Некоторые дополнительные возможности стенда «ОВКС»

Продолжаем знакомиться с маленьким стендом БТС и его различными применениями.

Заменим шестерни: узор представляет более сложную картинку, и на каждой шестерне она разная. Это, конечно, уже не код Хэмминга. На первых двух шестернях непрерывно изменяется ширина отверстия (окна): на первой она изменяется быстрее, а на второй — медленнее и плавнее, узор похож на большой длинный полумесяц, а на третьей шестерне нанесены радиальные отверстия прямоугольной формы с переменной шириной и одинаковой высотой от самой маленькой порядка 0,5 мм, и все последующие изменяются на ширину этого минимального отверстия, то есть вторая — это примерно 1 мм, третья — 1,5 мм и так далее.

Здесь собран интересный инструмент для исследования светодиода и фотодиода. У нас распределенный источник света (три светодиода) и мы не знаем в какую сторону он светит больше, в какую меньше, то есть мы не знаем его характерную диаграмму направленности. Но с помощью данных шестерней у нас появляется шанс изучить свойства данного источника и приёмника.

Попробуем запустить шестерни с постоянной скоростью и посмотрим, что получится. Они вращаются, и постепенно рисунок шестерней закрывает светодиоды и фотодиоды ничего не видят. Пока шестерёнки вращаются, давайте попробуем представить какая может быть картинка, которую вы увидите. Вы видите как устроен узор на каждой шестеренке, а теперь попробуйте использовать метод Фейнмана, который заключается в том, что вы должны предсказать результат, а потом сравнить ваше предсказание с тем, что получилось непосредственно в эксперименте, и, как показывает практика, это хорошо улучшает ваше понимание, вы начинаете задаваться ключевыми вопросами.

Теперь давайте посмотрим что получилось. 

Глядя на графики, можно сравнить с картинкой, которую вы представили в своём воображении.

Обратите внимание, как выглядит сигнал от первой шестерёнке с тремя “серпами” (черный график). Он представляется в виде пилы с характерными короткими зубцами. И обратите внимание, что этот прибор выявил следующую интересную особенность: зубцы графика не одинаковые. На одном из них видно, что есть характерная прямоугольная неоднородность.

Обратите внимание на красный график, который соответствует средней шестерёнке. Он очень напоминает синусоиду, а нижняя площадка на нём соответствует стеночке на шестерне. И хорошо видно, что когда “серп” проворачивается, ширина отверстия увеличивается, фотодиод принимает сигнал с большей амплитудой за счёт того, что появилось дополнительное расстояние в окошке, и сигнал постепенно нарастает. Но нарастает он не очень равномерно, хотя на шестеренке кажется всё изменяется равномерно, но прибор показывает, что не совсем плавно нарастает ширина отверстия. Ещё следует обратить внимание на то, что в самой верхней части графика сигнал выходит на плато. То есть это означает, что мы настолько открыли окошко, что сигнал полностью проходит и мы регистрируем его максимум.

И самая интересная динамика на зелёном графике. Обратите внимание на следующий интересный эффект: сигнал представляет собой последовательность коротких импульсов, причём эти импульсы постепенно изменяют свою амплитуду. Самый маленький импульс соответствует самому узкому окошку на третьей шестерне. А на самом большом последнем импульсе сигнал вышел в насыщение, то есть достиг максимального значения и он самой большой ширины. Дальше опять повторяется процесс.

Мы уже знаем, как меняется ширина каждой маленькой черточки (окошка) и можем связать эти размеры с амплитудой данного сигнала. Зная на каком расстоянии от светодиода находится окошко, можно посчитать (оценить) диаграмму направленности нашего светодиода или угловую чувствительность фотодиода.

Вот такие интересные задачи можно ставить и решать, используя шестерни с различными узорами.

Обратите внимание, что сейчас мы рассмотрели только механическую часть изменения амплитуды сигнала или амплитудную модуляцию. Теперь рассмотрим, как тоже самое будет выглядеть, если мы используем ещё и изменение амплитуды сигнала у светодиода.

Запустим шестерёнки с той же самой скоростью. То есть будет точно такое же количество периодов вращения, но теперь амплитуда светодиода меняется. Снова попробуйте представить, какую картинку получим в этот раз.

Обратите внимание, что появились дополнительные изменения в динамике.

На третьей шестерне амплитуда сигнала не менялась дополнительно, на первой шестерёнке амплитуда сигнала нарастала, на второй наоборот — падала. На графике видно, как менялась динамика сигнала в этом случае. 

Обратите внимание, что сигнал на средней шестерне начался с больших значений, но потом постепенно амплитуда стала уменьшаться. На чёрном графике появились характерные изменения в зубчиках, это связано с тем, что появилось дополнительное изменение сигнала, связанное с мощностью источника.

Таким образом, можно решать задачи и на биение, то есть в которых наблюдается совместное действие двух или нескольких периодических процессов.

Для размышления

Подумайте над формой шестеренок в данной теме и в предыдущих и поймите какой еще рисунок шестеренок можно сделать, чтобы расширить применение стенда для изучения сигналов.

Материалы

• Статья, рассказывающая о физическом принципе работы фотодиодов и о том, что они из себя представляют в целом