позволяет увидеть любые имеющиеся нарушения в работе сигнала. Например, это может быть наличие помех или искажение формы сигнала.

График отображён в виде координатной плоскости, на которой присутствуют оси Х и Y. Все сигналы, которые поступают на устройство, будут видны на этом графике. Выглядят они как привычная алгебраическая функция.

Разделы статьи

Осциллограф из компьютера — соответствует ли оборудование ПК требованиям

Если у вас современный персональный компьютер, оснащённый звуковой картой, к которому подключён монитор, этого уже достаточно. Конфигурация компьютера не имеет никакого значения, а также вместо стационарного ПК можно использовать ноутбук и даже нетбук.

ВАЖНО! Настройка вашего компьютера как осциллографа никак не помешает его остальным функциям – не придётся ничего добавлять внутрь самого ПК (это просто осциллограф-приставка к компьютеру) или критически изменять в программном обеспечении.

Обычно всё, что необходимо для настройки виртуального прибора, уже есть в конструкции ПК. Для того, чтобы «организовать» работу устройств, достаточно скачать готовый софт, который находится в свободном доступе в сети – это полностью безопасно и легко для освоения даже пользователем-новичком.

Требования безопасности

Реализация описываемого проекта предполагает проведение работ рядом с открытым телевизионным трансформатором и высоковольтными конденсаторами. Напряжение на магнетроне достигает 120 кВ! Чтобы исключить вероятность смертельного поражения электрическим током, нужно строго соблюдать надлежащие меры безопасности. Первым шагом к выполнению любых действий должно быть полное обесточивание прибора. Тут нельзя забывать и про высоковольтные конденсаторы. Поэтому защитный кожух высоковольтного блока снимается крайне осторожно. Важно не повредить проводов печатной платы и не прикоснуться к ее открытым контактам.

Далее нужно принудительно разрядить большие емкости (50 В и более). Это делается хорошо изолированной отверткой или пинцетом. Их контакты замыкаются между собой либо на корпус до полного разряда. Не стоит это делать на печатной плате, так как могут выгореть дорожки. Выполняя работы или испытывая прибор, позаботьтесь, чтобы недалеко находился кто-то из ваших близких, способный вызвать врача или оказать первую помощь.

Осциллограф своими руками

При наличии минимальных знаний в электронике, осциллограф можно изготовить самостоятельно. Например, изготовить его можно из монитора компьютера.

Что потребуется:

Монитор;
Инвертор и резистор;
Материнка от планшета;
Разъём ЮСБ;
Провод HDMI;
Провод толщиной 0,1 мм2;
Кнопка;
Скотч;

Удаление лишних узлов

В нашем случае использовался старый телевизионный приемник с 15-и дюймовым экраном и классическим UHF/VHF тюнером. Для создания осциллографа он не требуется, поэтому тюнер можно сразу удалить и забыть о его существовании. Также можно постепенно отключить один за другим лишние модули, проверяя, чтобы телевизор мог по-прежнему функционировать. Понадобится лишь основная плата и все, что подключено к кинескопу. Необходимо, чтобы он лишь отображал белый шум либо голубой экран. От остальных деталей можно просто освободить коробку.

На переделываемом телевизоре спереди стояло два потенциометра. Один из них служил для включения и регулировки громкости, а другой контролировал яркость. Были удалены оба: первый был заменен выключателем питания (большой красной кнопкой), второй пришлось установить на максимальную яркость и зафиксировать ее впайкой дополнительных сопротивлений в схему. Сразу стоит обратить внимание, что устройство со встроенным регулятором громкости для переделки не годится. Он усиливает сигнал, прикрепленный к телевизионному и искать усилитель придется на основной плате, а это вызовет дополнительные проблемы. Динамики на данном этапе также можно отключить.

Электрическая схема

Если вы всё же решили работать через самодельную приставку, то для осциллографа из компьютера своими руками потребуется схема. Схема эта достаточно простая и работа над ней для того, кто хотя бы раз занимался чем-то подобным, не составит никакого труда. Вам понадобятся инструменты и навыки базовой работы со схемами – соединения, теоретические знания.

ВАЖНО! Есть и более сложные схемы, но новичку лучше начать с элементарного варианта. Если первая попытка подойдёт для решения задачи, то для последующих проб сложность можно поднять, спаяв новую, более совершенную схему.

Настройка развертки

Дальнейшая часть работ наиболее опасна, так как будет выполняться при подключенном напряжении. Будьте особенно осторожны! Пробуем подключить источник сигнала на вертикальную отклоняющую катушку (это может быть МР3 плейер либо компьютерный выход на наушники). Чтобы отображалась одна частота на экране, постарайтесь генерировать стабильную тональность. При включенном телевизоре изолированной отверткой аккуратно потрогайте поочередно высоковольтные провода, выяснив, к каким изменениям на экране это приведет (за этим должен наблюдать ваш помощник или воспользуйтесь большим зеркалом).

Один из них будет влиять на частоту сканирования. На плате, где он заходит, нужно впаять подстроечное сопротивление (примерно 50-60 кОм). Убедившись в работоспособности узла, можно вывести ручку задействованного резистора из корпуса прибора. Даже безукоризненно выполненная горизонтальная частотная настройка не позволит видеть верхний диапазон, а лишь выведет форму волны прокрутки на экран. Также можно настроить имеющиеся кольцевые вкладки, расположенные вокруг узкой части трубы кинескопа. Обычно они имеют черный или темно серый цвет и также косвенно управляют конечным изображением.

Усиление входящего сигнала

Все, что было сделано до этого момента, позволило нам создать неплохой визуализатор входного сигнала. Достаточно гнездо для подключения iPod соединить с катушкой вертикального отклонения и звучащая музыка отобразится на экране. Но чтобы получить настоящий осциллограф, понадобится дополнительный усилитель (собрать его можно там, где размещался выброшенный UHF/VHF тюнер). Его идея была заимствована с нескольких тематических сайтов, с целью получения минимальной себестоимости и максимальной эффективности. За основу бралась разработка Павла Фальстада, а представленная печатная плата — доработанная схема двухтактного аудио усилителя.

Для его реализации нам понадобится: микросборка TL082, включающая 2 ОУ, пара транзисторов (например, 41НПН/42ПНП), регулятор мощности LM317, поворотный переключатель «Полюс», потенциометр 1 мОм, два тримера на 10 кОм, 4 диода на 1А, трансформатор на 30 В переменного напряжения, электролит 1000 мкФ 50 В, два электролита 470 мкФ 16 В и 5 резисторов (10 Ом, 220 Ом, 1 кОм, 100 кОм и 10 мОм).

Первым ОУ контролируется усиление входного сигнала по формуле R1/R2, где R1 – сопротивление, выбранное поворотным переключателем, R2 – горшок 1 мОм. Теоретически он способен усилить входной сигнал до 1 млн. раз (при имеющемся на вращающемся переключателе минимуме 1 Ом). Второй отслеживает, чтобы транзисторы получали необходимое напряжение для открытия переходов и компенсирует перекосы. Им нужно 0.7 В на раскрытие и 1.4 В на переключение.

Готовая схема требует обязательной калибровки. Регулятор мощности рассчитан на разницу в 30 В, поэтому ОУ стандартно выдаст +15/-15 В, но для хорошей фильтрации его выход должен быть на несколько вольт ниже, чем напряжение на емкости в 1000 мкФ. Для этого существует триммер 1. Выход цепи подключается к горизонтальной катушке отклонения. Музыка, пропускаемая через схему, начинает «обрезаться» сверху/снизу. Чтобы избежать этого, триммер 2 регулируют до тех пор, пока верхние части клипов не коснутся границ экрана. Это понизит напряжение и не даст транзисторам перегрузить ВЧ-тракт прибора (сжечь катушку отклонения).

Теперь можно подключить на выход телевизора встроенную акустическую систему. При чрезмерной громкости добавляют большое сопротивление нагрузки (например, 10 Ом 1 Вт), при недостатке звука сопротивление нагрузки ставят на отклоняющую катушку, после чего последнюю перекалибровывают. Чтобы защитить себя от излишних раздражающих звуковых сигналов в процессе просматривания необходимого сигнала входа, на динамик можно установить выключатель.

Инструкция по сборке

Первым делом нужно демонтировать крышку дисплея;
В корпусе необходимо сделать отверстие, в которое будет установлена кнопка и ЮСБ;
Имеющиеся разъёмы HDMI нужно выпаять;
Один конец провода HDMI припаивается к материнке в мониторе, второй к материнке планшета;

ВАЖНО! Прежде чем припаять плату, необходимо прозвонить её с помощью мультиметра. Так порядок подключения не будет перепутан.

С планшета выпаивается ЮСБ и кнопка питания;
К кнопке питания и разъёму ЮСБ припаиваются кабеля;
Провода крепятся на крышке устройства;
Между контактами GND и USB устанавливается перемычка;
Устанавливается резистор. Монтировать его нужно между средним и минусовым контактами батареи;
С помощью двустороннего скотча необходимо закрепить инвертор. Также крепится материнка;
Крышка монитора возвращается на место;
К ЮСБ разъёму подключается компьютерная мышь, которой осуществляется включение устройства;
Проверяется работоспособность осциллографа;

Если под рукой нет ненужного монитора, для изготовления осциллографа можно взять ЖК — телевизор.

Проверка работоспособности прибора

По своему функционалу собранный осциллограф далек от достойных лабораторных моделей, но незаменим для использования в несложных проектах, где требуется увидеть форму волны. Также определенную новизну имеет возможность слышать исследуемый сигнал, особенно при получении обратной связи, напоминающей «знаки». В рассматриваемом примере можно наблюдать изменение сигнала, наводимого обычной проволочной катушкой при ее расположении в произвольном месте, над внутренним трансформатором прибора и в момент нахождения над процессором ноутбука.

Возможность усиливать входящий сигнал – отличная функция, если вам не требуется его абсолютно точных параметров. Шум частоты 60 Гц, усиливаемый схемой, может пока определяться с достаточной погрешностью. Но это явление вызывает и блуждающая индуктивность входного провода. Уменьшить помехи может только экранированное заземление всех частей схемы.

Демонстрируемая катушка с проводом, соединенная со входом прибора, позволяет использовать большую индуктивность при сильном усилении. Ей можно обнаружить источники питания за несколько метров, направляя катушку в сторону расположения трансформаторов, после чего наглядно просмотреть их работу. Также можно обнаружить расположение процессора внутри сложного девайса. Можно использовать катушку, как индуктивный микрофон, поместив ее около динамика, играющего музыку. Магнитное поле, воспроизводимое катушкой диктора, будет обнаружено и усилено созданным прибором, после чего на кинескопе осциллографа отразится играемая музыка.

Можно наглядно просмотреть на приборе и работу канала интернета. В качестве входного сигнала для этого была задействована выделенная домашняя линия (120 VAC), и, показав ее «картинку», прибор по-прежнему работает.
Original article in English

устройство, принцип работы, какой вариант выбрать

Проблема высокой стоимости решается просто: есть много вариантов изготовления осциллографа.

Устройство и назначение

Каждый блок представляет собой отдельную микросхему, или плату.

Без синхронизации луч уплывет за границы экрана.

Осциллограф измеряет:

Уровень сигнала.
Его форму.
Скорость нарастания импульса.
Амплитуду.

Большинство осциллографов имеют встроенный частотомер.

Осциллограф, подключаемый через USB

Для изготовления понадобятся:

Плата с разведёнными дорожками.
Процессор CY7C68013A.
Микросхема аналого-цифрового преобразователя AD9288−40BRSZ.
Конденсаторы, резисторы, дроссели и транзисторы. Номиналы этих элементов указаны на принципиальной схеме.
Паяльный фен для запайки SMD компонентов.
Провод в лаковой изоляции сечением 0,1 мм².
Тороидальный сердечник для намотки трансформатора.
Кусок стеклотекстолита.
Паяльник с заземлённым жалом.
Припой.
Флюс.
Паяльная паста.
Микросхема памяти EEPROM flash 24LC64.
Корпус.
USB разъём.
Гнездо для подключения щупов.
Реле ТХ-4,5 или другое, с управляющим напряжением не более 3,3 В.
2 операционных усилителя AD8065.
DC-DC преобразователь.

Собирать нужно по этой схеме:

Для того чтобы получить в итоге хорошую плату, нужно указать в заказе следующие условия:

Толщина стеклотекстолита — не менее 1,5 мм.
Толщина медной фольги — не менее 1 OZ.
Сквозная металлизация отверстий.
Лужение контактных площадок свинецсодержащим припоем.

После получения готовой платы и покупки всех радиодеталей можно приступать к сборке осциллографа.

Первым собирается DC-DC преобразователь, выдающий напряжения +5 и -5 вольт.

Его нужно собрать на отдельной плате и подключить к основной с помощью экранированного кабеля.

После прошивки изготовленный своими руками цифровой осциллограф будет полностью готов к работе.

Вариант с автономным питанием

Перед началом сборки приготовьте следующие комплектующие:

Ненужные Bluetooth наушники или аудиомодуль.
Планшет или смартфон на Android.
Литий-ионный аккумулятор типоразмера 18650.
Холдер для него.
Контроллер заряда.
Гнездо Jack 2,1 Х 5,5 мм.
Разъем для подключения измерительных щупов.
Сами щупы.
Выключатель.
Пластиковая коробочка из-под губки для обуви.
Экранированный провод сечением 0,1 мм².
Тактовая кнопка.
Термоклей.

Вместо блютус-наушников можно использовать Bluetooth аудиомодуль.

Провода нужно соединять так, как показано на схеме:

Расшифровка обозначений:

Холдер.
Выключатель.
Контакты «BAT +» и «BAT –».
Контроллер заряда.
Контакты «IN +» и «IN –».
Разъём Jack 2,1 Х 5,5 мм.
Контакты «OUT+» и «OUT –».
Контакты батареи.
Плата управления.
Контакты кнопки включения.
Тактовая кнопка.
Гнездо для щупов.
Контакты микрофона.

Далее припаять провода к контроллеру заряда и плате управления, затем поместить их внутрь корпуса и зафиксировать термоклеем. Закрыть коробочку крышкой и защёлкнуть её.

Следует проверить правильность подключения и исправность внутренних компонентов. Если все в порядке, нужно попробовать запустить осциллограф снова.

Установка в корпус монитора

Для сборки понадобятся:

Компьютерный ЖК монитор.
DC-DC инвертор.
Материнская плата от телефона или планшета с HDMI-выходом.
USB разъём.
Кусок HDMI кабеля.
Провод сечением 0,1 мм².
Тактовая кнопка.
Резистор на 1 кОм.
Двусторонний скотч.

Далее выпаять HDMI разъёмы, установленные на плате и в мониторе. Припаять один конец кабеля к контактам на плате монитора. Делать это нужно согласно распиновке:

Далее нужно найти на плате монитора точки с постоянным напряжением в 5, 9, 12, 19 или 24 вольта. И припаять к ним провода.

Затем соединить все провода так, как это показано на рисунке, и припаять их:

Поставить перемычку между контактами GND и ID в микро ЮСБ разъёме. Это нужно для перевода USB порта в режим OTG.

Далее необходимо впаять между минусовым и средним контактом батареи резистор. Без этой процедуры материнка не запустится без аккумулятора, а он в мониторе ни к чему.

Подключить к USB порту мышку и нажать кнопку включения. Пока устройство загружается, включить Bluetooth передатчик. Затем нужно синхронизировать его с приёмником. Можно открыть приложение осциллографа и убедиться в работоспособности собранного устройства.

Изготовление из аудиокарты

Необходимые детали:

USB аудиоадаптер.
Резистор на 120 кОм.
Штекер mini Jack 3,5 мм.
Измерительные щупы.

Нужно разобрать аудиоадаптер, для этого стоит поддеть и расщёлкнуть половинки корпуса.

Затем нужно скачать соответствующий архив и распаковать его. Вставить карту в USB разъём.

Что делать дальше, показано на картинках:

Нужно указать путь к папке device из распакованного архива и нажать Enter:

После нажатия на «Далее» произойдёт установка драйверов из указанной папки. Если пропустить этот этап и оставить стандартные драйвера, осциллограф не заработает.

Затем переместить файлы miniscope.exe, miniscope.ini и miniscope.log из архива в отдельную папку. Запустить «miniscope.exe».

Перед использованием программу нужно настроить. Необходимые настройки показаны на скриншотах:

Если коснуться щупами источника сигнала, в окне осциллографа должна появиться кривая:

Таким образом, чтобы превратить аудиоадаптер в осциллограф, нужно приложить минимум усилий. Но стоит помнить, что погрешность такого осциллографа составляет 1-3%, чего явно недостаточно для работы со сложной электроникой. Он отлично подойдёт для начинающего радиолюбителя, а мастерам и инженерам стоит присмотреться к другим, более точным осциллографам.

Осциллографическая приставка десятилетней давности / Habr

Большинство радиолюбителей, хотя бы раз в жизни задумывался о создании осциллографа своими руками. Самые умные (или ленивые) понимая все сложности, с которыми придется столкнуться, бросают это дело на этапе теоретических изысканий. Более настойчивые принимаются за изучение матчасти.

Но что делать если из языков программирования Вы владеете только паяльником (на уровне чайника), а знания о ПЛИС получены в кружке умелые руки в середине 80-х прошлого века и ограниченны простейшими логическими схемами.

Ответ прост: — “Ищите программку, которая превратит звуковую карту Вашего компьютера или планшета в осциллограф”.

Вопрос: — “А как расширить диапазон данного, с позволения сказать, осциллографа с 10КГц до парочки МГц?”

Коротко о том, какие варианты самодельных осциллографов/осциллографических приставок наиболее распространены.

Вариант 1: Берем АЦП и пытаемся пыжить все отсчеты с него, через максимально быстрый или легко доступный интерфейс, в компьютер, для последующей обработки и визуализации. Раньше был популярным LPT порт, сейчас — USB.

Вариант 2: Берем шустрый микроконтроллер с встроенным или внешним АЦП и быстренько записываем все в память нашей самоделки. Затем или отображаем результаты на экране устройства, или передаем в ПК для дальнейшей обработки.

Вариант 3: Делаем “по взрослому”, всю логику записи данных с АЦП в память реализуем в ПЛИС. А дальше все зависит от фантазии разработчика.

Понятно, что реализация любого из перечисленных выше вариантов требует знаний в достаточно многих областях как схемотехники, так и программирования. Но результат хотелось получить очень быстро и с минимальными финансовыми затратами. В итоге получилось следующее:

Как это работает?

Принцип работы крайне прост.
1) На максимальной для АЦП тактовой частоте (в моем случае это было около 10МГц) записываем несколько тысяч (или десятков тысяч) отсчетов в память.
2) На следующем этапе сохраненные данные начинаем выдавать на ЦАП с частотой в близкой к 20КГц (в это время АЦП отдыхает).
Повторяем пункты 1 и 2 до бесконечности.

Выход ЦАП подключаем к линейному входу звуковой платы и наслаждаемся проделанной работой. Пытливый мозг читателя сам поймет все недостатки подобного подхода.

Данное устройство было сделано более 10 лет назад. На разработку и сборку “цифровой” части потрачен ровно один день. “Аналоговая” часть не сделана и по сей день…

В качестве памяти была использована микросхема кеша с материнки для 486, они там были вставлены в панельки. Откуда у меня появились АЦП и ЦАП — вспомнить не удалось.

Документ Microsoft Office Word

Доброго дня уважаемые радиолюбители! Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

Сегодня на сайте мы рассмотрим простую радиолюбительскую программу, превращающую домашний компьютер в осциллограф.

Есть два способа превращения персонального компьютера в осциллограф. Можно купить или сделать приставку, которую подключать к ПК. Приставка будет представлять собой АЦП, программно-управляемый. А на ПК установить соответствующую программу. Но это затратный способ. Второй способ – без затратный, в любом ПК есть уже АЦП и ЦАП – звуковая карта. Используя ее можно компьютер преобразовать в простой низкочастотный осциллограф, только установкой программного обеспечения, ну и придется спаять простой входной делитель. Таких программ существует не мало. Сегодня мы рассмотрим одну из них – Digital Oscilloscope V3.0.

Digital Oscilloscope V3.0 (149.8 KiB, 15,231 hits)

http://www.illari.ru/electro/osc/

Осциллóграф (лат. качаюсь + греч. пишу) — прибор, предназначенный для исследования электирческих сигналов во временнóй области.

Всего 4 детали:

Сопротивление 100 кОм — 1 шт.
Сопротивление 10 кОм — 1 шт.
Стабилитроны 1.9 V — 2 шт.

Схема 1

На входы A и B подаем исследуемый сигнал, с выходов C и D принимаем на звуковую карту (линейный вход или микрофон). Стабилитроны желательно до 1.9 V. Вход А — щуп. Вход В — «Крокодил» — к земле. Выход C — Канал L или R. Выход D — Земля (общий). Исследуемые сигналы не более 15 V! Оплётка проводов — Земля. Длина проводов без оплётки (к щупу) не больше 30 см. Иначе сигнал начинает зашумляться.

Вот как это выглядит

Распайка штекера

Первое измерение

«Крокодил» к минусу, щуп — к исследуемому контакту. В качестве щупа я использую микро зацеп, позволяющий зацепиться за любую ножку и спокойно отойти к монитору для наблюдения за сигналом.

А вот и первый сигнал! Можно сместить сигнал к краю экрана осциллографа, и, затем, водить мышкой. При Этом будет указано время в милисекундах того места, где находится указатель мыши.

Схема 2: Можно всего три детали

Любителям минимизации. Это называется двуханодный стабилитрон. Желательно до 2 Вольт.

Схема 3: Можно и двухлучевой

Тогда все программы, приложенные ниже позволят снимать два сигнала с разных точек, передаваемые по левому и правому каналам.

Настройка звука

Памятка: Если подключили схему к линейному входу, проверьте, чтобы он был включён. При этом микрофон лучше отключить (для меньшего шума).

Программы

В связи с тем, что internet изменчив, и ссылки меняются или становятся недоступными здесь выложены несколько программ. При этом авторские права остаются за авторами этих программ. Более новые версии ищите в интернете.

Все программы протестированы под Windosws XP. Пригождаются все три — у каждой свои преимущества.

Проведём первый эксперимент. Для примера, во всех трёх программах рассмотрим один и тот же сигнал, получаемый с фотодиода, измеряющего свет от энергосберегающих ламп.

WINSCOPE

Oscilloscope 2.51 (Konstantin Zeldovich) Скачать zip (92 Kb) 150 Kb на диске. 3.5 Kb в памяти.

Прим.: Странно, но в начале график был плавным, а теперь вот таким ступенчатым.

Osc10

SB Oscillograph v 1.02 (Max Feoktistov) Скачать zip (18 Kb) 19 Kb на диске. 2.9 Kb в памяти.

Прим.: После выхода из программы в памяти каждый раз остаётся osc10.exe .

Wave Tools

Oscilloscope (Paul Kellett) Скачать zip (1.3 Mb) 2.4 Mb на диске. В пакете: Осциллограф, измеритель, генератор, анализатор.

Прим.: После выхода из программ в памяти остаются ntvdm.exe и wowexec.exe .

Xoscope (Для LINUX UBUNTU)

Xoscope — это программный осциллограф, который использует вход звуковой карты. Включает отображение 8 сигналов, переключатель длительности времени, математические функции, память, измерения величин, и загрузку/сохранение в файл.

Oscilloscope DSSI

The Oscilloscope is a DSSI plugin with a GUI that displays the audio input in an oscilloscope view. It can be useful when working with modular synths, to view the waveforms with at different places in the synth graph.

P.S. Ещё статейка по доводке звуковой карты.

Результат

В результате можно сравнить отличия в освещённости при использовании ламп накаливания (красная линия) и энергосберегающих ламп (синяя линия). На горизонтальной оси стоят отметки в миллисекундах (20 миллисекунд = 50 Герц).

Лампы накаливания дают более стабильный свет, видна синусоида с небольшой амплитудой. Разогретая нить накаливания продолжает излучать свет в момент когда ток в электросети переменного тока меняет направление. Частота мерцания равна 100 Герц.

Энергосберегающие лампы дают более мерцающий свет — амплитуда графика в четыре раза больше. График похож на модуль функции синуса, то есть, он уже не такой плавный как синусоида, при смене направления тока видны остроконечные провалы в освещении. На графиках выше так же заметно, что один из полупериодов смещён относительно другого, в результате чего мы видим график с более низкими провалами по освещённости через каждые 20 миллисекунд. График такой функции повторяется с частотой 50 Герц.

Вывод по эксперименту

Вспомните мерцание 60 Герц у старых электронно-лучевых мониторов. Дискомфорт для глаз. Напряжение. Усталость. Энергосберегающие лампы дают резкое мерцание с периодичностью 50 Герц. Вот почему свет от них воспринимается менее комфортно по сравнению со светом от ламп накаливания.

P.S.

В этом эксперименте сравнивались между собой два графика освещённости моего домашнего-рабочего места полученные с помощью простого фотодиода и осциллографа из четырёх деталей. Это вам не сертифицированные исследования на дорогостоящей аппаратуре. Вы можете продолжать исследования в этом направлении и, тогда, возможно, производители сделают энергосберегающие лампы более комфортными для наших глаз.

Что дальше? Или что ещё почитать?

Как сделать цифровой осциллограф из компьютера своими руками?
Портативный осциллограф на микроконтроллере ATmega32

Осциллограф своими руками. Как сделать осциллограф из звуковой карты. Сделай сам осциллограф. Измерение сигналов с помощью компьютера. Зипись сигналов в компьютер. Звуковая карта — осциллограф. Мерцание энергосберегаюзих. Самый простой осциллограф.

Author: Andrey Illarionov illari.ru Октябрь 2009 г. (дополнено сентябрь 2011)

i!6 / 394 / 1364421 HTML4.01 CSS2.1 Liстатистика htхостинг

http://radiosayt.com/instrument_oscilograf.php

Amazon.com: Цифровой осциллограф, комплект осциллографа с 7-дюймовым экраном 1013D и 2-канальным многофункциональным портативным осциллографом с полосой пропускания 100 Мбит / с Частота дискретизации 1 ГГц (вилка США 110-240 В): Industrial & Scientific

Размер: Штепсельная вилка США 110-240 В

Функция :
1. Обладая интеллектуальной функцией защиты от ожогов, он выдерживает входное напряжение до 400 В и поддерживает остановку отображения формы сигнала в любое время (функция паузы).
2. Мощный менеджер изображений осциллограмм, поддерживает просмотр миниатюр, просмотр, подробный просмотр, перелистывание страниц, удаление и увеличение, уменьшение и перемещение осциллограммы.

Спецификация :
Состояние: 100% новый
Тип изделия: Осциллограф
Материал: ABS
Тип: 1013D
Аналоговая полоса пропускания: 100 МГц x 2
Количество каналов: 2 канала
Вертикальная чувствительность: 50 мВ / дел — 500 В / дел
Диапазон развертки времени по горизонтали: 50 с / дел — 10 нс / дел
Максимальное испытательное напряжение: 40 В (1-кратный пробник), 400 В (10-кратный пробник)
Глубина хранения: 240 Кбит
Входное реактивное сопротивление: 1 МОм
Точность АЦП: 8 бит
Режим связи: переменный ток / DC
Режим срабатывания: одиночный, нормальный, автоматический
Фронт срабатывания: нарастающий / спадающий
Напряжение внешнего запуска 0-40 В
Размер экрана: 7 дюймов
Разрешение экрана: 800 x 480
Работа: емкостный сенсорный экран + жесты
Курсор Тип: по горизонтали X, по горизонтали Y, триггер Y
One-Key AUTO: Поддержка
Процесс отображения: TFT
Хранение сигналов: 1000 снимков экрана + 1000 наборов форм сигналов
Waves Manager: Поддержка
Точность напряжения: ± 2%
Время нарастания: < 3нс
частота cy Точность: ± 0.01% Высокая точность
Параметры измерения: 12 видов
Интерфейс расширения: Экспорт изображения через USB
Источник питания: Литиевая батарея 6000 мАч
Время ожидания: 4 часа
Размер продукта: прибл. 183x130x50 мм / 7,2×5,1×2,0 дюйма

Комплектация:
1 осциллограф
1 зарядное устройство
2 щупа осциллографа
1 USB-кабель
2 руководства
1 инструмент для безиндуктивной настройки
4 кольца
2 x колпачок зонда

Типы осциллографов и их назначение

Осциллографы — это тип основного оборудования, используемого в лабораториях электроники для поиска и устранения неисправностей печатных плат.Узнайте больше о том, для чего используется осциллограф, и о различных типах осциллографов.

ВЛАДИМИР БОЛГАР / Getty Images

Типы осциллографов

Доступны несколько типов осциллографов, аналоговые и цифровые, по разным ценам. Поскольку цифровые осциллографы могут пропускать некоторые переходные сигналы, аналоговые осциллографы по-прежнему ценятся для приложений поиска и устранения переходных процессов. Однако высококачественные осциллографы с цифровым люминофором могут обеспечивать аналогичные возможности.

Аналоговые осциллографы

Аналоговый осциллограф отображает сигнал, полученный пробником, и отслеживает его на экране. Возможности хранения позволяют отображать форму волны в течение продолжительных периодов времени, а не немедленно затухать.

Аналоговые осциллографы особенно важны для работы с аналоговыми сигналами и переходными процессами. В аналоговых осциллографах люминофоры на ЭЛТ-мониторе светятся в течение определенного периода времени перед темнотой, позволяя высокоскоростным сигналам создавать более интенсивное свечение.Этот процесс также позволяет выделяться переходным процессам.

Аналоговые осциллографы предлагают лучший динамический диапазон, чем цифровые осциллографы. Они не страдают от проблем с псевдонимом, которые могут привести к ложным показаниям. Аналоговые осциллографы обычно более доступны, чем цифровые осциллографы, и являются отличным вариантом для новичков и любителей. Аналоговые осциллографы, которые также могут обрабатывать низкоскоростные цифровые сигналы, особенно подходят для работы с аудио и аналоговым видео.

Цифровые осциллографы

Цифровые осциллографы доступны во многих типах.Два ключевых фактора определяют характеристики цифрового осциллографа: частота дискретизации и полоса пропускания. Частота дискретизации осциллографа ограничивает его способность фиксировать переходные одноразовые события. Полоса пропускания осциллографа ограничивает частоту отображаемых повторяющихся сигналов.

Цифровые запоминающие осциллографы

Большинство цифровых осциллографов представляют собой осциллографы с цифровой памятью. Осциллографы с цифровым запоминающим устройством могут фиксировать переходные события и сохранять эти события для анализа, архивирования, печати или другой обработки.Они имеют постоянное хранилище для записи сигналов и могут быть выгружены на другие носители для хранения и анализа.

Осциллографы с цифровой памятью — это рабочие лошадки реального цифрового проектирования, в которых одновременно анализируются четыре или более сигналов. Однако, в отличие от аналогового осциллографа, цифровые запоминающие осциллографы не могут отображать уровень интенсивности сигнала в реальном времени. Одноразовые события могут быть захвачены с помощью триггеров, которые можно установить вручную или автоматически в зависимости от устройства.

Осциллографы с цифровым люминофором

Осциллографы с цифровым люминофором обеспечивают более быстрый захват и анализ сигналов, чем стандартные осциллографы с цифровым запоминающим устройством. Осциллографы с цифровым люминофором используют решение АЦП с параллельной обработкой, которое обеспечивает более высокую частоту дискретизации, обеспечивая уровень производительности визуализации сигнала, который выглядит как в реальном времени.

Осциллографы с цифровым люминофором аналогичны аналоговым осциллографам в отображении интенсивности сигнала.Эти осциллографы дублируют эффект фосфора, сохраняя базу данных значений повторяющихся сигналов и увеличивая интенсивность на дисплее в местах наложения сигналов.

Подобно аналоговому осциллографу, цифровой люминофор может обнаруживать переходные процессы, отображая уровень интенсивности. Однако он может пропустить переходные процессы, происходящие за пределами окна сбора данных и частоты его обновления.

Осциллографы с цифровым люминофором сочетают в себе функции осциллографов с цифровой памятью и технологии аналоговых осциллографов.Эти качества отлично подходят для проектирования общего назначения, цифрового хронирования, расширенного анализа, тестирования связи и устранения неполадок.

Осциллографы со смешанной областью

Осциллограф смешанной области сочетает в себе функции цифрового осциллографа, анализатора ВЧ спектра и логического анализатора в одном устройстве. При разработке или работе с системами, которые включают цифровые сигналы, цифровую логику и радиочастотную связь, осциллографы смешанной области являются важным инструментом.

Основное преимущество осциллографа со смешанной областью состоит в том, что сигналы из каждой области коррелированы по времени друг с другом, что помогает при поиске и устранении неисправностей, отладке и тестировании конструкции.

Осциллографы смешанных сигналов

Инженеры часто используют цифровые осциллографы и логические анализаторы вместе, поэтому был разработан осциллограф смешанных сигналов. Эти устройства сочетают в себе возможности цифрового запоминающего осциллографа (или осциллографа с цифровым люминофором) с многоканальным логическим анализатором.

Возможность цифрового запуска осциллографа смешанных сигналов помогает анализировать аналоговые события, которые могут запускать цифровые логические переходы. Обычно осциллографы смешанных сигналов имеют два или четыре аналоговых входных канала и около 16 цифровых входных каналов.

Цифровые стробоскопические осциллографы

Цифровые стробоскопические осциллографы имеют несколько иную методику ввода, в которой более широкая полоса пропускания заменяется более низким динамическим диапазоном. Входной сигнал не ослабляется и не усиливается, поэтому осциллограф должен обрабатывать весь диапазон входного сигнала, который обычно ограничивается размахом около 1 вольт.

Цифровые стробоскопические осциллографы работают только с повторяющимися сигналами и не помогают захватывать переходные процессы, превышающие нормальную частоту дискретизации. С другой стороны, цифровые стробоскопические осциллографы могут захватывать сигналы, которые на порядок быстрее, чем другие типы осциллографов с полосой пропускания, превышающей 80 ГГц.

Портативные осциллографы

Небольшие портативные осциллографы доступны для полевых и тестовых приложений, где более громоздкие осциллографы являются громоздкими или отсутствуют электрические розетки.Обычно они содержат два входа и имеют ограниченную частоту дискретизации и полосу пропускания.

Компьютерные осциллографы

Компьютерные осциллографы — это небольшие внешние устройства, которые подключаются к компьютеру через USB. В этих типах осциллографов за последние годы произошли значительные улучшения в частоте дискретизации и полосе пропускания.

Некоторые компьютерные осциллографы имеют те же возможности, что и недорогие цифровые запоминающие осциллографы, всего за несколько сотен долларов.Это отличный вариант для любителей, ищущих осциллограф.

Спасибо, что сообщили нам!

Расскажите, почему!

Другой Недостаточно подробностей Трудно понять

Как купить осциллограф?

Как купить осциллограф? Если вы задаете этот вопрос, значит, вы готовы к обновлению.

Мультиметры хороши, но осциллографы на шаг впереди. Что касается отслеживания напряжения и исправления нестабильных цепей, они лучше всех делают то, что делают.Но прежде чем мы начнем, просто знайте, что осциллограф — это инвестиция. Прицел хорошего качества может стоить очень дорого, не заблуждайтесь, оно того стоит.

Мы рассмотрим причины этого позже, но сначала дадим краткое определение.

Что такое осциллограф?

Осциллограф — это инструмент, используемый для отслеживания изменений напряжения во времени путем отображения электронных сигналов в виде сигналов. Их обычно используют техники и инженеры-электронщики, но поверьте нам, когда мы говорим, что существует целый ряд специалистов, которые регулярно используют осциллографы.

Есть два типа: аналоговый и цифровой. Как вы можете догадаться, цифровые прицелы — более современная модель. Но оба типа определенно имеют свои явные преимущества.

Мы оставим все как есть, но вы всегда можете проверить, что такое осциллограф, для более подробного определения.

Что такое осциллограф?

Вопросы, на которые следует обратить внимание, прежде чем отправиться за покупками

Прежде чем вы начнете рыться в Интернете в поисках опций, мы настоятельно рекомендуем узнать, что вы хотите от своего осциллографа.

Может быть, вы хотите измерить больше сигналов. Возможно, вам нужно точно измерить время между заменами цепи. А может вам просто нужна более совершенная система для устранения неполадок?

В любом случае, неплохо было бы записать все свои ожидания и требования на листе бумаги или, по крайней мере, где-нибудь на виду. Таким образом, вы можете просто сопоставить спецификации каждой рассматриваемой вами области с вашим личным контрольным списком.

Вот пара вопросов, над которыми стоит задуматься относительно желаемого осциллографа:

Где вы собираетесь использовать этот осциллограф?
Насколько портативным он вам нужен?
Какой самый высокочастотный сигнал вы планируете измерять?
Какие сигналы с наибольшей амплитудой и наименьшей амплитуды вы планируете измерить?
Сколько сигналов вы планируете измерять за день?

После того, как вы ответили на большинство (или на все) вопросы, вы можете перейти к более техническим аспектам предполагаемой покупки.

Что следует учитывать при покупке осциллографа

При выборе осциллографа следует учитывать несколько моментов. Очевидно, что разные модели будут иметь разные характеристики. Если вы хотите выбрать «прицел, который лучше всего соответствует вашим потребностям», вам нужно (1) понимать, что вы ищете на , и (2) знать, что вы ищете .

Аналоговый или цифровой?

Как мы упоминали ранее, существует два типа осциллографов: аналоговые и цифровые.Новые модели осциллографов, то есть произведенные после 1995 года, обычно являются цифровыми. Очень немногие современные производители все еще производят аналоговые прицелы.

Цифровой запоминающий осциллограф Hantek DSO5202B

Аналоговые осциллографы

Когда вы спрашиваете себя, как мне купить осциллограф, на первый взгляд, аналоговый осциллограф не сильно отличается от цифрового осциллографа. На самом деле, для неподготовленного глаза это могло бы выглядеть похоже (если не чуть больше).Ключевые особенности заключаются в основном в их оборудовании и производительности.

Аналоговые осциллографы:

Отображение форм сигналов на зеленой электронно-лучевой трубке (ЭЛТ)
Управление осями X и Y с помощью генератора пилообразных волн и усилителей с высоким коэффициентом усиления
Наличие порогового детектора в качестве системы запуска (которая также сбрасывает генератор пилообразных колебаний)
Не использовать пиксели и не иметь определенного разрешения
Также поставляются с вертикальным каналом, горизонтальным каналом, временной разверткой и модулем ЭЛТ

Эти осциллографы отображают формы сигналов на экране ЭЛТ с использованием усилителей с высоким коэффициентом усиления .Цепи отклонения ЭЛТ заставляют электрон как бы «сдвигать» люминофор внутри лицевой стороны лампы, чтобы дать точные показания. У них также есть два канала — горизонтальный и вертикальный, — которые оснащены различными функциями и режимами.

Вертикальный канал: аттенюатор, предусилитель, аналоговая линия задержки и вертикальный усилитель
Горизонтальный канал: внутренний рабочий режим, внешний рабочий режим

Цифровые осциллографы
JYETECH DSO150 200KHz Oscilloscope

Цифровые осциллографы с точки зрения визуализации могут выглядеть немного изящнее (и немного менее устрашающе), чем аналоговые модели.Однако, как упоминалось ранее, физические различия на первый взгляд незаметны.

Помимо более легкого и портативного цифрового осциллографа, он также:

Используйте АЦП для выборки входного сигнала
Имейте небольшой компьютер и ЖК-монитор для построения выборок (в более ранних моделях используется ЭЛТ, как и в аналоговых осциллографах)
Способен выполнять математические операции, такие как БПФ.
Может обеспечивать измерения на экране, хранение и даже печать
Имеют более широкую полосу пропускания, чем аналоговые осциллографы

В основном цифровые модели более интуитивно понятны и отзывчивы.Они идеально подходят современному пользователю благодаря множеству изящных уловок, заключенных в их крошечную рамку, таких как построение графика одного периода измерения, отображение результатов измерений на экране и фактические математические операции.

Примечание

Цифровые осциллографы подвержены ловушкам артефактов наложения спектров; не о чем беспокоиться об аналоговых прицелах. Так что да, цифровые прицелы кажутся им полезными, но они не лишены собственных недостатков.

Тем не менее, если вы впервые покупаете осциллографы, вы можете обнаружить, что цифровые модели проще в использовании.Они немного более удобны и снисходительны, чем аналоговые прицелы (чего хотят многие новички). Также существует ситуация, о которой мы упоминали ранее, «не так много производителей уже выпускают аналоговые модели».

Как мы упоминали ранее, разница между аналоговым и цифровым более очевидна в их характеристиках. Но пока мы сосредоточимся на главном различии между этими двумя осциллографами, а именно на том, как они отображают формы сигналов.

Аналоговые осциллографы сразу показывают формы сигналов в том виде, в каком они есть.Цифровые осциллографы сначала отбирают исходную форму сигнала, а затем преобразуют ее в цифровые числа, а затем отображают (и сохраняют).

Как нарисовать сигнал произвольной формы.

Хорошая новость в том, что при переходе от одного типа к другому не так уж много времени. Если вы научитесь пользоваться аналоговым осциллографом, у вас не будет проблем с цифровым — и наоборот. Элементы управления и дисплей могут немного отличаться, но в целом? Оба они довольно просты в эксплуатации, и оба измеряют изменения напряжения как чемпион.

Производитель

Как только вы начнете покупать осциллографы, вы можете заметить, что бренды Tektronix и Keysight (ранее известные как Agilent или HP) появляются буквально повсюду.

Нет ничего удивительного; они два крупнейших гиганта на игровой площадке осциллографов. Все знают, кто они такие, потому что:

они существуют уже много лет, а
их качество за пределами чарта .

Хотите лучшего? Вы получаете то, что их бренд нанесен на коробку. Однако этот штамп стоит недешево. Фактически, когда дело доходит до их продуктов, вы обычно платите большие деньги — , а потом еще долларов.

Не ошибитесь; их прицелы — фантастические.

Но если у вас ограниченный бюджет, не волнуйтесь. У производителей осциллографов было достаточно времени, чтобы активизировать свою игру. Пока вы только начинаете, вам не нужно , лучших из лучших.

Прекрасно обслуживаемые модели доступны по вполне доступным ценам. Ищите такие бренды, как Hantek, Siglent, LeCroy, Phillips и Rhode & Schwartz. У этих ребят есть отличные прицелы по довольно разумным ценам.

Так как же купить осциллограф? Посетите наш интернет-магазин «Специалисты по схемам», чтобы определить лучший осциллограф для ваших нужд.

Пропускная способность

Когда доходит до выбора осциллографа и возникает вопрос, как мне купить осциллограф, ширина полосы пропускания, возможно, является одной из самых важных характеристик (если не , то наиболее важной характеристикой.

Указывает на сигнал самой высокой частоты, который способен уловить осциллограф. Если частоты, которые вы обычно измеряете, относятся к верхнему краю диапазона, вам понадобится «осциллограф» с прилично большой полосой пропускания — для начала, может быть, пару сотен мегагерц или гигагерц. Но если вы знаете, что ваши частоты не превышают нескольких сотен килогерц, вы, , можете определенно согласиться на более низкую полосу пропускания.

Более подробные причины важности полосы пропускания для принятия решения о выборе осциллографа можно найти здесь.

Хитрость заключается в выборе осциллографа с полосой пропускания, которая может безопасно удовлетворить ваши потребности. и дают вам некоторое пространство для маневра, чтобы вырастить , не тратя деньги на ненужную производительность. Полоса пропускания, которая находится более или менее в среднем диапазоне (от 50 МГц до 500 МГц), обычно является безопасным выбором.

Частота дискретизации 2-канальный цифровой запоминающий осциллограф Siglent SDS2102X-PLUS, 100 МГц,
Второе, на что следует обратить внимание, задавая себе вопрос, как купить осциллограф, — это частота дискретизации.Частота дискретизации — это то, что цифровой осциллограф использует для восстановления сигнала. Большинство осциллографов имеют две разные частоты дискретизации (также называемые режимами):
выборка в реальном времени
выборка в эквивалентном времени (или повторяющаяся выборка)
Активированный режим зависит от измеряемого сигнала. Как правило, выборка в реальном времени работает для всех типов сигналов. Выборка в эквивалентном времени (также называемая ETS) работает только для стабильных повторяющихся сигналов.
Кроме того, когда дело доходит до частоты дискретизации, вам действительно нужно перепроверить спецификации.Некоторые производители подчеркивают хорошую частоту дискретизации для продажи продуктов, но они не уточняют, применяется ли указанная частота только к повторяющимся сигналам (которые активируют только ETS) или ко всем сигналам (которые активируют оба режима).
Вам необходимо убедиться, что «прицел, который вы планируете приобрести, может обрабатывать сигналы, с которыми вы будете работать.
Аналоговые осциллографы не имеют частоты дискретизации. Поскольку они уже показывают формы волны такими, какие они есть, им не нужно восстанавливать волны.Поэтому пробовать их не нужно. Если вы не хотите беспокоиться о частоте дискретизации, в этом отношении вам может подойти аналоговая модель.
Глубина памяти
Глубина памяти работает рука об руку с частотой дискретизации. Как мы упоминали ранее, цифровые осциллографы преобразуют сигнал в числа путем его дискретизации. Каждый раз, когда они это делают, данные сохраняются в так называемой «буферной памяти».
Размер буферной памяти (или глубина памяти) определяет, как долго осциллограф может захватывать сигнал и преобразовывать его.Если объем памяти слишком мал для частоты дискретизации, скорее всего, вы сможете использовать осциллограф на полной частоте дискретизации только пару раз, прежде чем он достигнет своего предела.
В этой статье вы найдете подробное объяснение взаимосвязи между глубиной памяти и частотой дискретизации, что поможет вам в дальнейшем ответить на ваш вопрос; как купить осциллограф?
Вы хотите получить более высокую глубину памяти, чтобы получить твердое, определенное представление считываемого сигнала.Опять же, небольшое исследование имеет большое значение. Вот довольно подробное руководство о том, что такое объем памяти осциллографа, чтобы вы начали.
Опции USB Популярность осциллографов
USB за последние пару лет выросла в основном из-за того, что они являются самыми портативными моделями и самыми доступными.
Вместо того, чтобы поставляться со своим собственным светодиодным или ЭЛТ-экраном, они отображают измерения с помощью экрана вашего ПК (а иногда также обрабатывают измерения, используя вычислительную мощность вашего ПК).Это позволяет производителям значительно сэкономить на производственных затратах на эти модели, позволяя им продавать USB-прицелы по невероятно низким ценам.
Вы можете найти довольно приличные (и доступные) варианты у таких брендов, как Digilient и OpenScope.
Как насчет покупки бывших в употреблении осциллографов?
Лично (и профессионально)? Мы не рекомендуем подержанные. Осциллографы — это очень чувствительное оборудование, которое должно давать точных показаний .Если что-то в его конструкции нарушается, ухудшаются и его характеристики.
Однако покупка бывших в употреблении осциллографов возможна, хотя и немного рискованна. Если вы проведете свое исследование и будете чрезвычайно внимательны к своему выбору, вы можете получить довольно хорошую сделку. Вот несколько предостережений, которые могут вам помочь:
Покупайте только проверенные марки. Мы можем порекомендовать подержанные осциллографы Tektronix, осциллографы HP, подержанные осциллографы Lecroy и подержанные осциллографы Fluke.
Определите ваши ожидания. Вы покупаете подержанный прицел . Шансы на то, что он будет выглядеть свежим и заводским, очень, очень тонкий.
Подержанные аналоговые прицелы редко имеют запасные части. Дело в том, что они устарели. Так что, если ваша бывшая в употреблении модель больше не находится на гарантии (и давайте посмотрим правде в глаза; скорее всего, это , а не ), не ждите бесплатных запчастей и услуг.
Вот довольно хорошее руководство по покупке бывших в употреблении осциллографов. Здесь вы также можете найти дополнительные предостережения.
Профессиональные рекомендации
Если вы ищете отличный прицел по разумной цене, Hantek DSO5202P DSO — это цифровая модель, которая идеально подходит для идеального выбора между «крутым» и «доступным». В нем есть все вкусности, а еще кое-что; Подключение по USB, частота дискретизации 1 Гбит / с, 32 автоматизированных измерения и многое другое. Полные спецификации можно найти здесь.
В остальном серия Siglent кажется фаворитом публики для свежих новых моделей, особенно 1052DL и SDS2102X.В частности, SDS2102X часто высоко ценится за инновационную систему и удобный дизайн. Определенно стоит поискать тех, кто впервые использует осциллограф!
Покупка подержанного товара возможна, но вы должны быть очень, очень осторожны с тем, где и что вы покупаете. Мы не можем достаточно подчеркнуть это. Tektronix и HP / Agilent — довольно хорошие бренды для бывших в употреблении осциллографов, но вам все равно необходимо лично изучить осциллограф при покупке.Ничего страшного, если объем выйдет из строя через 3 месяца. Мы рекомендуем портативный осциллограф Hantek.
Портативные осциллографы Hantek
Всегда выбирайте осциллограф с полосой пропускания выше максимальной частоты, которую вы планируете измерять. Все, что ниже, приведет к неточному чтению.
Хотя для старых добрых аналоговых осциллографов еще есть место, цифровые осциллографы определенно могут предложить кое-что еще.Они обладают мощной мощностью в довольно портативном корпусе — это то, что могут оценить многие из нас, работающих в дороге. Если вы знаете, что вам придется часто таскать с собой «прицел», возможно, вы захотите больше склоняться к цифровым вариантам.
Вкратце…
Вот ваши выводы о том, как купить осциллограф:
ЦЕНА. Осциллографы могут быть дорогими, поэтому знайте, что вам нужно, и готовьтесь соответствующим образом.
ПОРТАТИВНОСТЬ. Если вам нужно что-то удобное и портативное, купите цифровой осциллограф.В остальном аналоговая модель тоже работает.
АНАЛОГОВЫЙ против ЦИФРОВОГО. Если вы знаете, как пользоваться одним, вы сможете использовать и другой.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ. Три самых важных? Пропускная способность, частота дискретизации, глубина памяти.
В конце концов, лучший осциллограф — это тот, который предлагает все , которые вам нужны. Это не то, о чем вы можете позволить себе сожалеть после покупки (даже бывшей в употреблении), поэтому подходите к принятию решения о покупке с максимальной осторожностью.
Информация — лучший инструмент, который вы можете дать себе, чтобы помочь вам в процессе выбора. Так что если вы прошли, как купить осциллограф, отличная работа! Ты почти там!
Мы в Circuit Specialists надеемся, что помогли вам ответить на этот вопрос; как купить осциллограф?
Чтобы узнать больше о схемотехнике, посетите наш блог!
% PDF-1.3 % 1960 0 объект > эндобдж xref 1960 127 0000000016 00000 н. 0000004808 00000 п. 0000005050 00000 н. 0000005087 00000 н. 0000005289 00000 п. 0000005520 00000 н. 0000005601 00000 п. 0000005680 00000 н. 0000006448 00000 н. 0000007134 00000 н. 0000007799 00000 н. 0000008460 00000 н. 0000008528 00000 н. 0000009244 00000 н. 0000009322 00000 п. 0000010035 00000 п. 0000010640 00000 п. 0000011367 00000 п. 0000011406 00000 п. 0000011682 00000 п. 0000011951 00000 п. 0000012259 00000 п. 0000012888 00000 п. 0000015582 00000 п. 0000026884 00000 п. 0000039705 00000 п. 0000040427 00000 п. 0000041262 00000 п. 0000055560 00000 п. 0000055601 00000 п. 0000441858 00000 н. 0000441918 00000 н. 0000442013 00000 н. 0000442102 00000 н. 0000442295 00000 н. 0000442475 00000 н. 0000442667 00000 н. 0000442898 00000 н. 0000443050 00000 н. 0000443164 00000 н. 0000443308 00000 н. 0000443428 00000 н. 0000443634 00000 н. 0000443870 00000 н. 0000444102 00000 н. 0000444327 00000 н. 0000444527 00000 н. 0000444751 00000 н. 0000444911 00000 н. 0000445107 00000 п. 0000445303 00000 п. 0000445485 00000 н. 0000445651 00000 п. 0000445823 00000 п. 0000446075 00000 н. 0000446353 00000 н. 0000446533 00000 н. 0000446725 00000 н. 0000446917 00000 н. 0000447139 00000 н. 0000447419 00000 н. 0000447563 00000 н. 0000447807 00000 н. 0000448075 00000 н. 0000448283 00000 н. 0000448485 00000 н. 0000448695 00000 н. 0000448929 00000 н. 0000449169 00000 н. 0000449409 00000 н. 0000449639 00000 н. 0000449871 00000 н. 0000450079 00000 п. 0000450249 00000 н. 0000450451 00000 п. 0000450623 00000 п. 0000450903 00000 н. 0000451169 00000 н. 0000451343 00000 н. 0000451505 00000 н. 0000451719 00000 п. 0000451923 00000 н. 0000452185 00000 п. 0000452423 00000 н. 0000452685 00000 н. 0000452983 00000 н. 0000453207 00000 н. 0000453415 00000 н. 0000453687 00000 н. 0000453971 00000 н. 0000454207 00000 н. 0000454487 00000 н. 0000454777 00000 н. 0000455079 00000 п. 0000455285 00000 н. 0000455473 00000 н. 0000455739 00000 н. 0000455997 00000 н. 0000456229 00000 п. 0000456493 00000 н. 0000456745 00000 н. 0000456993 00000 н. 0000457235 00000 н. 0000457437 00000 н. 0000457689 00000 н. 0000457975 00000 п. 0000458235 00000 н. 0000458457 00000 н. 0000458627 00000 н. 0000458807 00000 н. 0000458931 00000 н. 0000459055 00000 н. 0000459181 00000 п. 0000459293 00000 н. 0000459413 00000 п. 0000459645 00000 н. 0000459873 00000 п. 0000460091 00000 н. 0000460197 00000 н. 0000460291 00000 п. 0000460507 00000 н. 0000460729 00000 н. 0000460889 00000 н. 0000461029 00000 н. 0000461211 00000 н. 0000461457 00000 н. 0000002836 00000 н. трейлер ] / Назад 5345935 >> startxref 0 %% EOF 2086 0 объект > поток hWsU? & — dӤ # lRkhZZ: I \ b [8LK% / ZFpfl, 2a5Vkq4GpM {
Что такое осциллограф? Типы осциллографов — Compocket
ВСЕ О ОСЦИЛЛОСКОПЕ
Осциллограф — это измерительное устройство, которое позволяет нам видеть изменения электрического напряжения, зависящие от времени.Можно сказать, что осциллограф — это, по сути, устройство графического отображения. Осциллографы — важный инструмент в арсенале электронщика или тестера. Осциллограф показывает информацию о временном интервале , времени нарастания и искажении сформированного сигнала.
Базовый осциллограф состоит из четырех различных систем:
Вертикальная система
Горизонтальная система
Спусковая система
Система визуализации
Все эти системы используются осциллографом, чтобы предоставить наибольшую информацию о сигнале и позволить пользователю определять целостность, предсказуемость и надежность этих сигналов для любого количества приложений.
История осциллографа
Самый старый способ создания изображения формы волны заключался в измерении напряжения или тока вращающегося ротора в определенных точках вокруг оси ротора и записи измерений, выполненных с помощью гальванометра. Медленно перемещаясь вокруг ротора, можно нарисовать общую стоячую волну на миллиметровой бумаге, записав градусы вращения и силу измерителя в каждой позиции. Эти процессы были автоматизированы с помощью пошагового метода измерения формы волны Жюля Франсуа Жубера. Этот процесс может дать только очень грубую форму волны. Но это был первый шаг в науке о визуализации сигналов.
Первый цифровой запоминающий осциллограф был произведен компанией Nicolet Test Instrument из Мэдисона. Используется для вибрационного и медицинского анализа с низкоскоростным аналого-цифровым преобразователем. После производства высокоскоростных цифровых осциллографов в Швейцарии Уолтер Лекрой в Соединенных Штатах Америки разработал высокоскоростной цифровой запоминающий осциллограф.Уолтер Лекрой — один из лучших разработчиков осциллографов в мире.
Цифровые осциллографы также привело к производству портативных цифровых осциллографов. Портативный осциллограф — это осциллограф реального времени, обычно использующий монохромный или цветной жидкокристаллический дисплей. С увеличением распространения компьютеров компьютерные осциллографы становятся все более распространенными. ПК может быть частью осциллографа или использоваться с осциллографом. В осциллографах сигнал фиксируется на внешнем оборудовании и передается на компьютер, где он обрабатывается и отображается.
Цифровые запоминающие осциллографы
используют быстрый аналого-цифровой преобразователь для записи и отображения цифрового представления формы сигнала. Цифровой запоминающий осциллограф позволяет отображать события перед запуском и устранять неисправности электронных сбоев.
Цифровые осциллографы, используемые сегодня, появились в результате развития осциллографов, электронно-лучевых трубок, аналоговых осциллографов и цифровой электроники.
Цифровые осциллографы получили широкое распространение с 1980-х годов .
Типы осциллографов:
Цифровой осциллограф
Аналоговый осциллограф
Осциллограф USB
Портативный осциллограф
Поясним эти варианты соответственно.
Цифровой осциллограф
: Осциллографы типа
, которые мы встретим чаще всего, являются цифровыми. Они работают с быстрым аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) с высоким разрешением и микроконтроллером, который управляет функциями дисплея с помощью кнопки.Благодаря цифровым осциллографам стали возможны такие удобные функции, как автоматическое измерение, частотный анализ и БПФ, память изображений. Он может передавать полноэкранные изображения, видео или данные сигналов
с осциллографа на ПК.
Аналоговый осциллограф:
Эти устройства, работающие по принципу отклонения электронного луча в электронно-лучевой трубке на экране входным сигналом, подаваемым на катушки вертикального и горизонтального дефлектора, образуют самые старые известные осциллографы.
Осциллограф USB:
Эти устройства, работающие по тому же принципу, что и цифровые осциллографы, не имеют экрана. Они используют программное обеспечение, работающее на нашем компьютере, для отображения сигнала.
Портативный осциллограф
:
Это устройства с ограниченными возможностями с точки зрения небольших размеров и удобства транспортировки. Осциллографы лабораторного типа с батареей и зарядными моделями — это устройства, которые могут давать результаты с высокой точностью. Портативный осциллограф имеет дополнительный прочный защитный кожух , который особенно используется для полевых приложений и обнаружения неисправностей.
Хотя следует отметить, что многие из этих карманных осциллографов втиснут тонны функций в свои крошечные рамки. Он обеспечивает качественную точность, множество функций и надежные возможности регистрации данных как для осциллографа, так и для встроенного цифрового мультиметра.
Независимо от того, являетесь ли вы профессионалом или студентом, вам нужен точный, удобный и портативный осциллограф.
Портативные осциллографы обычно используются для оценки, расчета и проверки в технологиях, машиностроении, телекоммуникациях, автоисследованиях и в тяжелой промышленности.
Где используется осциллограф?
Осциллограф можно использовать во многих процессах поиска и устранения неисправностей:
Он используется для определения частоты и амплитуды сигнала, который может иметь решающее значение для входа, выхода схемы или внутренних систем. Таким образом, вы можете определить, неисправен ли какой-либо компонент в вашей цепи.
Используется для определения уровня шума в цепи.
При определении формы волны — синус, квадрат, треугольник, комплекс и т. Д.
Он используется для измерения разностей фаз между двумя разными сигналами.
Осциллографы
можно найти в технических службах, научно-исследовательских и производственных отделах и лабораториях.
Что измеряют осциллографы? Осциллограф
используется для многих измерений. Наиболее известные из них;
Измерения напряжения
Измерения времени и частоты
Измерение длительности импульса и времени нарастания
Измерения фазового сдвига
Как работает осциллограф? Осциллографы
бывают двух типов:
Цифровые осциллографы
Аналоговые осциллографы
Аналоговые осциллографы:
Хотя аналоговые осциллографы сегодня не используются, они работают так же, как старые ламповые телевизоры.Они работают с техникой формирования изображения на люминофорном экране по принципу передачи входящего сигнала на катушки, используемые для отклонения электронного луча, сформированного в электронно-лучевой трубке.
Цифровые осциллографы:
В наши дни типичных осциллографов высокого класса представляют собой цифровые устройства. Они подключаются к персональным компьютерам и используют свои дисплеи. Он может подключить осциллограф к ПК. Цифровые осциллографы, с другой стороны, работают по принципу дискретизации сигнала со входа благодаря высокоскоростным микропроцессорам. Преимущество этого заключается в том, что сигнал можно остановить в любое время, запустить на желаемом уровне, записать и создать заново. Кроме того, хотя в аналоговых осциллографах нет теоретических ограничений, частота дискретизации приобретаемого вами устройства определяет максимальную частоту сигнала, которую вы можете измерить цифровыми осциллографами.
Цифровые осциллографы могут быть классифицированы как:
Цифровые запоминающие осциллографы (DSO)
Осциллографы с цифровым люминофором (DPO)
Осциллографы смешанных сигналов (ОСО)
Цифровые стробоскопические осциллографы
Использование осциллографа — Как использовать осциллограф?
Вертикальная ось (y) изображения, сформированного на экране осциллографа, показывает амплитуду, то есть интенсивность измеренного сигнала.Горизонтальная ось показывает время.
Кнопки и задачи
Volts / Div: Определяет вертикальное разрешение сигнала, отображаемого на осциллографе. Вращая эту ручку, мы можем настроить, сколько напряжений V соответствует каждому кадру, который появляется на экране с шагом по вертикали. Как правило, у нас есть возможность изменять это разрешение с различными шагами от 1 мВ до 5 В.
сек / дел: Определяет горизонтальное разрешение сигнала на экране.Мы устанавливаем , сколько секунд, миллисекунд или микросекунд будет отображать каждый горизонтальный кадр с помощью этой кнопки.
Соединение постоянного и переменного тока:
AC: Измеряет сигналы переменного тока.
DC: Измеряет сигналы постоянного тока.
Триггер: Этот параметр доступен только для цифровых осциллографов. С помощью этой кнопки мы устанавливаем, что осциллограф начнет измерения, когда сигнал достигнет. Если изображение на экране скачет вправо и влево, эта настройка будет полезна.
Horizontal Pos: Этот параметр используется для регулировки горизонтального положения сигнала на экране. Это очень полезная функция для сигналов, которые не помещаются на экране.
Вертикальное положение: Этот параметр используется для регулировки вертикального положения сигнала на экране. Особенно при одновременном исследовании двух разных сигналов может быть очень полезно найти два сигнала в разных положениях по вертикали, используя эту функцию.
Авто: Эта кнопка доступна только на цифровых осциллографах.Мы можем легко настроить вертикальное и горизонтальное разрешение измеряемого сигнала наиболее подходящим для экрана способом, нажав эту кнопку.
Стоп: Эта кнопка, предназначенная только для цифровых осциллографов, позволяет сделать снимок текущего состояния сигнала и изучить его более подробно.
Вам также могут понравиться: Что такое щупы осциллографа?

обнаружение, обработка, классификация и приложения
Abstract
Электромиографические (ЭМГ) сигналы могут использоваться для клинических / биомедицинских приложений, разработки Evolvable Hardware Chip (EHW) и взаимодействия с современным человеком и компьютером.Для сигналов ЭМГ, полученных от мышц, требуются передовые методы обнаружения, разложения, обработки и классификации. Цель этой статьи — проиллюстрировать различные методологии и алгоритмы анализа сигналов ЭМГ, чтобы обеспечить эффективные и действенные способы понимания сигнала и его природы. Мы также указываем на некоторые аппаратные реализации, использующие EMG, с упором на приложения, связанные с управлением протезами руки, распознаванием захвата и взаимодействием человека с компьютером. Также дано сравнительное исследование, чтобы показать эффективность различных методов анализа сигналов ЭМГ.Эта статья дает исследователям хорошее представление об ЭМГ-сигнале и процедурах его анализа. Эти знания помогут им разрабатывать более мощные, гибкие и эффективные приложения.
Ключевые слова: Электромиография, анализ Фурье, мышцы, нервная система
Введение
Биомедицинский сигнал означает коллективный электрический сигнал, полученный от любого органа, который представляет интересующую физическую переменную. Этот сигнал обычно является функцией времени и может быть описан в терминах его амплитуды, частоты и фазы.Сигнал ЭМГ — это биомедицинский сигнал, который измеряет электрические токи, генерируемые в мышцах во время их сокращения, представляющие нервно-мышечную активность. Нервная система всегда контролирует мышечную активность (сокращение / расслабление). Следовательно, сигнал ЭМГ — это сложный сигнал, который контролируется нервной системой и зависит от анатомических и физиологических свойств мышц. Сигнал ЭМГ приобретает шум при прохождении через разные ткани. Более того, детектор ЭМГ, особенно если он находится на поверхности кожи, одновременно собирает сигналы от разных двигательных единиц, которые могут генерировать взаимодействие разных сигналов.Обнаружение сигналов ЭМГ с помощью мощных и передовых методик становится очень важным требованием в биомедицинской инженерии. Основная причина интереса к анализу сигналов ЭМГ заключается в клинической диагностике и биомедицинских приложениях. Сфера лечения и реабилитации двигательной инвалидности определена как одна из важных областей применения. Формы и частота активации потенциалов действия двигательных единиц (MUAP) в сигналах ЭМГ являются важным источником информации для диагностики нервно-мышечных расстройств.Как только соответствующие алгоритмы и методы анализа сигналов ЭМГ становятся доступными, природа и характеристики сигнала могут быть правильно поняты, и могут быть реализованы аппаратные средства для различных приложений, связанных с сигналами ЭМГ.
К настоящему времени в этой области были предприняты исследования и обширные усилия, направленные на разработку лучших алгоритмов, обновление существующих методологий, улучшение методов обнаружения для уменьшения шума и получения точных сигналов ЭМГ. Было сделано несколько аппаратных реализаций для управления протезами руки, распознавания захвата и взаимодействия человека с машиной.Очень важно провести исследование, чтобы классифицировать актуальные проблемы анализа сигналов ЭМГ и обосновать принятые меры.
Технология записи ЭМГ относительно новая. По-прежнему существуют ограничения в обнаружении и характеристике существующих нелинейностей в сигнале поверхностной электромиографии (sEMG, специальный метод исследования мышечных сигналов), оценке фазы, получении точной информации из-за вывода из нормальности (1, 2) Традиционные алгоритмы реконструкции системы имеют различные ограничения и значительную вычислительную сложность, а многие из них демонстрируют высокую дисперсию (1).Последние достижения в технологиях обработки сигналов и математических моделей сделали практическую разработку передовых методов обнаружения и анализа ЭМГ. Широкое распространение получили различные математические методы и искусственный интеллект (ИИ). Математические модели включают вейвлет-преобразование, частотно-временные подходы, преобразование Фурье, распределение Вигнера-Вилля (WVD), статистические меры и статистику более высокого порядка. Подходы ИИ к распознаванию сигналов включают искусственные нейронные сети (ИНС), динамические рекуррентные нейронные сети (DRNN) и систему нечеткой логики.Генетический алгоритм (GA) также был применен в эволюционируемом аппаратном чипе для сопоставления входных сигналов ЭМГ с желаемыми действиями рук.
Вейвлет-преобразование хорошо подходит для нестационарных сигналов, таких как ЭМГ. Частотно-временной подход с использованием WVD в оборудовании может позволить создать инструмент в реальном времени, который можно использовать для тренировки конкретных двигательных единиц в ситуациях биологической обратной связи. Статистические методы более высокого порядка (HOS) могут использоваться для анализа сигнала EMG из-за уникальных свойств HOS, применяемых к случайным временным рядам.Биспектр или спектр третьего порядка имеет преимущество подавления гауссовского шума.
В этой статье сначала дается краткое объяснение сигнала ЭМГ и краткая историческая справка по анализу сигнала ЭМГ. Далее следует описание современных методов обнаружения, разложения, обработки и классификации сигнала ЭМГ, а также сравнительное исследование. Наконец, были обсуждены некоторые аппаратные реализации и приложения EMG.
Материалы и методы
ЭМГ: анатомо-физиологические основы
EMG — электромиография.Это исследование электрических сигналов мышц. ЭМГ иногда называют миоэлектрической активностью. Мышечная ткань проводит электрические потенциалы так же, как нервы, и название, данное этим электрическим сигналам, — потенциал действия мышц. Поверхностная ЭМГ — это метод записи информации, содержащейся в этих потенциалах действия мышц. При обнаружении и записи сигнала ЭМГ есть две основные проблемы, которые влияют на точность сигнала. Первый — это отношение сигнал / шум.То есть отношение энергии сигналов ЭМГ к энергии шумового сигнала. В общем, шум определяется как электрические сигналы, которые не являются частью желаемого сигнала ЭМГ. Другой проблемой является искажение сигнала, что означает, что относительный вклад любой частотной составляющей в сигнал ЭМГ не должен изменяться. Для получения мышечного сигнала использовались два типа электродов: инвазивный электрод и неинвазивный электрод. Когда ЭМГ получают от электродов, установленных непосредственно на коже, сигнал представляет собой совокупность всех потенциалов действия мышечных волокон, возникающих в мышцах, лежащих под кожей.Эти потенциалы действия возникают через случайные промежутки времени. Таким образом, в любой момент сигнал ЭМГ может быть как положительным, так и отрицательным напряжением. Потенциалы действия отдельных мышечных волокон иногда измеряются с помощью проволочных или игольчатых электродов, помещаемых непосредственно в мышцу. Комбинация потенциалов действия мышечных волокон от всех мышечных волокон одной двигательной единицы представляет собой потенциал действия двигательной единицы (MUAP), который может быть обнаружен поверхностным электродом кожи (неинвазивным), расположенным рядом с этим полем, или иглой. электрод (инвазивный) вставлен в мышцу (3).Уравнение 1 показывает простую модель сигнала ЭМГ:
где, x (n) , смоделированный сигнал ЭМГ, e (n) , обработанная точка, представляет импульс стрельбы, h (r) , представляет MUAP, w (n) , нулевое среднее белый гауссовский шум, вызывающий привыкание, и N — количество срабатываний моторных единиц.
Сигнал улавливается электродом и усиливается. Обычно в качестве усилителя первой ступени используется дифференциальный усилитель.Могут последовать дополнительные стадии усиления. Перед отображением или сохранением сигнал может быть обработан для устранения низкочастотного или высокочастотного шума или других возможных артефактов. Часто пользователя интересует амплитуда сигнала. Следовательно, сигнал часто выпрямляется и усредняется в некотором формате, чтобы указать амплитуду ЭМГ.
Нервная система является одновременно управляющей и коммуникационной системой тела. Эта система состоит из большого количества возбудимых связанных клеток, называемых нейронами, которые взаимодействуют с различными частями тела с помощью электрических сигналов, которые являются быстрыми и специфическими.Нервная система состоит из трех основных частей: головного мозга, спинного мозга и периферических нервов. Нейроны являются основной структурной единицей нервной системы и значительно различаются по размеру и форме. Нейроны — это узкоспециализированные клетки, которые передают сообщения в виде нервных импульсов от одной части тела к другой.
Мышца состоит из пучков специализированных клеток, способных сокращаться и расслабляться. Основная функция этих специализированных клеток — генерировать силы, движения и способность общаться, например речь, письмо или другие способы выражения.Мышечная ткань обладает растяжимостью и эластичностью. Он способен принимать раздражители и реагировать на них, его можно сокращать или сокращать. Мышечная ткань выполняет четыре ключевые функции: движение, перемещение вещества внутри тела, стабилизация и выработка тепла. На основании структуры, сократительных свойств и механизмов контроля можно выделить три типа мышечной ткани: (i) скелетная мышца, (ii) гладкая мышца и (iii) сердечная мышца. ЭМГ применяется для исследования скелетных мышц.Ткань скелетных мышц прикреплена к кости, и ее сокращение отвечает за поддержку и движение скелета. Сокращение скелетных мышц инициируется импульсами нейронов к мышце и обычно находится под произвольным контролем. Волокна скелетных мышц хорошо снабжены нейронами для их сокращения. Этот конкретный тип нейрона называется «двигательным нейроном», и он приближается к мышечной ткани, но на самом деле не связан с ней. Один мотонейрон обычно стимулирует множество мышечных волокон.
Человеческое тело в целом электрически нейтрально; у него одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. Но в состоянии покоя мембрана нервной клетки поляризована из-за различий в концентрациях и ионном составе на плазматической мембране. Между внутриклеточными и внеклеточными жидкостями клетки существует разность потенциалов. В ответ на стимул от нейрона мышечное волокно деполяризуется, поскольку сигнал распространяется по его поверхности, и волокно дергается.Эта деполяризация, сопровождаемая движением ионов, создает электрическое поле около каждого мышечного волокна. Сигнал ЭМГ — это последовательность потенциала действия двигательных единиц (MUAP), показывающая мышечный ответ на нервную стимуляцию. Сигнал ЭМГ выглядит случайным по своей природе и обычно моделируется как отфильтрованный импульсный процесс, где MUAP является фильтром, а импульсный процесс обозначает импульсы нейрона, часто моделируемые как процесс Пуассона (3). На рисунке показан процесс получения сигнала ЭМГ и его разложение для достижения MUAP.
Сигнал ЭМГ и разложение MUAP.
ЭМГ: история
Разработка EMG началась с документации Франческо Реди в 1666 году. В документе сообщается, что узкоспециализированные мышцы рыбы с электрическим скатом генерируют электричество (3). К 1773 году Уолш смог продемонстрировать, что мышечная ткань рыбы-угря может генерировать искру электричества. В 1792 г. вышло издание «De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius», написанное А.Гальвани, где автор показал, что электричество может инициировать сокращение мышц (4). Шесть десятилетий спустя, в 1849 году, Дубиос-Раймонд обнаружил, что также можно регистрировать электрическую активность во время произвольного сокращения мышц. Первая запись этой активности была сделана Marey в 1890 году, который также ввел термин электромиография (5). В 1922 году Гассер и Эрлангер использовали осциллограф, чтобы показать электрические сигналы от мышц. Из-за стохастической природы миоэлектрического сигнала при его наблюдении можно было получить только приблизительную информацию.Возможности обнаружения электромиографических сигналов неуклонно улучшались с 1930-х по 1950-е годы, и исследователи начали более широко использовать улучшенные электроды для исследования мышц (1). Клиническое использование поверхностной ЭМГ для лечения более специфических заболеваний началось в 1960-х годах. Хардик и его исследователи были первыми (1966) практиками, использовавшими sEMG (5). В начале 1980-х годов Крам и Стегер представили клинический метод сканирования различных мышц с помощью устройства измерения ЭМГ (5).
Только в середине 80-х годов прошлого века методы интеграции электродов были достаточно развиты, чтобы позволить серийное производство необходимых небольших и легких приборов и усилителей. В настоящее время коммерчески доступен ряд подходящих усилителей. В начале 1980-х годов стали доступны кабели, которые создают артефакты в желаемом диапазоне микровольт. В течение последних 15 лет исследования привели к лучшему пониманию свойств записи поверхностной ЭМГ.В последние годы поверхностная электромиография все чаще используется для записи данных с поверхностных мышц в клинических протоколах, где внутримышечные электроды используются только для глубоких мышц (2, 4).
Есть много приложений для использования EMG. ЭМГ используется в клинической практике для диагностики неврологических и нервно-мышечных проблем. Он используется для диагностики в лабораториях по изучению ходьбы и клиницистами, обученными использованию биологической обратной связи или эргономической оценки. ЭМГ также используется во многих типах исследовательских лабораторий, в том числе занимающихся биомеханикой, двигательным контролем, нервно-мышечной физиологией, двигательными расстройствами, контролем позы и физиотерапией.
Электрический шум и факторы, влияющие на сигнал ЭМГ
Диапазон амплитуды сигнала ЭМГ составляет 0-10 мВ (от +5 до -5) до усиления. Сигналы ЭМГ приобретают шум при прохождении через различные ткани. Важно понимать характеристики электрического шума. Электрический шум, который влияет на сигналы ЭМГ, можно разделить на следующие типы:
Собственный шум в электронном оборудовании : Все электронное оборудование генерирует шум.Этот шум невозможно устранить; использование высококачественных электронных компонентов может только уменьшить его.
Окружающий шум: Источником такого шума является электромагнитное излучение. Поверхности наших тел постоянно залиты электромагнитным излучением, и избежать его воздействия на поверхности земли практически невозможно. Окружающий шум может иметь амплитуду на один-три порядка больше, чем сигнал ЭМГ.
Артефакт движения: Когда артефакт движения вводится в систему, информация искажается. Артефакт движения вызывает искажения в данных. Существует два основных источника артефактов движения: 1) интерфейс электрода и 2) кабель электрода. Артефакты движения могут быть уменьшены за счет правильной разработки электронных схем и настроек.
Собственная нестабильность сигнала : Амплитуда ЭМГ носит случайный характер.На сигнал ЭМГ влияет частота включения моторных единиц, которые в большинстве случаев срабатывают в диапазоне частот от 0 до 20 Гц. Этот вид шума считается нежелательным, и его устранение важно.
Факторы, которые в основном влияют на сигнал ЭМГ, также могут быть классифицированы. Этот вид классификации устанавливается таким образом, чтобы можно было оптимизировать алгоритмы анализа сигналов ЭМГ и согласованно разрабатывать оборудование. Факторы, влияющие на сигнал ЭМГ, делятся на три основные категории:
Причинные факторы: Это прямое влияние на сигналы.Причинные факторы можно разделить на два класса:
Внешний : Это связано со структурой и расположением электродов. Такие факторы, как площадь поверхности обнаружения, форма электрода, расстояние между поверхностью обнаружения электродов, расположение электрода по отношению к двигательным точкам в мышце, расположение электрода мышцы на поверхности мышцы по отношению к боковому краю мышцы, ориентация поверхностей обнаружения по отношению к мышечным волокнам в основном влияет на сигнал ЭМГ.
Внутренний : Физиологические, анатомические и биохимические факторы зависят от количества активных двигательных единиц, состава волокон, кровотока, диаметра волокна, глубины и расположения активных волокон, а также количества ткани между поверхностью мышцы и электродом.
Промежуточные факторы: Промежуточные факторы — это физические и физиологические явления, на которые влияют один или несколько причинных факторов.Причинами этого могут быть аспекты полосовой фильтрации только электрода с его объемом обнаружения, суперпозиция потенциалов действия в обнаруженном ЭМГ-сигнале, скорость проведения потенциала действия, который распространяется вдоль мембраны мышечных волокон. Даже перекрестные помехи от ближайшей мышцы могут вызвать промежуточные факторы.
Детерминированные факторы : На них влияют промежуточные факторы. Количество активных двигательных единиц, частота двигательных импульсов и механическое взаимодействие между мышечными волокнами имеют прямое отношение к информации в сигнале ЭМГ и регистрируемой силе.Амплитуда, продолжительность и форма потенциала действия двигательной единицы также могут быть ответственными.
Максимизировать качество сигнала ЭМГ можно следующими способами:
Отношение сигнал / шум должно содержать максимальное количество информации из сигнала ЭМГ и минимальное количество шумовых помех.
Искажение сигнала ЭМГ должно быть минимальным, без ненужной фильтрации и искажения пиков сигнала и режекторных фильтров не рекомендуется.
Во время обработки сигнала ЭМГ анализируются только положительные значения. Когда выполняется полуволновое выпрямление, все отрицательные данные отбрасываются, а положительные данные сохраняются. Абсолютное значение каждой точки данных используется во время двухполупериодного выпрямления. Обычно для выпрямления предпочтительнее двухполупериодное выпрямление.
Обнаружение сигнала ЭМГ
Точное обнаружение дискретных событий в пЭМГ (например, изменение фазы в паттерне активности, связанное с инициированием быстрой двигательной реакции) — важная проблема в анализе двигательной системы.Было предложено несколько методов для определения времени включения и выключения мышцы.
Наиболее распространенный метод определения событий, связанных с двигателем, по сигналам ЭМГ состоит в визуальном осмотре обученными наблюдателями. «Однопороговый метод», который сравнивает сигнал ЭМГ с фиксированным порогом, является наиболее интуитивным и распространенным компьютерным методом определения времени начала мышечной активности (6). Этот метод основан на сравнении выпрямленных необработанных сигналов и порога амплитуды, значение которого зависит от средней мощности фонового шума (7).Этот метод может быть полезен для преодоления некоторых проблем, связанных с визуальным осмотром. Однако такой подход обычно не является удовлетворительным, поскольку результаты измерений сильно зависят от выбора порогового значения. Этот вид метода часто полагается на критерии, которые являются слишком эвристическими и не позволяют пользователю независимо устанавливать вероятности обнаружения и ложной тревоги (8). В «однопороговом методе» соотношение между вероятностью обнаружения P _dk и вероятностью P _γ того, что выборка шума превышает пороговое значение γ, определяется уравнением 2.
В 1984 году Винтер (9) заметил, что этот подход в целом неудовлетворителен, поскольку он сильно зависит от выбора порога. Чтобы преодолеть «однопороговые» проблемы, Bornato et al . (8) представили метод «двухпорогового обнаружения» в 1998 году. Двухпороговые детекторы превосходят однопороговые, потому что они дают более высокую вероятность обнаружения. Двухпороговые детекторы позволяют пользователю установить связь между ложной тревогой и вероятностью обнаружения с большей степенью свободы, чем однопороговые.Пользователь может настроить детектор в соответствии с различными оптимальными критериями, таким образом, адаптируя его характеристики к характеристикам каждого конкретного сигнала и приложения (8).
Сигнал пЭМГ, записанный во время произвольных динамических сокращений, можно рассматривать как гауссовский процесс с нулевым средним s (t) εN (0, σ _s) , модулируемый мышечной активностью и искаженный независимой гауссовой добавкой с нулевым средним шум n (t) εN (0, σ _n) . Если вероятность обнаружения равна P _d , то метод двойного порога определяется уравнением 3.
Поведение двухпорогового детектора фиксируется параметрами: порог r _o и длина окна наблюдения м . Их значения выбраны так, чтобы минимизировать значение вероятности ложной тревоги и максимизировать P _d для каждого конкретного отношения сигнал / шум (SNR) (8). В 2004 году Ланьи и Адлер (10) обнаружили, что метод двойного порога, предложенный Борнато, сложен и требует больших вычислительных затрат и требует отбеливания сигнала.Это тоже не очень чувствительно. Ланьи и Энди предложили новый алгоритм, основанный на методе двойного порога, который является более чувствительным, стабильным и эффективным с уменьшенными вычислительными затратами. Для конкретных приложений, помимо точности обнаружения, важным фактором может быть скорость алгоритма. Алгоритмы с большим временем вычисления не подходят для онлайн-обнаружения. Один специфический недостаток метода Борнато и др. . (8) вероятность обнаружения будет максимальной, когда P _fa фиксировано, второй порог должен быть выбран равным «1.«Второй порог фиксируется во время обнаружения, что означает, что двухпороговый детектор фактически становится однопороговым детектором. Этот метод не требует этапа отбеливания сигнала, который требовался ранее. Процесс отбеливания занимает много времени вычислений. Кроме того, процесс отбеливания снижает вероятность сигнала. Эта функция приведет к тому, что при обнаружении будет пропущена часть интервала активации. Методы, предложенные Lanyi и Adler (10), обеспечивают быстрое и более надежное обнаружение включения-выключения мышц.В таблице показано сравнение различных методов обнаружения с первого взгляда на основе исследований Мерло и Фарина (11) в 2003 году.
Таблица 1
Сравнение трех основных методов обнаружения ЭМГ.
9099
SNR (дБ)
2 4 6 8
Метод Смещение Std Смещение Std Смещение Std Смещение Std Замечание
Улучшенный метод (11) -39 26 -22 25 -12 22 -3 17 Лучший двойной порог
41 68 21 69 12 47 0 53 Хорошее
Одиночный порог (11) 55 154 135 72 139 Хуже
Разложение сигнала ЭМГ
Сигналы ЭМГ представляют собой суперпозицию действий нескольких двигательных единиц.Необходимо разложить сигнал ЭМГ, чтобы выявить механизмы, относящиеся к мышечному и нервному контролю. Были разработаны различные методы разложения ЭМГ.
Декомпозиция сигнала ЭМГ была произведена путем согласования вейвлет-спектра и анализа основных компонентов вейвлет-коэффициентов. Согласно Jianjung et al . (12), потенциал более одной моторной единицы (SMU) будет регистрироваться одновременно, перекрывая друг друга, особенно во время сильного мышечного сокращения.В 1997 году они разработали методику с использованием вейвлет-преобразования для классификации потенциалов SMU и разложения сигналов ЭМГ на составляющие их потенциалы SMU. Отличие этого метода в том, что он измеряет сходство формы волны потенциалов SMU из вейвлет-области, что очень выгодно. Этот метод основан на согласовании спектра в вейвлетной области. Метод согласования спектра иногда считается более эффективным, чем методы согласования формы сигнала, особенно когда помехи вызваны низкочастотным дрейфом базовой линии или высокочастотным шумом.Методика, разработанная для разложения многоэлементного ЭМГ сигнала, состоит из четырех отдельных процедур: процедуры устранения шума, процедуры обнаружения пиков, процедуры классификации пиков и процедуры разделения пиков. Согласно Даниэлю и др. . (13), только вейвлет-коэффициенты более низких частотных диапазонов более важны для дифференциации характеристики потенциала действия (AP), чем более высокие диапазоны. Эта концепция субъективна и разработана эмпирически. Экспериментальные результаты Rie Yamada et al .(14) в 2003 году показали, что высокочастотная информация, которая не учитывалась, также важна при классификации MUAP. Чтобы преодолеть субъективный критерий выбора характеристик, они предложили другой метод, использующий анализ основных компонентов (PAC) для вейвлет-коэффициентов. Алгоритм декомпозиции состоит из четырех этапов обработки: сегментация, вейвлет-преобразование, PCA и кластеризация. Преимущество этого метода заключается в том, что он не требует ручного выбора коэффициентов и учитывает всю частотную информацию.
Разложение сигнала ЭМГ с использованием оптимизации нелинейных наименьших средних квадратов (LMS) кумулянтов более высокого порядка было предложено Эриком и Дамджаном (15) в 2002 году. Их разложение основано на кумулянтах третьего порядка, значения которых входят в качестве коэффициентов нелинейная система уравнений. Система решена путем нелинейной оптимизации LMS. Для этого метода использовалась модель с множеством входов и множеством выходов, поскольку она может описывать несколько наложений MUAP сигнала ЭМГ.
Обработка сигналов ЭМГ
Raw EMG предлагает нам ценную информацию в особо бесполезной форме.Эта информация полезна только в том случае, если ее можно определить количественно. К необработанному ЭМГ применяются различные методы обработки сигналов для получения точного и фактического сигнала ЭМГ. В этом разделе дается обзор обработки сигналов ЭМГ с использованием различных методов.
Вейвлет-анализ
В прошлом предпринимались попытки использовать подходы как во временной, так и в частотной области. Вейвлет-преобразование (WT) — это эффективный математический инструмент для локального анализа нестационарных и быстрых переходных сигналов.Одним из основных свойств WT является то, что он может быть реализован с помощью банка фильтров дискретного времени. Преобразования Фурье вейвлетов называются фильтрами WT. WT представляет собой очень подходящий метод для классификации сигналов ЭМГ.
Гульельминотти и Мерлетти (16) предположили, что если вейвлет-анализ выбран так, чтобы соответствовать форме MUAP, полученный WT дает наилучшую возможную локализацию энергии в плоскости шкалы времени (16). В 1997 г. Laterza и Olmo (17) обнаружили, что WT является альтернативой другим частотно-временным представлениям с тем преимуществом, что он является линейным, дает представление с множественным разрешением и не зависит от перекрестных терминов; это особенно актуально при работе с многокомпонентными сигналами.При определенных условиях сигнал ЭМГ можно рассматривать как сумму масштабированных задержанных версий одного прототипа. Основываясь на теории Гульельминотти, Laterza и Olmo (17) использовали вейвлет-анализ, чтобы сопоставить форму MUAP. Для униполярного зарегистрированного сигнала и при определенных гипотезах, представленных Габором в 1946 году (18), типичная форма MUAP может быть аппроксимирована как производная второго порядка от гауссова распределения. В результате было предложено использовать хорошо известный вейвлет мексиканской шляпы, который действительно является производной второго порядка от гауссова распределения.Сравнение между вейвлетом мексиканской шляпы и типичной униполярной формой MUAP показано на рисунке. Основываясь на исследовании, Laterza и Olmo пришли к выводу, что WT особенно полезен для обнаружения MUAP в присутствии аддитивного белого шума. В этой ситуации вклад шума распространяется по всей плоскости шкалы времени, независимо от используемого вейвлета. Недостатком этого предложения (17) было то, что вейвлет мексиканской шляпы не идеально соответствовал форме MUAP. Следовательно, полученные результаты, вероятно, будут подвергаться дальнейшему улучшению, если будет выполнено идеальное согласование.В 1998 году Исмаил и Асфур (19) выдвинули теорию, согласно которой наиболее распространенным методом, используемым для определения частотного спектра ЭМГ, являются быстрые и краткосрочные преобразования Фурье (БПФ и SFT). Но они также пришли к выводу, что основным недостатком этих методов преобразования является то, что они предполагают, что сигнал является стационарным. Однако сигналы ЭМГ нестационарны.
Сравнение между вейвлетом мексиканской шляпы и типичной униполярной формой MUAP.
В 1999 году Паттихис и Паттихис (20) обнаружили, что WT также может использоваться для анализа сигналов с различными уровнями разрешения.Согласно теории, процесс анализа сигналов с разным уровнем разрешения известен как анализ с несколькими разрешениями. Они проанализировали взаимосвязь между вейвлет-коэффициентами и частотно-временной плоскостью. Алгоритм WT состоит из фазы декомпозиции и фазы реконструкции. Паттихис и Паттихис кратко описывают, как коэффициенты из каждого этапа WT могут быть использованы для построения функционального приближения к исходному сигналу. Данные отсчеты сигнала x ₀, x ₁, x ₂…, соответствующий непрерывный сигнал времени задается уравнением 4:
где ø (t-k) называется функцией масштабирования. Это предполагает, что выборки сигнала представляют собой средневзвешенные значения непрерывного сигнала.
Снова в 2003 году Кумар и др. . (21) пришли с аналогичным предложением, в котором говорится, что WT разлагает сигнал на несколько компонентов с разным разрешением в соответствии с базовой функцией, называемой «вейвлет-функцией» (WF).WF расширяется и транслируется во времени, обеспечивая двумерную взаимную корреляцию с сигналом sEMG во временной области. Этот метод можно рассматривать как математический микроскоп, который предоставляет инструмент для обнаружения и характеристики кратковременной составляющей в нестационарном сигнале. Это метод, который предоставляет информацию, относящуюся к частотно-временному изменению сигнала. Кумар и др. . также пришел к выводу, что короткое преобразование Фурье (SFT) с относительно короткими временными окнами может пытаться отслеживать спектральные изменения во времени, но не принимает оптимальное разрешение по времени или частоте для нестационарного сигнала.В (21) sEMG была разложена с использованием WT с различными WF, и выходной сигнал области преобразования мощности вычисляется и используется в качестве решающего параметра при выборе WF, который обеспечивает лучший контраст между случаями sEMG. В результате их исследовательской деятельности можно сказать, что с помощью sEMG и вейвлет-преобразований можно определить состояние мышечной усталости (мышечная недостаточность), просто определив вейвлет-разложение Sym4 или Sym5 сигнала на уровне 8 и 9 ( из 10 уровней).На рисунке показана экспериментальная процедура.
Блок-схема процедуры эксперимента.
Частотно-временной подход
Попытки получить количественную информацию из записей ЭМГ были широко исследованы, когда сигнал представлен как функция времени (временная область). Преобразование класса Коэна, распределение Вигнера-Вилля (WVD) и распределение Чоя-Вильямса — вот некоторые из частотно-временных подходов, используемых для обработки сигналов ЭМГ.
Piper (22) показал в начале этого столетия (1912), что во время длительного сокращения мышц спектральные компоненты поверхностного миоэлектрического сигнала сжимаются в сторону более низких частот. Механизмы, регулирующие это явление, выяснились только в течение последних двух десятилетий. Когда пЭМГ записывается в условиях динамических сокращений, предположение о стационарности не выполняется, потому что частотная составляющая сигнала непрерывно изменяется во времени. Нестационарные состояния поверхностного миоэлектрического сигнала можно разделить на медленные и быстрые.Медленные нестационарные реакции возникают в основном из-за накопления метаболитов, вызывающих электрические проявления мышечной усталости. Быстрые нестационарности в основном связаны с биомеханикой задачи. Вариации мышечной силы вызывают изменение частотной составляющей сигнала.
Преобразование классов Коэна, предложенное Коэном в 1995 г. (23), привлекло значительное внимание, особенно в области обработки биомедицинских сигналов. Класс частотно-временного представления особенно подходит для анализа поверхностных миоэлектрических сигналов, зарегистрированных во время динамических сокращений, которые могут быть смоделированы как реализации нестационарного стохастического процесса.Предыдущие работы Мартина и Фландрина (24), Амина (25) и Сайида и Джонса (26) продемонстрировали, что любой частотно-временной спектр S (t, f) класса Коэна может быть записан как уравнение 5:
, где E {} — оператор математического ожидания, x (t) — реализация рассматриваемого случайного процесса, x * (t) — комплексное сопряжение, g (θ, τ) — ядро трансформации.
Коэн в 1995 г. также пришел к выводу, что при выборе g (θ, τ) = 1, результирующее распределение называется распределением Вигнера-Вилля (23).WVD оптимален для анализа сигналов, состоящих из одного компонента. Однако он не подходит для применения к многокомпонентным сигналам, поскольку билинейность преобразования вызывает присутствие интерференционных членов. Syeed и Jones (26) также продемонстрировали, что формулировка, представленная в уравнении 5, также может быть использована, когда доступна единственная реализация анализируемого стохастического процесса, как в случае обработки поверхностных миоэлектрических сигналов, регистрируемых динамическими сокращениями.
WVD — это время-частота, которая может отображать частоту как функцию времени, таким образом используя всю доступную информацию, содержащуюся в сигнале EMG.Хотя сигнал ЭМГ часто можно рассматривать как квазистационарный, все же передается важная информация, которую можно различить только с помощью WVD. Ricamato и др. . (27) в 1992 году обнаружили, что WVD можно использовать для отображения частотных диапазонов моторного блока. Можно показать закономерности набора по мере того, как мышца выполняет сложные задачи. Распределение Вигнера-Вилля дается в уравнении 6:
, где x (t) и x ’(t) — сигнал и его комплексное сопряжение соответственно.
Для реализации WVD с помощью цифрового компьютера требуется дискретная форма. Это позволяет использовать быстрое преобразование Фурье (БПФ), которое дает представление с дискретным временем и дискретной частотой. Распространенным типом частотно-временного распределения является кратковременное преобразование Фурье (STFT). Согласно Дэвису и Райсману (28) (1994), основная трудность с распределением STFT состоит в том, что оно не удовлетворяет четырем важным свойствам, которые требуются для частотно-временных распределений. Два свойства — это предельные значения времени и частоты, а два других — поддержка времени и частоты.Они также сообщают, что общий спектр плотности, создаваемый WVD, очень зашумлен, но демонстрирует очень хорошие свойства локализации и обычно сосредоточен вокруг мгновенной частоты сигнала. Метод Чоя-Вильямса, предложенный в 1993 г., является примером уменьшенного распределения помех (29). Дэвис и Райсман (28) обнаружили, что, хотя распределение Чоя-Вильямса не удовлетворяет всем желаемым свойствам частотно-временного распределения, оно удовлетворяет одному важному критерию, уменьшающему помехи.STFT не удовлетворяет маржинальным свойствам. Этот коэффициент означает, что когда берется временной интервал распределения STFT, он не равен спектру плотности мощности в этот момент времени. То же самое верно и для частотного среза распределения. Свойство поддержки времени не выполняется, потому что распределение не обязательно равно нулю до начала сигнала или после его окончания. Частотно-временные методы требуют очень чистого сигнала. Есть много других частотно-временных распределений. Дэвис и Райсман (28) выбрали распределения STFT и Вигнера-Вилля, поскольку они широко использовались в прошлом.Согласно их исследованиям, STFT наиболее четко показывает сжатие спектра как мышечную усталость. WVD имеет перекрестные члены и, следовательно, не является точным представлением изменения частотных составляющих при утомлении. Когда в распределении Чоя-Уильяма появляются стены, в исходном сигнале наблюдается всплеск. Он решит, содержат ли стены какую-либо важную информацию для исследования мышечной усталости.
Модель авторегрессии
Модель временных рядов авторегрессии (AR) использовалась для изучения сигнала ЭМГ.Поверхностный электрод будет улавливать ЭМГ-активность от всех активных мышц в непосредственной близости от него, в то время как внутримышечная ЭМГ очень чувствительна, с минимальным перекрестным воздействием со стороны соседних мышц. Таким образом, для сочетания удобства и точности существует большая потребность в разработке методики оценки внутримышечной ЭМГ и их спектральных свойств на основе измерения поверхности. Исследователи представили сигнал пЭМГ как модель AR с задержанной внутримышечной ЭМГ в качестве входа.
В 1975 году Грауп и Клайн (30) впервые представили модель авторегрессионного скользящего среднего (ARMA) для представления сигналов ЭМГ.Эмпирический результат Граупа и Клайна показывает, что ЭМГ можно считать стационарной в течение достаточно коротких интервалов времени. Шериф (31) заменил эту модель в 1980 году, поскольку электрическое поведение медицинской дельтовидной мышцы было нестационарным. Шериф в своей диссертации подчеркнул нестационарный характер EMG и использовал AR — представление интегрированного скользящего среднего (ARIMA). Он охарактеризовал нестационарный характер ЭМГ в разные фазы мышечной активности. Doerschuk и др. .В 1983 году (32) подошли к проблеме, подобной Graupe и Cline, а именно к управлению протезами по сигналам ЭМГ с помощью моделей AR множественных сигналов ЭМГ. В 1986 г. Чжоу и др. . (33) представили поверхностную ЭМГ как модель AR с задержанным внутримышечным ЭМГ-сигналом в качестве входа. Модель, называемая «тканевым фильтром», связывает форму сигнала внутримышечной ЭМГ с поверхностной ЭМГ. Предполагая, что прототипы внутримышечных и поверхностных сигналов ЭМГ доступны, идентифицируются параметры модели временного ряда, которая преобразует внутримышечные сигналы в сигналы поверхности.Идентифицированная модель затем используется для оценки внутримышечного сигнала по поверхностному сигналу. Эта модель проиллюстрирована с использованием реальных сигналов ЭМГ. Хеффтнер и др. . В 1988 г. (34) оценили предыдущие модели и выбрали модель AR для распознавания сигнатуры ЭМГ из-за ее вычислительной скорости. Бернатос и др. . В 1986 г. (35) использовали статический нелинейный элемент с моделью нестационарного авторегрессионного скользящего среднего (ARMA), а Мозер и Грауп в 1989 г. (36) предложили нестационарный идентификатор изменяющихся во времени параметров AR.В 1992 г. Тору (37) считал, что более точная модель, такая как ARMA или ARIMA, не нужна для динамических движений мышц. Стоимость вычислений модели ARIMA высока, а определение порядка модели является сложным, а иногда и трудным. Модель AR была выбрана Тору (37) в основном из-за ее вычислительной стоимости, которая является проблемой при моделировании. Их исследование было основано на параметрах модели AR, вычисленных с помощью квазистационарной обработки.
Искусственный интеллект
Некоторые методы искусственного интеллекта, в основном основанные на нейронных сетях, были предложены для обработки сигнала ЭМГ.Этот вид техники очень полезен для приложений в реальном времени, таких как запись и анализ сигналов ЭМГ.
Приложение искусственной нейронной сети в реальном времени, которое может точно распознавать миоэлектрический сигнал (MES), было предложено Del и Park (38) в 1994 году. Согласно их исследованиям, MES-характеристики сначала извлекаются с помощью анализа Фурье и группируются с использованием нечеткого c-означает алгоритм. Нечеткое c-средство (FCM) — это метод кластеризации, который позволяет данным принадлежать двум или более кластерам.Выходные данные нейронной сети представляют собой степень желаемой мышечной стимуляции по сравнению с синергической, но ослабленной мышцей. Работа в реальном времени достигается за счет использования аппаратных умножителей, присутствующих в процессорах цифровой обработки сигналов (DSP), для выполнения быстрого преобразования Фурье для извлечения признаков и интеграции ввода нейродов для классификации признаков. Адаптивные интерфейсы — это естественный и важный класс приложения для искусственной нейронной сети (ИНС). Метод обратного распространения ошибок используется в качестве процедуры обучения для многослойной нейронной сети с прямой связью.С помощью этой процедуры сеть может научиться отображать набор входов на набор выходов. Выбранная топология сети представляла собой разновидность прямой связи с одним входным слоем, содержащим 64 входных нейрод, один скрытый слой с двумя нейродами и один выходной нейрод (38). Модель с использованием ИНС — это не только прогресс в распознавании сигналов MES в реальном времени, но также она сокращает обучение субъектов до минимума. Архитектура нейронных сетей обеспечивает двойное решение: быстрый способ настройки системы для пациента и лучшее принятие пациентом системы, что снижает скорость принятия устройств.Метод, предложенный Делом и Парком, может решить проблемы (приемлемые критерии стоимости и производительности), которые обычные статистические методы не могут.
Другой подход на основе ИНС был разработан в 1996 году Чероном и др. . (39) с целью разработки альтернативного подхода, основанного на искусственных динамических рекуррентных нейронных сетях (DRNN), для выявления взаимосвязи между мышечной ЭМГ-активностью и кинематикой руки. Его цель состояла в том, чтобы доказать, что эта идентификация DRNN является биомеханически правдоподобной.Нейронная сеть состоит из полностью связанных между собой нейроноподобных единиц с двумя типами адаптивных параметров: классическими весами между единицами и постоянными времени, связанными с каждым нейроном. В частности, эта сеть определяет некоторые сложные отношения между ЭМГ мышечной активности и кинематикой верхних конечностей во время сложных движений. Согласно методу, предложенному Перлмуттером в 1989 году, искусственная нейронная сеть представляет собой полностью связанную сеть из 20 нейронов. Метод используется Cheron и др. .(39), что регулируется уравнением 7:
где, y _i — уровень активации состояния устройства I, F (α) — функция сжатия F (α) = (1 + e ^-α) ^-1 и x _i дается уравнением 8.
Основной особенностью предлагаемой DRNN является то, что ее моделируемые движения являются результатом взаимодействия между необработанными сигналами ЭМГ без каких-либо теоретических предположений относительно типа управления.Пригодность DRNN в основном обусловлена адаптивными постоянными времени, связанными с каждой нейроноподобной единицей.
Системы нечеткой логики полезны при обработке и классификации биомедицинских сигналов. Биомедицинские сигналы, такие как сигналы ЭМГ, не всегда строго воспроизводимы, а иногда даже могут быть противоречивыми. Согласно Чан и др. . Согласно (40), одним из наиболее полезных свойств систем нечеткой логики является терпимость к противоречиям в данных. Кроме того, используя обучаемые нечеткие системы, можно обнаруживать закономерности в данных, которые нелегко обнаружить другими методами, как это также можно сделать с помощью нейронной сети.Наконец, можно использовать опыт медицинских экспертов. Это неполное, но ценное знание можно интегрировать в систему нечеткой логики благодаря стилю рассуждений системы, аналогичному человеческому. Это значительное преимущество перед искусственной нейронной сетью (ИНС). Системы нечеткой логики более точно имитируют процесс принятия решений, чем ИНС. Ядром нечеткой системы является механизм нечеткого вывода. Знания эксперта или хорошо классифицированные примеры выражаются или передаются в набор «нечетких производственных правил» в форме IF-THEN, что приводит к алгоритмам, описывающим, какое действие или выбор следует предпринять на основе наблюдаемой в настоящее время информации ( 40).
Метод слепого разделения источников (BSS), предложенный в 2001 г. Белушрани и др. . (41) — это метод на основе нейронной сети, который разделяет линейную смесь стационарных независимых источников, полученных разными датчиками, с помощью статистических моментов более высокого порядка в алгоритме обучения. В 2004 г. Фарина и др. . (42) обнаружили, что сигналы ЭМГ, генерируемые разными мышцами, могут перекрываться во временной и частотной областях, поэтому классические подходы линейной фильтрации не могут применяться с целью разделения источников.Она сообщила, что предыдущие исследования, направленные на применение подходов BSS к сигналам sEMG, не предоставили никакой проверки производительности и не обсудили предположения и ограничения метода BSS для анализа сигналов sEMG. Чтобы преодолеть эти проблемы, был применен подход, основанный на пространственных частотно-временных распределениях, для разделения как смоделированных, так и экспериментальных нестационарных сигналов sEMG (42). В таблице показана эффективность диагностики временных, частотных и вейвлет-коэффициентов с использованием искусственных нейронных сетей.
Таблица 2
Диагностика производительности временной области, частотной области и вейвлет-коэффициентов с использованием искусственных нейронных сетей.
Набор функций Среднее%
Временная область 78,3
Частотная область 62,5
Вейвлет DAU4 66.2
Вейвлет DAU20 59,6
Вейвлет CH 63,3
Вейвлет BL 65,8
Статистика высшего порядка
Статистика высшего порядка (HOS) — это метод анализа и интерпретации характеристик и природы случайного процесса. Предмет HOS основан на теории ожидания (теории вероятностей).Из-за ограничений:
Обнаружение и определение характеристик существующих нелинейностей в сигнале sEMG;
Оценить фазу; и
Точная информация из-за вывода из нормальности. HOS были введены в 1960-х и применялись в 1970-х.
Статистический метод оценки амплитуды и количества новых MUAP был предложен Kanosue et al . В 1974 г. (43). В методе используются моменты второго и четвертого порядка с параметрической моделью элементарных сигналов MUAP.Модели низкого порядка получаются с использованием статистики второго порядка (SOS) и обеспечивают скупое описание реальных данных. В последнее время наблюдается рост интереса к использованию статистики более высокого порядка (HOS). Статистика высшего порядка (HOS) — это метод анализа и интерпретации характеристик и природы случайного процесса. Предмет HOS основан на теории ожидания (теории вероятностей) (1). В 1991 году Гианнакис и Цацанис (44) использовали HOS для анализа сигналов ЭМГ. Согласно Джаннакису и Цацанису, SOS не зависит от фазы, но имеет оценки с низкой дисперсией и, будучи ограниченными линейно-гауссовскими процессами, дает модели, эффективные с точки зрения вычислений и статистики.В 1995 году Яна и др. . (45) обобщил метод оценки форм сигналов MUAP и их частоты без каких-либо предположений для сигналов MUAP. Этот метод был использован как неинвазивный метод для анализа четвертого производственного механизма мышцы. Согласно его теории, H (w) и λ соответственно представляют собой одну форму волны MUAP, а частота ее появления определяется уравнениями 9 и 10.
Согласно уравнению 11, φ (ω) = arg H (ω).φ (ω) оценивается по биспектру с использованием алгоритма оценки фазы. Формы сигналов MUAP можно найти с помощью уравнений (9) — (11). Их исследования показывают, что амплитуда MUAP увеличивается с увеличением веса груза.
С 1987 по 1993 годы исследователи, такие как Никиас, Мендал, Рагхувеер и Петропулу, разработали методы анализа сигналов на основе HOS для детерминированных и недетерминированных фазовых сигналов, тестирования гауссовости и линейности, когерентности и связи сигнала и т. Д. .В 1990-е годы Никиас и др. . (2, 46, 47) обнаружили, что главное преимущество HOS перед SOS состоит в том, что HOS может подавлять гауссов шум при обнаружении, оценке параметров и классификации. Никиас сообщает, что HOS не видит никаких гауссовских процессов; ненулевое измерение HOS может обеспечить проверку степени негауссовости сигнала. Другой особенностью HOS является то, что спектр HOS суммы двух или более статистически независимых случайных процессов равен сумме их индивидуальных спектров HOS, поэтому HOS может извлекать информацию из-за производной от гауссовости и обеспечивает подходящее измерение степени статистической зависимость во временном ряду.Кроме того, биспектр, первый член спектров HOS, несет информацию об амплитуде и фазе, которая позволяет восстанавливать как величину Фурье, так и значение фазы импульсной характеристики системы с ожиданием линейного фазового члена. В 2000 году Капланис и др. . (48) представили свою теорию анализа сигналов пЭМГ с использованием HOS. Согласно их теории, для количественной оценки негауссовости случайного процесса нормализованный биспектр или бикогерентность оценивается в соответствии с уравнением 12:
где, P (.) — спектр мощности.
Проверка гауссовости основана на средней мощности бикогерентности, определенной в уравнении 13, с суммированием, выполняемым по неизбыточной области.
Индекс бикогерентности использовался для характеристики гауссовости сигнала. Результаты показывают, что распределение сигнала пЭМГ сильно негауссово при низком и высоком уровнях силы, тогда как распределение имеет максимальную гауссовость на среднем уровне максимального уровня произвольного сокращения (MVC).Мера линейности сигнала, основанная на выборе погоды или нет, оценка бикогерентности является постоянной, следует обратной схеме с мерой гауссовости. Средняя частота спектра мощности уменьшается с увеличением силы.
В 2004 году Шахджахан Шахид (1) применил HOS для анализа и характеристики сигналов ЭМГ из-за его преимуществ перед SOS. Он предложил «Биспектр линейной системы ». Моделирование биспектра сигнала временного ряда как выходного сигнала линейной системы позволяет применять полезные методы для идентификации и характеристики системы, которая создает выходной сигнал системы.Пусть e (n) будет стационарным случайным сигналом с нулевым средним, применяемым к системе LTI в соответствии с рисунком, частотная характеристика которого равна H (k) (где отклик системы во временной области h (n) является причинным и стабильный). Предположим, что w (n) — это независимый одинаково распределенный случайный гауссовский белый шум, который представляет системный шум, а x (n) — это выходной сигнал системы. Согласно теореме свертки для системы LTI вывод x (n) может быть записан как уравнение 14.
Модель системы LTI.
С помощью бицепстра можно восстановить систему по ее выходному сигналу после восстановления фазовых компонентов системы. Поскольку выходной сигнал системы LTI несет всю информацию о системе плюс шум, при рассмотрении выходных сигналов системы как негауссанового шума можно оценить импульсную характеристику системы с помощью алгоритма восстановления системы.Могут быть разработаны алгоритмы для характеристики входного импульса системы, чтобы можно было получить фактический сигнал ЭМГ от мышцы. По словам Шахджахана Шахида, традиционные алгоритмы реконструкции системы имеют различные ограничения и значительную вычислительную сложность, а многие демонстрируют высокую дисперсию. Наиболее распространенный алгоритм реконструкции системы на основе биспектра был улучшен путем выделения параметра асимметрии. Кроме того, Шахджахан Шахид разработал и применил кепстр из Bispectrum — новую ветвь кепстра — для выполнения реконструкции импульсной функции системы простым в вычислительном отношении способом.Разработанный алгоритм показывает лучшую производительность, чем традиционные алгоритмы. Кепстр биспектра также используется для разработки алгоритма восстановления последовательности входных импульсов системы из выходного сигнала системы LTI. Результаты показали, что ЭМГ мышцы в состоянии покоя содержит серию импульсных ПДЕ, пики которых ориентированы по обе стороны от нулевого уровня. Это означает, что в покоящейся мышце не задействованы двигательные единицы. С другой стороны, MUAP обычно ориентированы на одну сторону от нулевого уровня, когда мышца сокращается.На рисунке показан пример необработанного сигнала ЭМГ и его биспектральная кривая.
Пример сигнала ЭМГ и его биспектральной кривой.
Другие методы
Существуют и другие модели, предложенные различными исследователями для обработки сигналов ЭМГ. Некоторые из этих моделей кратко описаны здесь.
В 1969 году Розенфальк (49) математически сформулировал g (z) = 96x ³ e ^-z — 90 на основе экспериментальных работ Людина на межреберной мышце.Нандедкар и Стальберг (50) изменили выражение в 1983 году с g (z) на e (z) = g (2z) , чтобы соответствовать лучшим экспериментальным данным, что привело к e (z) = 768z ^3. e ^-2z — 90. Это принято в качестве внутриклеточного состава по умолчанию для моделирования потенциала действия одного волокна.
Нандердар и Баркхаус (51) предложили в 1992 г. модель, основанную на простом принципе векторного суммирования. Согласно теории Slawnych, Laszlo и Hershler (1990), модель Nandedkar предполагает, что амплитуда MUAP алгебраически складывается для генерации амплитуды комплексного мышечного протенциала (CAMP).Поскольку формы сигналов MUAP не возникают синхронно, это предположение неверно. Если суммировать два MUAP с амплитудой A ₁ и A ₂ , то амплитуда полученного сигнала не равна A ₁ + A ₂ . Другими словами, вклад MUAP в амплитуду CMAP меньше, чем его амплитуда, это явление называется подавлением фазы. Согласно (51) амплитуда их суммы обозначена как A ₁₂ ниже A ₁₊ A ₂ .Это выражается в уравнении 15.
В 1994 , Энглхарт и Паркер (52) рассмотрели два типа моделей функции плотности вероятности (pdf) с межимпульсным интервалом (IPI). Последовательность разряда в виде серии IPI, оценка среднего IPI, дисперсия и функция плотности вероятности (pdf) использовались в качестве дескрипторов активности двигательных нейронов. Функция плотности Гаусса выражается уравнением 16:
, где μ _x — среднее значение, а σ _x ² — дисперсия.
Функция плотности гамма выражается уравнением 17:
где α — параметр местоположения, β — параметр масштаба, ρ — параметр формы, а Γ () — гамма-функция.
Согласно модели, оценки моментов и pdf последовательности нейронных разрядов подвержены смещению, если данные нестационарны. Некоторые факторы, которые могут повлиять на степень стационарности экспериментальных данных IPI, — это продолжительность сокращения, средства создания силы и уровень сокращения.
Аналитическое выражение для миоэлектрического сигнала было получено с использованием модели интегральной частоты импульса и амплитудной модуляции (IPFAM) Zhang et al . (53) в 1995 г. Модель состоит из трех основных элементов: амплитудно-импульсной модуляции (PAM), частотно-импульсной модуляции (PFM) и линейной системы. PAM описывает связь амплитуды ЭМГ с вариациями мышечной силы, PFM описывает вариации сигнала ЭМГ, вызванные изменениями скорости нервных импульсов и линейной системы, p (t), представляет собой сложное действие двигательных единиц. потенциал, включая эффекты рассеивания распространения и тканевой фильтрации.В этой модели потенциал возрастает до тех пор, пока не будет достигнут заранее установленный порог, что вызывает возникновение потенциала действия или события. Таким образом, модель IPFAM включает в себя наиболее важные функции, связанные с генерацией реальных сигналов ЭМГ.
Система реального времени для анализа сигналов ЭМГ была создана Карлссоном и Нистромом в 1995 г. (54). Целью было разработать систему для клинического использования с характеристиками графической обратной связи, гибким выбором параметров, стандартным методом и гибкой обработкой добавления.Для получения частотно-временного представления сигнала было предложено использовать кратковременное преобразование Фурье. Основным недостатком этого метода было то, что предполагался стационарный сигнал. Даже когда нет произвольного изменения состояния мышц, миоэлектрические сигналы нестационарны просто из-за внутренней физиологии органов.
Модель EMG предложена Duchene и Hogrel (55) в 2000 году. Согласно Duchene и Hogrel, любой новый алгоритм обработки должен быть оптимизирован путем сравнения его результата с исходными значениями параметров, чтобы получить оптимизированный критерий.Эта оптимизация может быть проведена только в том случае, если известны все фактические значения. Только комплексная имитационная модель может помочь выполнить это требование. Потенциал внеклеточного действия рассчитывается после потенциала внутриклеточного действия для моделирования потенциала действия одного волокна. Согласно первоначальной работе де Лоренте (56), потенциал в точке наблюдения [z ₀, y ₀] можно выразить уравнением 18:
, где z и y — осевое и радиальное направления, соответственно, S1 и S2 — участки волокна на концах волокна, а r — расстояние между элементами поверхности dS и точка наблюдения.
Гамильтон и Сташук (57) предложили новейшее моделирование клинических сигналов ЭМГ в 2005 году. Согласно предложению, первое требование для моделирования сигналов ЭМГ — создание модели структуры мышцы. Это выполняется в следующие этапы:
Расчет диаметра территории мышечно-двигательной единицы;
MY территориальное расположение центра;
Схема и назначение волокна;
Обновление территориальных центров МО;
Расчет фактических территориальных центров МО;
Назначение диаметров волокна; и
Назначение расположения нервно-мышечных соединений.
Эта модель уникальна, потому что она включает в себя следующее:
Пространственное соотношение между мышечными волокнами, MU, которые они составляют, и морфологией мышц на макроуровне;
Расчеты MUP, объединяющие клинические измерения кончика иглы и обнаруженных канюлей напряжений, вносимых физиологически позиционированными и активированными отдельными волокнами;
Изменчивость обнаруженных MUAP из-за изменчивости задержки передачи NMJ;
Новый механизм рекрутирования MU, полностью основанный на морфологии мышц; и
Клинически реалистичное размещение иглы.
Классификация сигналов ЭМГ
Общей чертой для классификации внутримышечного сигнала ЭМГ является евклидово расстояние между формами волны MUAP. Для клинических интересов основной характеристикой сигнала ЭМГ является количество активных двигательных единиц (MU), формы волны MUAP и статистика времени иннервации. Согласно Wellig и Moschytz (58), определение формы волны MUAP и количества активных MU можно рассматривать как проблему классификации.
Представление синхронизированных по времени и неперекрывающихся MUAP создает мерцание. На мерцание MUAP влияет временной сдвиг дискретизированных сигналов, локальные колебания базовой линии и фоновый шум. На мерцание MUAP также могут влиять все шумы, которые отличаются как от фонового шума, так и от шума, вызванного смещениями. Помимо фонового шума и эффектов смещения, на классификацию влияет белый шум. Если классификация должна выполняться в области вейвлета, следует избегать использования вейвлет-коэффициентов, которые относятся к полосам частот, лежащим ниже 150 Гц.Классификация с вейвлет-коэффициентом требует вейвлет-коэффициента ( F _f [m, n] ) для четырех полос частот ( m = 2, 3, 4, 5 ). Эффективность классификации зависит не только от мерцания MUAP от дисперсии внутри класса, но и от расстояния между средними классами. Следовательно, лучший выбор этих четырех частотных диапазонов зависит от преобразования Фурье самих сигналов MUAP. Буалем и Питер (59) предположили, что частотно-временное представление WVD обеспечивает характеристику сигнала с высоким разрешением в частотно-временном пространстве и хорошие характеристики подавления шума.Эта теория может быть очень полезна для классификации сигналов ЭМГ. Для классификации паттернов ЭМГ используется параметрическая модель AR. В 1991 году Чжан и др. . (60) извлекли и сравнили два типа характеристик на основе обработки сигналов с целью классификации паттернов ЭМГ. Двумя характеристиками были коэффициенты параметрических моделей AR и компоненты частотных спектров Фурье. Метод показал лучшие результаты при описании линейных огибающих (LE) ЭМГ.
В 1995 году Христодулу и Паттихис (61) предложили, чтобы процедура классификации с использованием ИНС была реализована в три этапа:
На первом этапе применяется обучение без учителя на основе одномерной самоорганизующейся карты признаков и конкурентного обучения.
На втором этапе, чтобы улучшить производительность классификации, применяется метод обучения с самоконтролем, квантование вектора обучения.
На третьем этапе происходит фактическая классификация.
Классификация реальных данных ЭМГ на их составляющие Потенциал действия двигательного блока часто является сложной задачей из-за изменчивости формы сигнала MUAP, дрожания потенциалов одиночного волокна и суперпозиции MUPA.Согласно Христодулу и Паттичису, ИНС представляется привлекательной для решения такой проблемы из-за их способности принимать и создавать сложные границы классификации. На рисунке 6 показана стратегия классификации ЭМГ с использованием подхода ИНС.
Стратегия классификации EMG с использованием подхода ИНС.
DRNN, предложенный Чаном и др. . (40) гораздо более адаптируется к временной обработке, чем классическая сеть прямого распространения, которая больше предназначена для задач классификации.Их результат показывает, что он успешно определяет сложное отображение между двухполупериодными выпрямленными сигналами ЭМГ и траекторией верхних конечностей. Процесс обучения и результаты классификации метода нечеткой логики Черона и др. . (39) превосходят подходы на основе нейронных сетей; прежде всего в том, что нечеткая система дает более последовательные результаты классификации и нечувствительна к перетренированию. Типичная точность классификации ЭМГ приведена в таблице.
Таблица 3
Типичный показатель точности классификации ЭМГ.
Метод Точность
Коэффициенты AR 99%
Нейронные сети 84%
Нечеткая система 85%
Оценка количества моторных агрегатов (MUNE)
Точная оценка шаблонов MUAP при наличии фоновой активности ЭМГ и шума приборов является важным требованием количественного клинического анализа ЭМГ, особенно если используется декомпозиция сигнала ЭМГ.MUNE — это процедура, используемая для оценки количества моторных аксонов, подключенных к мышце. Все методы MUNE основаны на предположениях, которые должны быть выполнены для получения достоверной оценки.
В 1971 году МакКомас предложил простой нейрофизиологический метод оценки количества двигательных единиц в мышце (62). Максимальный биоэлектрический ответ мышцы регистрировали с помощью пЭМГ после сверхмаксимальной электрической стимуляции нерва мышцы. Затем максимальный отклик ЭМГ был разделен на оценку среднего отклика одной двигательной единицы.Результатом была оценка количества ответов отдельных двигательных единиц, которые составили максимальный ответ ЭМГ.
По данным Сташука и др. . (63), количество двигательных единиц в мышце можно оценить путем деления значений параметров, связанных с размером, измеренных от максимальной М-волны, на соответствующие значения параметров, измеренные на основе среднего потенциала действия двигательных единиц, обнаруживаемого на поверхности (S-MUAP). Точность оценки зависит от того, насколько репрезентативен средний S-MUAP для популяции S-MUAP, которые внесли вклад в максимальную M-волну.Было показано, что ответы F-Wave представляют полный диапазон размеров S-MUAP. Была разработана автоматизированная система для получения максимальной M-волны, для извлечения выборки ответов F-волны, для вычисления среднего S-MUAP и для оценки количества MU в мышце.
В 1998 г. Zhengquan Xu и Shaojun Xiao (64) представили метод оценки среднего и стандартного отклонения межимпульсных интервалов (IPI) отдельных последовательностей MUAP. Параметры срабатывания оцениваются путем взвешенного сопоставления наблюдаемой функции плотности вероятности IPI и моделируемой функции.Взвешенная функция используется для аппроксимации достоверности данных IPI, чтобы вся достоверная информация, предоставляемая данными IPI, использовалась в максимально возможной степени. По этой причине метод может обеспечить надежные оценки, даже если поезда MUAP извлекаются со значительными ошибками. Таким образом, этот метод очень полезен для оценки статистики стрельбы наземной ЭМГ, когда отдельные поезда MUAP трудно точно идентифицировать.
Учитывая, что MUAP возникает на некотором расстоянии ниже стандартного электрода sEMG, основные формы поверхностных MUAP в идеале могут быть представлены только очень небольшим количеством форм сигналов или вейвлет-функций.Основываясь на этом определении, Ping и Rymer (65) в 2003 году оценили способы оценки количества MUAP, присутствующих в стандартных записях поверхностной ЭМГ, с использованием методов сопоставления на основе вейвлетов для идентификации случаев MUAP. Причина этого подхода заключается в том, что оценки количества MUAP, вероятно, будут более точным отражением нейронной команды для мышцы. Методы согласования вейвлетов с использованием еще более селективного поверхностного электрода могут правильно оценить количество MUAP в сигналах поверхностной ЭМГ при более высоких уровнях силы.Однако максимальное количество MUAP, правильно оцененное в поверхностной ЭМГ, не может быть значительно увеличено.
Недавно, в 2005 году, Major и Jones (66) использовали эту модель для моделирования четырех техник MUNE (инкрементная стимуляция, пересмотренная инкрементальная стимуляция, многоточечная стимуляция и усреднение с запуском спайков) и сравнили надежность каждого из них. Они также сравнили относительную полезность использования ЭМГ по сравнению с силой в качестве измерения выходной мощности мышцы. Использование моделей позволяет детально проверить методологические допущения в различных техниках MUNE, что приведет к более точному и надежному методу выполнения MUNE.Это приведет к более ранней диагностике и улучшенной оценке лечения пациентов с нервно-мышечными заболеваниями. Основной принцип, лежащий в основе четырех методов MUNE, которые они моделировали, — это деление общего мышечного ответа на расчетный средний ответ одиночной двигательной единицы (SMUP). Мышечные реакции можно измерить с помощью ЭМГ или силы. Поверхностный ЭМГ-ответ нескольких двигательных единиц на электрический стимул, приложенный к нерву, известен как составной потенциал действия мышцы (CMAP). Таким образом, расчетное количество функциональных двигательных единиц в мышце (или группе мышц) определяется уравнением 19.
Аппаратные модели
В связи с передовым развитием биомедицинской науки применение биомедицинских инструментов становится важным в повседневной жизни. В последнее время большое значение приобретает разработка специализированных интегральных схем для биомедицинских инструментов. Для разработки протезов рук для людей с ограниченными возможностями внедрено различное оборудование. Аппаратные микросхемы также были разработаны для фильтрации сигнала ЭМГ для получения точного сигнала для управления протезом руки и других приложений, таких как распознавание захвата и взаимодействие человека с компьютером.
Микропроцессорная система для идентификации миоэлектрического сигнала, предложенная Graupe et al . (67) основан на микропроцессоре 8080 Intel Corporation, который представляет собой 8-битный параллельный центральный процессор. Он изготовлен на единой микросхеме крупномасштабной интеграции (LSI) с использованием N-канальных кремниевых затворов и представлен в 40-контактном двухрядном керамическом корпусе, имеющем время инструкции 2 мкс. Затем микропроцессор сопрягается со своими портами ввода-вывода и с полупроводниковой памятью размером 4 Кбайт.Кроме того, для увеличения скорости микропроцессор сопряжен с блоком аппаратного умножения на основе модулей умножителя 4×2 бит Fairchild 9344, где время умножения составляет 350 нс против 1 мкс в самом микропроцессоре.
Микросхема аналогового процессора может быть разработана для обработки физиологических сигналов. Поскольку сигнал ЭМГ имеет характеристики очень низкой амплитуды напряжения и несет в себе низкочастотный синфазный шум, Йен и др. . (68) интегрировали инструментальный усилитель, каскад регулировки усиления и фильтры в микросхему для обработки сигнала ЭМГ с получением соответствующей амплитуды и ограниченной полосы пропускания.Он разделен на три части: блок обработки аналоговых сигналов, блок беспроводной передачи данных и блок цифровой обработки. Их исследования были сосредоточены на конструкции системы передачи. Благодаря концепции системы на кристалле, микросхема достигла целей низкой стоимости, низкого энергопотребления и минимизации площади компоновки.
Для улучшения жизни людей, потерявших руку, протезы рук существуют уже давно. Чип Evolvable Hardware (EHW) был реализован для применения в миоэлектрических протезах руки.Чип EHW для автономного мобильного робота и миоэлектрической искусственной руки был также разработан в апреле 1998 года, чтобы служить готовым устройством для оценки аппаратного обеспечения на уровне ворот. Чип состоит из трех компонентов: 1) PLA; 2) аппаратные средства GA с памятью хромосом 2K слов и памятью обучающих шаблонов 2K слов; и 3) 16-битное ядро ЦП 33 МГц (NEC V30; совместимость с 8086). Произвольные логические схемы можно динамически реконфигурировать на компоненте PLA в соответствии с хромосомами, полученными аппаратным обеспечением GA.Ядро ЦП взаимодействует со средой микросхемы и при необходимости поддерживает вычисления пригодности. Размер аппаратного обеспечения GA, без учета памяти, составляет около 16K гейтов. Что касается размера ворот, это почти одна десятая от 32-разрядного ядра процессора (например, NEC V830). Однако генетические операции, выполняемые этим чипом, в 62 раза быстрее, чем на Sun Ultra2 (200 МГц). Чип реализован Kajitani et al . В 1999 (69) состоит из аппаратного обеспечения GA (генетического алгоритма), реконфигурируемой аппаратной логики, памяти хромосом, памяти обучающих данных и 16-битного ядра процессора (NEC V30).Миоэлектрические протезы рук управляются сигналами, генерируемыми мышечными движениями. Предлагаемая микросхема EHW состоит из семи функциональных блоков, блока GA, блока PLA (2 массива), центрального процессора, файла регистров, генератора случайных чисел, памяти хромосом и памяти обучающих данных. Рабочий процесс микросхемы EHW можно разделить на два этапа. Первый этап — это создание двух детей и этап оценки, а второй этап — этап «выбора двух хромосом». GA адаптивно реализует схему на PLA в контроллере EHW.
В 2001 году Торресен описал двухэтапную инкрементную оценку контроллера протеза руки, для которого требуется ЦП с плавающей запятой или микросхема нейронной сети (70). Используя EHW на уровне ворот, может быть обеспечена гораздо более компактная реализация, что делает его более удобным для установки внутри протеза руки. Такой сложный контроллер, вероятно, можно было бы разработать только путем адаптации контроллера к каждому конкретному пользователю. Он состоит из ворот И, за которыми следуют ворота ИЛИ. Одна из основных проблем в развитии аппаратной системы заключается в том, что, по-видимому, существует ограничение на длину строки хромосомы.Для представления сложной системы обычно требуется длинная строка. По мере увеличения строки генетическим алгоритмам (ГА) требуется большое количество поколений. Основное преимущество метода заключается в том, что эволюция не выполняется за одну операцию над всем изменяемым аппаратным блоком; вместо этого он выполняется снизу вверх. Архитектура контроллера протеза руки, основанная на цифровых воротах, показана на рисунке. . Он состоит из одной подсистемы для каждого из шести движений протеза.В каждой подсистеме двоичные входы x ₀. . . x ₁₅ обрабатываются несколькими разными блоками, начиная с блока И-ИЛИ. Это слой вентилей И, за которым следует слой логических элементов ИЛИ. Каждый вентиль имеет одинаковое количество входов, и их можно выбрать два, три или четыре. Выходы логических элементов ИЛИ направляются в Селектор. Этот блок выбирает, какие из этих выходов будут подсчитаны последующим счетчиком. То есть для каждого нового входа счетчик считает, что количество выбранных выходов равно «1» из соответствующего блока И-ИЛИ.Наконец, детектор максимума выводит счетчик, соответствующий одному конкретному движению, имеющему наибольшее значение. Каждый выход датчика Max Detector подключен к соответствующему двигателю протеза. Если счетчик, имеющий наибольшее значение, соответствует правильному движению руки, вход был правильно классифицирован.
Архитектура контроллера протеза руки, основанная на цифровых воротах.
В ЭМГ-сигнале от электрически стимулированной мышцы обычно существуют два типа артефактов: артефакты стимуляции и M-волна.В 2000 году Писгуд и его исследователи (71) предположили, что М-волна является стационарной, и поэтому использовали фиксированный гребенчатый фильтр. Но M-волна явно является нестационарным сигналом в статистическом смысле, в основном из-за того, что ее временные изменения зависят от многих факторов, таких как интенсивность стимуляции, утомляемость, уровень сокращения мышцы и т. Д. Адаптивный прогноз. фильтр ошибок (PEF), основанный на алгоритме Грама-Шмидта (GS), представлен в 2004 г. Yeom et al . (72) для подавления М-волн.Представленный фильтр реализован на программируемой вентильной матрице (FPGA). Реализация осуществляется с использованием 6-го ^{-го порядка} GS PEF с использованием микросхемы FPGA Xilinx XC2S200pq208-6. Дизайн был синтезирован с использованием Xilinx ISE 5.2i и проверен с помощью ModelSim XE 5.6a. Одним из основных преимуществ аппаратного разделения вычислений корреляции и фильтрации является то, что система фильтрации не связана со сложным конечным автоматом. На рисунке показана схема основного процессора, реализованного на ПЛИС.М-волны должны быть удалены, чтобы использовать произвольную ЭМГ от электрически стимулированной мышцы. Предлагаемая система подавления M-волн, основанная на GS PEF, не только эффективна для устранения периодических сигналов, таких как M-волны, но также подходит для реализаций FPGA, чем традиционный линейный PEF (72).
Схема блока обработки ядра, реализованного на ПЛИС.
Приложения EMG
ЭМГ-сигналы могут использоваться для различных приложений, таких как клинические / биомедицинские приложения, разработка микросхем EHW, взаимодействие человека с машиной и т. Д.Клиническое применение ЭМГ в качестве диагностического инструмента может включать нервно-мышечные заболевания, оценку боли в пояснице, кинезиологию и нарушения моторного контроля. Сигналы ЭМГ могут быть использованы для разработки чипа EHW для управления протезами руки. Распознавание захвата (73) — это усовершенствованное приложение для управления протезом руки.
ЭМГ можно использовать для определения изометрической мышечной активности (типа мышечной активности, которая не переводится в движение). Эта функция позволяет определить класс незаметных неподвижных жестов для управления интерфейсом незаметно и без нарушения окружающей среды.Устройство для этой цели включает усилитель с высоким входным сопротивлением, подключенный к электродам, фильтр сглаживания, микроконтроллер для выборки и обработки сигнала ЭМГ и модуль связи Bluetooth для передачи результатов обработки. При обнаружении активации контроллер отправляет сигнал по беспроводной сети на основной носимый процессор, например на мобильный телефон или КПК. Используя EMG, пользователь может тонко реагировать на сигналы, не нарушая своего окружения и не касаясь интерфейса руками.Контроллер EMG не занимает рук пользователя и не требует от него работы; следовательно, это « без помощи рук, » (74).
Интерактивные компьютерные игры предлагают еще одно интересное применение интерфейсов на основе биосигналов. Игровая система будет иметь доступ к сигналам частоты пульса, гальванической реакции кожи и движению глаз, чтобы игра могла реагировать на эмоциональное состояние игрока или угадывать его или ее уровень осведомленности о ситуации, отслеживая движения глаз. Интерактивный игровой персонаж может реагировать на пользователя, который смотрит или смотрит вокруг, в зависимости от обстоятельств.Такое использование отслеживания взгляда проще, чем использование глаз в качестве точного указательного устройства, что затруднительно, поскольку глаза постоянно исследуют окружающую среду и не обеспечивают стабильной точки отсчета для указателя на экране. Чтобы обеспечить больше удовольствия и стратегии, в файтингах обычно возможны два стиля атаки. Один из них — слабая атака, а другой — сильная атака. Обычными устройствами ввода для боевых действий являются джойстик и джойстик . Они используют палку для перемещения персонажа и кнопку для выполнения определенного типа атаки, например, удара кулаком или ногой.Чтобы совершить сильную атаку, пользователь должен ввести сложную последовательность клавиш, которая затрудняет выполнение этого движения, тем самым достигая баланса между двумя типами атаки. Хотя эти устройства дешевы и просты в использовании, у них есть недостатки. Эти интерфейсы не интуитивно понятны для управления движением человека во время боя, и пользователю нужно многое запомнить, например, значение кнопки и последовательность ввода для сильного атакующего движения. Устройство интерфейса человек-компьютер, разработанное для игры в жанре файтинг, « Muscleman», , было разработано Д.Г. Пак и Х. К. Ким в Корее. Игровые персонажи обычно изображаются в изометрическом сжатии рук, что выражает концентрацию силы, чтобы совершить сильную атаку, как огненный шар (75).
Для измерения силы изометрического сокращения мышц использовалась поверхностная ЭМГ. Кроме того, для получения более точной информации о движении предплечья пользователя в игровой системе установлен акселерометр. Анализируя запись данных об ускорении, полученную от акселерометра, можно узнать, в каком направлении движется предплечье.Кроме того, возможна классификация атакующего движения в таких случаях, как то, было ли движение прямым ударным движением или движением верхнего удара. Беспроводная передача используется, чтобы не мешать движению пользователя. Приняв беспроводную передачу, этап игры может быть увеличен практически без ограничений в пространстве. На рисунке показана блок-схема системы « Muscleman».
Блок-схема системы «Muscleman».
В Центре исследований вооружений НАСА в Моффетт-Филд, Калифорния, расширение Human Senses Group использует интерфейсы систем биоконтроля.Они использовали сигнал ЭМГ / ЭЭГ в своей программе исследований взаимодействия человека с летными системами. Группа стремится продвигать человеко-машинные интерфейсы, напрямую подключая человека к компьютеру через электрическую нервную систему человека. Это исследование, основанное на сигналах ЭМГ и ЭЭГ, применяет систему распознавания образов для интерпретации этих сигналов как команд компьютерного управления. Эти исследователи НАСА использовали сигнал ЭМГ, чтобы заменить механические джойстики и клавиатуры. В качестве примера они разработали метод пилотирования высокоточного имитатора полета транспортного самолета с использованием джойстика на основе ЭМГ.На рисунке показано управление полетом с использованием технологии EMG. Виртуальный джойстик приводился в действие через повязку, имплантированную с восемью электродами, подключенными к датчикам, когда пилот жестом приземлял самолет. Пилот также мог совершить аварийную посадку моделируемого самолета, который был поврежден. Чарльз Йоргенсен, глава лаборатории нейроинженерии Эймса НАСА, утверждает, что это принципиально новый способ общения с машинами. Его исследовательская группа отходит от идеи управления машинами с помощью рычагов и ручек.Вместо этого они планируют, чтобы машины реагировали непосредственно на человеческие жесты. Помимо управления самолетом, эта технология может также помочь астронавтам в громоздких скафандрах управлять электроинструментами, используемыми для работы вне космического корабля, например, при ремонте или строительстве. Более амбициозная идея для реконфигурируемых самолетов и другой транспортной техники — виртуальная носимая кабина или командный центр. Военно-воздушные силы США и другие виды вооруженных сил все чаще используют беспилотные автомобили для миссий по наблюдению.Одним из способов управления этими системами с места является носимая кабина. Можно использовать носимый компьютер с беспроводной связью и защитными очками, а затем использовать жесты на основе ЭМГ для управления переключателями и ручками управления, необходимыми для полета. Бесконтактные датчики ЭМГ, вшитые в полевую униформу, могли затем определять движения, когда действующий пилот делал вид, что манипулирует управляющими сигналами. Космическое приложение могло позволять космонавтам набирать текст на компьютере, несмотря на то, что его ограничивал скафандр. Если во время долгосрочной космической миссии произошла авария с разгерметизацией, и астронавтам потребовался доступ к бортовым компьютерам, они могли бы использовать электроды ЭМГ в своих скафандрах для имитации компьютерного интерфейса (76).
Распознавание глухой речи — Mime Speech Recognition — распознает речь, наблюдая за мышцами, связанными с речью. Он основан не на голосовых сигналах, а на ЭМГ. Он будет реализовывать беззвучное общение, что является новым стилем общения. Поскольку голосовые сигналы не используются, его можно применять в шумной среде; он может поддерживать людей без голосовых связок и людей с афазией (77).
Связь с компьютером посредством определенных мышечных сокращений позволит выполнять все виды управляемых компьютером действий с помощью ЭМГ.Сокращения мышц могут быть надежно обнаружены, почти нечувствительны к любому виду шума, поэтому интерфейсное устройство, основанное на мышечном тонусе, также может использоваться для управления движущимися объектами, такими как мобильные роботы или электрическое кресло-коляска, что может быть большим подспорьем. для людей с ограниченными возможностями. Конечно, это могло бы стать альтернативой для здоровых людей, а также для управления домашними развлекательными устройствами. Постоянный поток сигналов ЭМГ, связанных с любой произвольной мышцей водителя-коляски, отслеживается и сводится к потоку событий сокращения.Уменьшенный поток влияет на внутреннее состояние программы, которое преобразуется в соответствующие команды, понятные электронике кресла-коляски. Стандартный способ управления электрическим инвалидным креслом включает использование одной руки для управления каким-то двумерным джойстиком.
Обсуждение
Исследование показывает, что двухпороговые детекторы лучше однопороговых из-за более высокой вероятности обнаружения. Они также позволяют пользователю установить связь между ложной тревогой и вероятностью обнаружения с большей степенью свободы, чем однопороговые.Разложение сигнала ЭМГ путем согласования вейвлет-спектра показывает, что этот метод точен, надежен и быстр. Этот метод очень полезен при изучении механизмов управления моторикой на уровне SMU. С другой стороны, нелинейный метод декомпозиции оптимизации LMS на основе HOS также надежен в бесшумном случае. Тестирование на различных уровнях аддитивного гауссовского шума показало, что хорошо известная устойчивость HOS приводит к удовлетворительным результатам также в шумной среде. Для обработки сигналов EMG WT является альтернативой другим частотно-временным представлениям.Преимущество WT в том, что он линейный, что дает представление с несколькими разрешениями. Кросстермы не влияют на WT при работе с многокомпонентными сигналами. Мы видим, что основным недостатком SFT является то, что предполагается наличие стационарного сигнала. Спектр совместной плотности, полученный с помощью распределения Вигнера-Вилля, демонстрирует очень хорошие свойства локализации и, как правило, сосредоточен вокруг мгновенной частоты сигнала. Недостаток WVD в том, что он очень шумный. Хотя Чой-Вильямс снижает помехи, он не удовлетворяет всем другим желаемым свойствам частотно-временного распределения.Изучая свойства систем нечеткой логики, мы обнаруживаем, что противоречия в данных допускаются, что является преимуществом. Также ясно, что с помощью обучаемых нечетких систем можно обнаруживать закономерности в данных, которые нелегко обнаружить другими методами, как это также можно сделать с помощью нейронной сети. В результате системы нечеткой логики более точно имитируют процесс принятия решений, чем ИНС. Статистические методы высшего порядка (HOS) используются для анализа сигнала ЭМГ. Это возможно благодаря уникальным свойствам HOS, которые можно применять к случайным временным рядам.Исследование показывает, что гауссов шум можно подавить с помощью биспектра или спектра третьего порядка. Более того, он несет информацию как об амплитуде, так и о фазе, которую можно использовать для восстановления импульсной функции системы и входной импульсной последовательности из линейного не зависящего от времени (LTI) выходного сигнала системы. Основное преимущество HOS перед SOS заключается в том, что HOS может подавлять гауссов шум при обнаружении, оценке параметров и классификации. Поскольку HOS не принимает во внимание какой-либо гауссовский процесс, ненулевое измерение HOS может обеспечить проверку степени негауссовости сигнала.Сводка основных методов приведена в таблице.
Таблица 4
Краткое изложение основных методов.
Метод Преимущество / Недостаток
Двухпороговое обнаружение
Двухпороговые детекторы лучше однопороговых из-за более высокой вероятности обнаружения.
Позволяет пользователю использовать связь между ложной тревогой и вероятностью обнаружения с большей степенью свободы, чем однопороговые.
Вейвлет-преобразование
Альтернатива другим частотно-временным представлениям.
WT является линейным, что дает представление с несколькими разрешениями.
Кросстермы не влияют на WT при работе с многокомпонентными сигналами.
Основным недостатком SFT является то, что предполагается наличие стационарного сигнала.
Распределение Вигнера-Вилля
Спектр совместной плотности, полученный с помощью распределения WV, показывает очень хорошие свойства локализации.
Обычно она сосредоточена вокруг мгновенной частоты сигнала.
Недостаток в том, что он очень шумный.
Метод Чоя-Вильямса
Искусственные нейронные сети (ИНС)
Сеть может научиться отображать набор входов на набор выходов.В данных можно обнаружить закономерности, которые нелегко обнаружить другими методами.
ИНС — это не только прогресс в распознавании сигналов MES в реальном времени, но также он сокращает обучение субъектов до минимума
Нечеткая логика
Допустимы противоречия в данных.
В данных можно обнаружить закономерности, которые нелегко обнаружить другими методами.
Системы нечеткой логики более точно имитируют процесс принятия решений, чем ИНС.
Статистика высшего порядка (HOS)
(HOS) методы могут использоваться для анализа сигнала ЭМГ из-за его уникальных свойств, применяемых к случайным временным рядам.
Биспектр или спектр третьего порядка имеет преимущество подавления гауссовского шума.
Он несет информацию как об амплитуде, так и о фазе, которую можно использовать для восстановления импульсной функции системы и входной импульсной последовательности из линейного не зависящего от времени (LTI) выходного сигнала системы.
HOS слеп к любому виду гауссовского процесса, ненулевое измерение HOS может обеспечить тест степени негауссовости сигнала.
Если требуется количественное соотношение между сигналом ЭМГ и силой, то сокращение должно быть изометрическим. Однако даже при этом ограничении связь между силой и сигналом ЭМГ остается проблематичной. Принято считать, что, когда сигнал ЭМГ достаточно сглажен, взаимосвязь является монотонной, но линейность, по-видимому, различается для разных мышц (при условии отсутствия технических и других мешающих факторов, таких как перекрестные помехи).Однако, поскольку амплитуда сигнала поверхностной ЭМГ является случайной величиной, мгновенное значение амплитуды не является монотонным по отношению к значению силы. Кроме того, оценка амплитуды сигнала будет изменяться в зависимости от силы из-за внутренних анатомических и физиологических факторов. На рисунке показано соотношение силы и сигнала ЭМГ.
Соотношение нормализованной силы и сигнала ЭМГ для трех разных мышц.
Данные были сильно сглажены с шириной окна 2 с.Обратите внимание на разницу в линейности взаимоотношений между мышцами (78).
Физиологи привыкли использовать выходное усилие мышцы в качестве показателя мышечного утомления. В частности, точка, в которой сокращение больше не может поддерживаться (точка отказа), обычно обозначается как точка, в которой мышца утомляется. Этот подход подразумевает, что утомление возникает в определенный момент времени; понятие, которое несовместимо с концепцией усталости, принятой инженерами и учеными-физиками.На рисунке показан сигнал ЭМГ в виде индекса усталости.
Схематическое объяснение спектральной модификации, которая происходит в сигнале ЭМГ во время длительных сокращений.
Индекс мышечной усталости представлен средней частотой спектра (78).
При рассмотрении аппаратных реализаций мы понимаем, что, хотя реконфигурируемые аппаратные устройства, такие как FPGA и PLD, быстро распространяются, а полезность реконфигурируемого оборудования получает все большее признание, реконфигурация в FPGA не является автономной и требует вмешательства человека.Таким образом, EHW указывает на новое направление в реконфигурируемом оборудовании, выходящем за рамки FPGA.
Лаборатория: Звуковые станции
Этот специальный апплет можно использовать для множества бесплатных исследований. Вместо того, чтобы использовать его для пятиминутной звуковой станции, вы можете использовать его со всем классом для некоторого обучения на основе запросов, помимо описанных здесь исследований.
Примечание: нас вдохновили две демонстрации в Academo: виртуальный осциллограф и амплитудная модуляция. Если у вас есть технические проблемы с нашим встроенным апплетом, вы можете использовать эти онлайн-демонстрации, чтобы охватить большую часть исследования станции.Если вы используете приложение для амплитудной модуляции Academo, обязательно включите звук и сдвиньте A2 полностью вниз до 0,0 и используйте только ползунок f1.
Перефразирование:
Ученые и инженеры используют осциллограф для сравнения различных волн, включая звуковые. Часть слова «oscillo-» означает «качаться», как и в слове «колебаться».
Музыканты обычно не обращают внимания на форму волн, но этот специальный инструмент издает звук, позволяет вам видеть волну так, как ее видит физик, а затем позволяет вам поиграть с нотами.
Материалы
Электронное устройство (например, компьютер, планшет или мобильный телефон) с этим приложением загружено (онлайн или сохранено локально)
Микрофон, который можно подключить к компьютеру (дополнительно)
Об осциллографах
Голубое окно апплета имитирует то, что можно было бы увидеть, если бы осциллограф находился рядом с клавиатурой. Осциллограф — это инструмент, который физики используют для анализа качества звуков и многих других видов волн.Поскольку осциллограф показывает форму волны с повторяющимся узором, некоторые предполагают, что то, что они видят на экране, является фактической формой волны, создаваемой различными нотами, но это предположение неверно. Вместо этого осциллограф показывает график изменения давления звуковой волны. То есть звук — это волна сжатия, поэтому он не будет похож на синусоидальную волну или, если на то пошло, на квадрат, треугольник или пилообразную волну.
Подумайте о другом электронном инструменте, который вы, возможно, видели в больнице или в медицинской драме: ЭКГ или электрокардиограмма.График на этом экране — это не изображение сердцебиения, а графическое представление сердцебиения, которое медицинские работники используют для получения снимка состояния пациента. Он показывает электрические импульсы от сердца.
.

	SNR (дБ)
	2		4		6		8
Метод	Смещение	Std	Смещение	Std	Смещение	Std	Смещение	Std	Замечание
Улучшенный метод (11)	-39	26	-22	25	-12	22	-3	17	Лучший двойной порог
	41	68	21	69	12	47	0	53	Хорошее
Одиночный порог (11)	55	154	135	72	139	Хуже

Набор функций	Среднее%
Временная область	78,3
Частотная область	62,5
Вейвлет DAU4	66.2
Вейвлет DAU20	59,6
Вейвлет CH	63,3
Вейвлет BL	65,8

Метод	Точность
Коэффициенты AR	99%
Нейронные сети	84%
Нечеткая система	85%

Метод	Преимущество / Недостаток
Двухпороговое обнаружение	Двухпороговые детекторы лучше однопороговых из-за более высокой вероятности обнаружения. Позволяет пользователю использовать связь между ложной тревогой и вероятностью обнаружения с большей степенью свободы, чем однопороговые.
Вейвлет-преобразование	Альтернатива другим частотно-временным представлениям. WT является линейным, что дает представление с несколькими разрешениями. Кросстермы не влияют на WT при работе с многокомпонентными сигналами. Основным недостатком SFT является то, что предполагается наличие стационарного сигнала.
Распределение Вигнера-Вилля	Спектр совместной плотности, полученный с помощью распределения WV, показывает очень хорошие свойства локализации. Обычно она сосредоточена вокруг мгновенной частоты сигнала. Недостаток в том, что он очень шумный.
Метод Чоя-Вильямса
Искусственные нейронные сети (ИНС)	Сеть может научиться отображать набор входов на набор выходов.В данных можно обнаружить закономерности, которые нелегко обнаружить другими методами. ИНС — это не только прогресс в распознавании сигналов MES в реальном времени, но также он сокращает обучение субъектов до минимума
Нечеткая логика	Допустимы противоречия в данных. В данных можно обнаружить закономерности, которые нелегко обнаружить другими методами. Системы нечеткой логики более точно имитируют процесс принятия решений, чем ИНС.
Статистика высшего порядка (HOS)	(HOS) методы могут использоваться для анализа сигнала ЭМГ из-за его уникальных свойств, применяемых к случайным временным рядам. Биспектр или спектр третьего порядка имеет преимущество подавления гауссовского шума. Он несет информацию как об амплитуде, так и о фазе, которую можно использовать для восстановления импульсной функции системы и входной импульсной последовательности из линейного не зависящего от времени (LTI) выходного сигнала системы. HOS слеп к любому виду гауссовского процесса, ненулевое измерение HOS может обеспечить тест степени негауссовости сигнала.