Электрический сигнал — это… Что такое Электрический сигнал?

Сигнал — это физический процесс, содержащий в себе некоторую информацию. На практике чаще всего используются электрические сигналы. При этом носителем информации является изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи. Электрические сигналы легче обрабатывать, чем другие, они хорошо передаются на большие расстояния. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несет полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путем сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учетом шума.

Выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.

Аналоговый сигнал (АС)

Аналоговый сигнал

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретный сигнал

Дискретный сигнал

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчетами. Δt называется интервалом дискретизации.

Квантованный сигнал

Квантованный сигнал

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования  Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log

2(N).

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал

Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию.

В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

Виды электрических сигналов

Цель рассказа показать в чем суть понятия «сигнал», какие распространённые сигналы существуют и какие у них общие характеристики.

Что такое сигнал? На этот вопрос даже маленький ребёнок скажет, что это «такая штука, с помощью которой можно что-нибудь сообщить». Например, с помощью зеркала и солнца можно передавать сигналы на расстояние прямой видимости. На кораблях, сигналы когда-то передавали с помощью флажков-семафоров. Занимались этим специально обученые сигнальщики. Таким образом с помощью таких флажков передавалась информация. Вот как можно передать слово «сигнал»:

В природе существует огромное множество сигналов. Да по сути что угодно может быть сигналом: оставленная на столе записка, какой-нибудь звук — могут служить сигналом к началу определённого действия. 

Ладно, с такими сигналами всё понятно поэтому перейду к электрическим сигналам, которых в природе не меньше чем любых других. Но их хотя бы можно как-то условно разбить на группы: треугольный, синусоидальный, прямоугольный, пилообразный, одиночный импульс и т.д. Все эти сигналы названы так за то, как они выглядят, если их изобразить их на графике.

Сигналы могут быть использованы как метроном для отсчета тактов (в качестве тактирующего сигнала), для отсчета времени, в качестве управляющих импульсов, для управления двигателями или для тестирования оборудования и передачи информации.  

Характеристики эл. сигналов

В некотором смысле электрический сигнал — это график, отражающий изменение напряжения или тока с течением времени.

Что по-русски означает: если взять карандаш и по оси Х отметить время, а по Y напряжение или ток, и отметить точками соответствующие значения напряжения в конкретные моменты времени, то итоговое изображение будет показывать форму сигнала:

Электрических сигналов очень много, но их можно разбить на две большие группы: 

• Однонаправленные
• Двунаправленные

Т.е. в однонаправленных ток течет в одну сторону (либо не течет вообще), а в двунаправленных ток является переменным и протекает то «туда», то «сюда».

Все сигналы, независимо от типа, обладают следующими характеристиками:

• Период — промежуток времени, через который сигнал начинает повторять себя. Обозначается чаще всего T
• Частота — обозначает сколько раз сигнал повториться за 1 секунду. Измеряется в герцах. К примеру 1Гц = 1 повторение в секунду. Частота является обратным значением периода ( ƒ = 1/T )
• Амплитуда — измеряется в вольтах или амперах (в зависимости от того какой сигнал: ток или напряжение). Амплитуда обозначает «силу» сигнала. Как сильно отклоняется график сигнала от оси Х.

Виды сигналов

Синусоида

Думаю, что представлять функцию, чей график на картинке выше нет смысла — это хорошо тебе известная sin(x). Её период равен 360^o или 2pi радиан (2pi радиан =360^o).

А если разделить поделить 1 сек на период T, то ты узнаешь сколько периодов укалдывается в 1 сек или, другими словами, как часто период повторяется. То есть ты определишь частоту сигнала! Кстати, она указывается в герцах. 1 Гц = 1 сек / 1 повтор в сек

Частота и период обратны друг другу. Чем длинней период, тем меньше частота и наоборот. Связь между частотой и периодом выражается простыми соотношениями:

Суфикс	Полное значение	Сокращение	Обозначает время
Кило	Тысяча (Килогерц)	КГц	1 миллисекунда (10-3)
Мега	Миллион (Мегагерц)	МГц	1 микросекунда (10-6)
Гига	Миллиард (Гигагерц)	ГГц	1 наносекунда (10-9)
Тера	Триллион (Терагерц)	ТГц	1 пикосекунда  (10-12)

Меандр

Сигналы, которые по форме напоминают прямоугольники, так и называют «прямоугольные сигналы».

Их условно можно разделить на просто прямоугольне сигналы и меандры. Меандр — это прямоугольный сигнал, у которого длительность импульса и паузы равны. А если сложить длительность паузы и импульса, то получим период меандра. 

Прямоугольный сигнал

Обычный прямоугольный сигнал отличается от меандра тем, что имеет разную длительность импульса и паузы (отсутствие импульса). Смотри картинку ниже — она скажет лучше тысячи слов.

Кстати, для прямоугольных сигналов существует еще два термина, которые следует знать. Они обратны друг другу (как период и частота). Это скажность и коээффициент заполнения. Скажность (S)равняется отношению периода к длительности импульса и наоборот для коэфф. заполнения.

Таким образом меандр — это прямоугольный сигнал со скважностью равной 2. Так как у него период в два раза больше длительности импульса. 

S — скважность, D — коэффициент заполнения, T — период импульсов,  — длительность импульса.

Кстати, на графиках выше показаны идеальные прямоугольные сигналы. В жизни они выглядят слегка иначе, так как ни в одном устройстве сигнал не может измениться абсолютно мгновенно от 0 до какого-то значения и обратно спуститься до нуля.

Треугольный сигнал

Если подняться на гору, а затем сразу спуститься и записать изменение высоты нашего положения на графике, то получим треугольный сигнал. Груое сравнение, но правдивое. В треугольный сигналах напряжение (ток) сначала возрастает, а затем тут же начинает уменьшаться.  И для классического треугольного сигнала время возрастания равно времени убывания (и равно половине периода). 

Если же у такого сигнала время возрастания меньше или больше времени убывания, то такие сигналы уже называют пилообразными. И о них ниже. 

Пилообразный сигнал

Как я уже писал выше, несимметричный треугольный сигнал называется пилообразным. Все эти названи условны и нужны просто для удобства.  

 

Вот такое простое введение в электрические сигналы. В природе их существует множество, но выше описаны те, что в нашем радиолюбительском деле встречаются довольно часто. Надеюсь, что теперь ты будешь больше знать про них. 

Что почитать дальше

p.s. Часть материала основана на интересной, но многословной статье отсюда. Переводом этот текст не назвать, так что будем считать его вольным пересказом. Картинки адаптированы под русский язык =)

 

1.1 Принцип построения ВОСП. Активные компоненты ВОСП

Рассмотрим прохождение сигнала по структурной схеме ВОСП (рис.1) С выхода системы передачи, СПс ИКМ многоканальный электрический сигнал поступает на передающее согласующее устройство ПСУ, где происходит его преобразование в форму целесообразную для передачи по волоконному кабелю. Т.е. в ПСУ происходит преобразование сигнала из кода цифровой системы передачи (как правило, квазитроичный код) в код ВОЛП.

В передающем оптическом модуле, ПОМ происходит преобразование электрического сигнала в оптический сигнал. В состав ПОМ входят: ИИ – источник излучения и ПОС-передающая оптическая система. Оптическая несущая, излучаемая источником, модулируется цифровым сигналом, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. В зависимости от типа источника излучения оптический передатчик может содержать или нет модулятор (СИД – модулятор есть; при использовании ЛД модулятор отсутствует). ПОС обеспечивает эффективный ввод оптического сигнала в волокно, т.е. с минимальными потерями, обеспечивая требуемую числовую апертуру.

При распространение оптического сигнала по волокну  происходит его ослабление и искажение. С целью увеличения дальности действия связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные станции, где осуществляется коррекция искажений и компенсация затухания. Для этого предварительно происходит преобразование оптического сигнала в электрический сигнал, а далее обработка (регенерация) в электрической форме, а затем обратное преобразование электрического сигнала в оптический.

Возможно, построение чисто оптических промежуточных станций на основе оптических квантовых усилителей. На приемной станции импульсы света попадают на приемную оптическую систему, ПрОС которая обеспечивает эффективный вывод оптического сигнала из волокна.

В фотоприемнике, Фпр осуществляет преобразование оптической энергии в электрическую. Т.е., по принятым световым импульсам восстанавливаются символы кодовых комбинаций в линейном коде ВОЛП.

Приемное согласующее устройство, ПрСУ преобразует линейный код оптической системы в код цифровой системы передачи. Далее многоканальный электрический сигнал поступает в приемную часть ЦСП с ИКМ.

 Итак, к активным компонентам ВОСП относятся:

Оптический передатчик или ПОМ, который  преобразует входной цифровой сигнал в выходной световой. При цифровой передаче источник 

излучения ПОМ «включается» и «выключается» в соответствие с поступающим на него битовым потоком электрического сигнала. Передающие оптические модули,  применяемые в ВОСП разнообразны, отличаются по конструкции, а так же по типу источников излучения.

В качестве источника излучения используются инфракрасные светоизлучающие диоды, СИД или лазерные диоды ЛД. Эти устройства  способны поддерживать модуляцию излучаемого света с мега или даже гигагерцовыми частотами.

Кроме этого преобразования ПОМ должен обеспечивать эффективный ввод оптической энергии в волокно.

Оптический приемник или ПрОМ, осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. В качестве фотоприемника ПрОМ используются p-i-n фотодиоды или лавинные фотодиоды.

Как отмечалось выше, если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга, то производится включение регенерационных устройств для восстановления импульсов, т. е. регенераторов. Эти регенераторы работают в режиме тактовой синхронизации, регенерирующие  сигнал в электрической форме, для чего  на входе осуществляется оптоэлектронное, а на выходе электронно-оптическое преобразования.

Оптический усилитель не осуществляет этих преобразований. Оптический усилитель, используя специальные активные среды и лазеры накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению. В настоящее время оптические усилители включаются или на передающих, или на приемных станциях, которые называются, соответственно, бустер и бастер. Увеличение  дальности, действие достигается практически за счет увеличения мощности передатчика (бустер) и чувствительности приемника (бастер).

 

УЧЕНЫЕ НАУЧИЛИСЬ ПЕРЕДАВАТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ РАСТЕНИЯМ

Группа ученых во главе с Технологическим университетом Наньян в Сингапуре (NTU Singapore) разработала устройство, которое может передавать электрические сигналы на растения и от них. Исследователи отмечают, что их разработка приведет к созданию новых технологий, использующих растения.

Команда NTU разработала свое устройство связи с растениями, прикрепив соответствующий электрод (кусок проводящего материала) к поверхности растения — венериной мухоловке — с помощью мягкого и липкого клея, гидрогеля. Это позволилот ученым достичь двух целей: улавливать электрические сигналы для отслеживания реакций растения на окружающую среду; и передавать электрические сигналы растению, чтобы оно, например, «закрылось».

Ученые десятилетиями знали, что растения излучают электрические сигналы, чтобы ощущать окружающую среду и реагировать на нее. Исследовательская группа NTU считает, что развитие способности измерять электрические сигналы растений создаст возможности для множества полезных приложений. Например, можно создать роботов на основе растений —  они помогут собирать хрупкие предметы. Также улавливание и передача электрических сигналов от растения и обратно поспособствуют повышению продовольственной безопасности за счет обнаружения болезней в ранних посевах.

Проблема в том, что электрические сигналы растений очень слабые и могут быть обнаружены только тогда, когда электрод хорошо контактирует с поверхностями растений. Шершавая, восковая и неровная поверхность растений затрудняет установку любого тонкопленочного электронного устройства и обеспечивает надежную передачу сигнала.

С помощью термогеля, который постепенно превращается из жидкости в растяжимый гель при комнатной температуре, устройство связи легко прикрепить к растениям с различной текстурой поверхности. Кроме того, такой гель обеспечивает качественное обнаружение сигналов, несмотря на то, что растения движутся и растут в зависимости от окружающей среды.

Кроме того, команда NTU использовала принцип электрокардиографии (ЭКГ). Этот метод исследования используется для обнаружения сердечных аномалий путем измерения электрической активности, генерируемой органом.

В качестве доказательства концепции ученые взяли свое устройство связи растений и прикрепили его к поверхности венериной мухоловки — хищного растения с волосатыми лепестками листьев, которые при срабатывании закрываются над насекомыми.

Устройство имеет диаметр 3 мм и безвредно для растений. Это не влияет на способность растения к фотосинтезу при успешном обнаружении электрических сигналов от растения. Используя смартфон для передачи на устройство электрических импульсов с определенной частотой, команда заставила венерину мухоловки закрывать свои листья по требованию за 1,3 секунды.

Исследователи также прикрепили растение к роботизированной руке и с помощью смартфона и устройства связи стимулировали ее листок, чтобы он закрылся и взял кусок проволоки диаметром полмиллиметра.

Работа ученых, опубликованная в научном журнале Nature Electronics в январе, демонстрируют перспективы будущего проектирования технологических систем на основе растений. Их подход может привести к созданию более чувствительных роботов-захватов для захвата хрупких объектов, которым могут повредить существующие жесткие системы.

Высокие технологии электрический сигнал тревоги сирена созданы для надежности Smart Devices

Решите все проблемы, связанные с безопасностью, выбрав из широкого диапазона файлов. электрический сигнал тревоги сирена на Alibaba.com .. электрический сигнал тревоги сирена имеют множество применений, включая предупреждение о дыме, пожаре, вторжениях и оповещение о событиях и прибытии. Таким образом, наличие высококачественного продукта является неизбежной необходимостью. электрический сигнал тревоги сирена бывают разной чувствительности, формы и внешнего дизайна, объема и дополнительных технологических характеристик.

электрический сигнал тревоги сирена функционально разработаны, чтобы обеспечить их правильное размещение в предполагаемом месте. Эти продукты можно использовать как в домашних условиях, так и в коммерческих целях. Они разработаны с учетом потребностей потребителей в качестве наивысшего приоритета. электрический сигнал тревоги сирена обладают лучшими возможностями дистанционного зондирования и предназначены для обнаружения всевозможных проблем, каким бы незначительным ни был. Некоторые из них имеют возможность синхронизации с телефонами и другими устройствами или автоматического оповещения пожарных, полиции или других заинтересованных органов. Идеально подходит для промышленного и коммерческого использования. Поставщики электрический сигнал тревоги сирена могут рассмотреть возможность покупки этих премиальных продуктов оптом.

На Alibaba.com ,. электрический сигнал тревоги сирена от лучших и самых надежных брендов доступны, чтобы обеспечить бесперебойную и удобную работу для потребителей. Эти. электрический сигнал тревоги сирена имеют батареи большой емкости, легко устанавливаются и требуют минимального обслуживания. Они могут поставляться с проводкой или быть полностью беспроводными для дополнительного удобства использования. Кроме того, они могут быть запрограммированы уникальным образом, чтобы исключать определенные функции и активировать другие. электрический сигнал тревоги сирена изготавливаются из компонентов, полученных от ответственных поставщиков, чтобы обеспечить их долговечность.

Покупайте из огромного ассортимента заманчивого. электрический сигнал тревоги сирена доступен на Alibaba.com и предлагает привлекательные скидки на всю коллекцию. По таким выгодным ценам они идеальны, чтобы запастись. Воспользуйтесь лучшими предложениями и установите лучшие решения безопасности уже сегодня.

Как аналоговый сигнал преобразуется в цифровой

Как аналоговый сигнал преобразуется в цифровой

Телевизионный сигнал — совокупность электрических сигналов, содержащая информацию о телевизионном изображении и звуке. Телевизионный сигнал может передаваться по радио или по кабелю. Термин употребляется в большинстве случаев применительно к аналоговому телевидению, потому что цифровое оперирует таким понятием, как поток данных.

В электронике сигналы делят на: аналоговые, дискретные и цифровые. Начнем с того, что все, что мы чувствуем, видим, слышим в большинстве своем является аналоговым сигналом, а то, что видит процессор компьютера – это цифровой сигнал. Звучит не совсем понятно, поэтому давайте разбираться с этими определениями и с тем как один вид сигналов преобразовывается в другой.

Типы сигналов

В электрическом представлении аналоговый сигнал, судя по его названию, является аналогом реальной величины. Например, вы чувствуете температуру окружающей среды постоянно, на протяжении всей жизни. Нет никаких перерывов. При этом вы чувствуете не только два уровня «горячо» и «холодно», а бесконечное число ощущений, которые описывают эту величину.

Для человека «холодно» может быть по разному, это и осенняя прохлада и зимний мороз, и легкие заморозки, но не всегда «холодно» это отрицательная температура, как и «тепло» — не всегда положительная температура.

Отсюда следует, что у аналогового сигнала две особенности:

1. Непрерывность во времени.

2. Число величин сигнала стремится к бесконечности, т.е. аналоговый сигнал нельзя точно поделить на части или проградуировать, разбив шкалу на конкретные участки. Способы измерения – основаны на единице измерений, и их точность зависит лишь от цены деления шкалы, чем она меньше, тем точнее измерение.

Дискретные сигналы – это сигналы, которые представляют собой последовательность отчетов или измерений какой-либо величины. Измерения таких сигналов не непрерывны, а периодичны.

Попытаюсь объяснить. Если вы установили термометр где-нибудь он измеряет аналоговую величину – это следует из вышеописанного. Но вы, фактически следя за его показаниями, получаете дискретную информацию. Дискретный – значит отдельный.

Например, вы проснулись и узнали, сколько градусов на термометре, в следующий раз вы на него посмотрели на градусник в полдень, и третий раз вечером. Вы не знаете, с какой скоростью изменялась температура, равномерно, или резким скачком, вы знаете только данные в тот момент времени, который наблюдали.

Цифровые сигналы – это набор уровней, типа 1 и 0, высокий и низкий, есть или нет. Глубина отражения информации в цифровом виде ограничена разрядностью цифрового устройства (набора логики, микроконтроллера, процессора etc.) Получается что для хранения булевых данных он подходит идеально. Пример, можно привести следующий, для хранений данных типа «День» и «Ночь», достаточно 1 бита информации.

Бит – это минимальная величина представления информации в цифровом виде, в нём может храниться только два типа значений 1 (логическая единица, высокий уровень), или 0 (логический ноль, низкий уровень).

В электронике бит информации представляется в виде низкого уровня напряжения (близкое к 0) и высокого уровня напряжения (зависит от конкретного устройства, часто совпадает с напряжением питания данного цифрового узла, типовые значения – 1.7, 3.3. 5В, 15В).

Все промежуточные значения между принятыми низким и высоким уровнем являются переходной областью и могут не обладать конкретным значением, в зависимости от схемотехники, как устройства в целом, так и внутренней схемы микроконтроллера (или любого другого цифрового устройства) могут иметь разный переходный уровень, например для 5-тивольтовой логики за ноль могут приниматься значения напряжения от 0 до 0.8В, а за единицу от 2В до 5В, при этом промежуток между 0.8 и 2В – это неопределенная зона, фактически с ее помощью отделяется ноль от единицы.

Чем более точные и ёмкие значения нужно хранить, тем больше нужно бит, приведем таблицу-пример с отображением в цифровом виде четырёх значений времени суток:

Ночь – Утро – День – Вечер

Для этого нам нужно уже 2 бита:

Аналогово-цифровое преобразование

В общем случае аналогово-цифровым преобразованием называется процесс перевода физической величины в цифровое значение. Цифровым значением является набор единиц и нолей воспринятых обрабатывающим устройством.

Такое преобразование нужно для взаимодействия цифровой техники с окружающей средой.

Так как аналоговый электрический сигнал повторяет своей формой входной сигнал, он не может быть записан в цифровом виде «так как есть» поскольку он имеет бесконечное число значений. Примером можно привести процесс записи звука. Он в первичном виде выглядит так:

Он представляет собой сумму волн с различными частотами. Которые, при разложении по частотам (подробнее об этом смотрите преобразования Фурье), так или иначе, можно приблизить к похожей картинке:

Теперь попробуйте это представить в виде набора типа «111100101010100», довольно сложно, не так ли?

Другим примером необходимости преобразования аналоговой величины в цифровую, является её измерение: электронные термометры, вольтметры, амперметры и прочие измерительные приборы взаимодействую с аналоговыми величинами.

Как происходит преобразование?

Сначала посмотрите на схему типового преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно. Позже мы к ней вернемся.

Фактически это сложный процесс, который состоит из двух основных этапов:

1. Дискретизация сигнала.

2. Квантование по уровню.

Дискретизация сигнала это определения промежутков времени, на которых измеряется сигнал. Чем короче эти промежутки – тем точнее измерение. Периодом дискретизации (Т) называется отрезок времени от начала считывания данных до его конца. Частота дискретизации (f) – это обратная величина:

fд=1/Т

После считывания сигнала происходит его обработка и сохранение в память.

Получается, что за время, которое считываются и обрабатываются показания сигнала, он может измениться, таким образом, происходит искажение измеряемой величины. Есть такая теорема Котельникова и из нее вытекает такое правило:

Частота дискретизации должны быть как минимум в 2 раза больше чем частота дискретизируемого сигнала.

Это скриншот из википедии, с выдержкой из теоремы.

Для определения численного значение необходимо квантование по уровню. Квант – это определенный промежуток измеряемых значений, усреднено приведенный к определенному числу.

X1…X2=Xy

Т.е. сигналы величиной от X1 до X2, условно приравнивается к определенному значению Xy. Это напоминает цену деления стрелочного измерительного прибора. Когда вы снимаете показания, зачастую вы их равняете по ближайшей отметке на шкале прибора.

Так и с квантованием по уровню, чем больше квантов, тем более точные измерения и тем больше знаков после запятой (сотых, тысячных и так далее значений) они могут содержать.

Точнее сказать число знаков после запятой скорее определяется разрядностью АЦП.

На картинке изображен процесс квантования сигнала с помощью одного бита информации, как я описывал выше, когда при превышении определенного предела принимается значение высокого уровня.

Справа показано квантование сигнала, и запись в виде двух бит данных. Как видите, этот фрагмент сигнала разбит уже на четыре значения. Получается, что в результате плавный аналоговый сигнал превратился в цифровой «ступенчатый» сигнал.

Количество уровней квантования определяется по формуле:

де n — количество разрядов, N — уровень квантования.

Вот пример сигнала разбитого на большее число квантов:

Отсюда очень хорошо видно, что чем чаще снимаются значения сигнала (больше частота дискретизации), тем точнее он измеряется.

На этой картинке изображено преобразование аналогового сигнала в цифровой вид, а слева от оси ординат (вертикальной оси) запись в цифровом 8-битном виде.

Аналогово-цифровые преобразователи

АЦП или Аналогово-цифровой преобразователь может выполняться в виде отдельного устройства или быть встроенным в микроконтроллер.

Ранее в микроконтроллеры, например семейства MCS-51, не содержали в своем составе АЦП, использовалась для этого внешняя микросхема и возникала необходимость писать подпрограмму обработки значений внешней ИМС.

Сейчас они есть в большинстве современных микроконтроллеров, например AVR AtMEGA328, который является основой большинства популярных плат Ардуино, он встроен в сам МК. На языке Arduino чтение аналоговых данных осуществляется просто – командой AnalogRead(). Хотя в микропроцессоре, который установлен в той же не менее популярной Raspberry PI его нет, так что не все так однозначно.

Фактически существует большое число вариантов аналогово-цифровых преобразователей, у каждого из которых есть свои недостатки и преимущества. Описывать которые в пределах этой статьи не имеет особого смысла, так как это большой объём материала. Рассмотрим лишь общую структуру некоторых из них.

Самым старым запатентованным вариантом АЦП, является патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Это 5-ти битный АЦП прямого преобразования. Из названия патента приходят мысли о том, что использование этого прибора было связано с передачей данных через телеграф.

Если говорить о современных АЦП прямого преобразования имеют следующую схему:

Отсюда видно, что вход представляет собой цепочку из компараторов, которые на выходе своем выдают сигнал при пересечении какого-то порогового сигнала. Это и есть разрядность и квантование. Кто хоть немного силен в схемотехнике, увидел этот очевидный факт.

Кто не силен, то входная цепь работает таким образом:

Аналоговый сигнал поступает на вход «+», на все сразу. На выходы с обозначением «-» поступает опорное напряжение, которое раскладывается с помощью цепочки резисторов (резистивного делителя) на ряд опорных напряжений. К примеру, ряд для этой цепи выглядит наподобие такого соотношения:

Urefi=(1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16)*Uref

В скобках через запятую указано, какую часть от общего опорного напряжения Uref подают на вход каждого входного напряжения.

Т.е. каждый из элементов имеет два входа, когда напряжение на входе со знаком «+»превышает напряжение на входе со знаком «-», то на его выходе появляется логическая единица. Когда на положительном (неинвертирующем) входе напряжение меньше, чем на отрицательно (инвертирующем), то на выходе – ноль.

Напряжение делиться таким образом, чтобы входное напряжение разбить на нужное количество разрядов. При достижении напряжения на входе на выходе соответствующего элемента появляется сигнал, схема обработки выводит «правильный» сигнал в цифровом виде.

Такой компаратор хорош скоростью обработки данных, все элементы входной цепи срабатывают параллельно, основная задержка этого вида АЦП формируется из задержки 1 компаратора (все же одновременно параллельно срабатывают) и задержки шифратор.8 компараторов, а это целых 256 штук. Для десятиразрядного (в ардуино 10-разрядный АЦП, кстати, но другого типа) нужно 1024 компаратора. Судите сами о целесообразности такого варианта обработки, и где он может понадобиться.

Есть и другие виды АЦП:

Заключение

Преобразование аналогового сигнала в цифровой нужно для считывания параметров с аналоговых датчиков. Есть отдельный вид цифровых датчиков, они представляют собой либо интегральные микросхемы, например DS18b20 – на его выходе уже цифровой сигнал и его можно обрабатывать любыми микроконтроллерами или микропроцессорами без необходимости применения АЦП, или аналоговый датчик на плате на которой уже размещен свой преобразователь. У каждого типа датчиков есть свои плюсы и минусы, такие как помехоустойчивость и погрешность измерений.

Знание принципов преобразование обязательно для всех кто работает с микроконтроллерами, ведь не в каждой даже современной системе встроены такие преобразователи, приходится использовать внешние микросхемы. Для примера можно привести такую плату, разработанную специально под GPIO-разъём Raspberry PI, с прецизионным АЦП на ADS1256.

Ранее ЭлектроВести писали, что власти Вены запустили тестирование технологии умных камер, которые будут распознавать приближение пешеходов и подавать сигнал на светофор.

По материалам: electrik.info.

Ученые ННГУ изучают влияние электрических сигналов растений на фотосинтез

В целях повышения устойчивости и урожайности в сельском хозяйстве

Данные исследования ведутся при финансовой поддержке Российского научного фонда (Проект №17-76-20032, руководитель Сухов Владимир Сергеевич) и Министерства образования и науки РФ (Проект №6.3199.2017/ПЧ, руководитель Воденеев Владимир Анатольевич) и являются частью активно развивающегося научного направления, реализуемого коллективом кафедры биофизики ННГУ.

Растения постоянно подвергаются действию различных стрессоров, включая засуху, колебания температуры и интенсивности освещения, нападение насекомых и т.д. Поскольку растения ведут прикрепленный образ жизни, то единственный способ пережить воздействие стрессирующего фактора – это быстро адаптировать свой метаболизм к изменившимся условиям. В том случае, когда стрессоры действуют лишь на определенные части растительного организма (например, сильные свет или механическое повреждение) у растения происходит распространение специальных стрессовых сигналов.  Так при локальном воздействии стрессоров одним из первичных ответов растения является генерация и распространение электрических стрессовых сигналов, в частности вариабельного потенциала.

Вариабельный потенциал – это уникальный электрический сигнал растений, возникающий в ответ на повреждающие воздействия, которые несут потенциальную угрозу жизни растений. При этом известно, что вариабельный потенциал может существенно снижать фотосинтез у растений, тем самым, повышая их устойчивость к действию стрессоров и, по-видимому, снижая их продуктивность. Важной особенностью вариабельного потенциала является длительная инактивация Н+-АТФазы в окружающей клетку биологической мембране. Н+-АТФазы представляет собой особый мембранный фермент, который использует энергию АТФ для  того, чтобы выкачивать протоны водорода из внутренней среды во внешнюю. Как следствие, снижение активности Н+-АТФазы при распространении вариабельного потенциала должно приводить к быстрому изменению внутри- и внеклеточного рН. Ранее коллективом кафедры биофизики ННГУ было предположено, что именно такие изменения рН лежат в основе снижения фотосинтеза, вызванного вариабельным потенциалом; в настоящее время, проводится активная экспериментальная и теоретическая проверка этой гипотезы.

Работа магистранта кафедры биофизики Университета Лобачевского Суховой Екатерины Михайловны с соавторами, опубликованная в последнем выпуске высокорейтингового научного журнала Photosynthesis Research посвящена дальнейшему экспериментальному анализу регуляции фотосинтеза электрическими сигналами и возможной роли рН в этом процессе.

По словам Екатерины Суховой, в работе было показано, что при распространении по растению вариабельный потенциал вызывал усиления поглощения световой энергии фотосистемой II, являющейся одним из ключевых фотосинтетических ферментов в хлоропластах.

«По-видимому, обнаруженный эффект был связан с закислением содержимого хлоропластов, вследствие инактивации Н+-АТФазы. Важно отметить, что при этом происходило не только возрастание поглощения, но и рост диссипации световой энергии – т.е. росли потери энергии при работе фотосинтетического аппарата», – подчеркнула Екатерина Сухова.

Другим следствием распространения ВП и изменения рН в цитоплазме и хлороспластах растительных клеток стало быстрое и обратимое возрастание потока электронов через электрон-транспортную цепь хлоропластов. При этом начальное увеличение потока электронов было, по-видимому, связано с возрастанием поглощения световой энергии фотосисистемой II. В свою очередь, медленное снижение потока электронов связано с усилением тепловой диссипации фотосинтетической энергии и снижением активности переноса электронов между фотосистемой II и фотосистемой I – вторым ключевым фотосинтетическим ферментом. Последний процесс, по-видимому, также является следствием снижения рН внутри хлоропластов.

Полученные результаты имеют важное фундаментальное значение, поскольку впервые было показано, что вариабельный потенциал может влиять на поглощение света  и распределение световой энергии в фотосинтетическом аппарате, а также на перенос электронов между фотосистемами. Одновременно, полученные результаты имеют и значительные прикладные перспективы. Так электрические сигналы играют важную роль в адаптации растений к действию неблагоприятных факторов, поэтому выявление путей влияния вариабельного потенциала на фотосинтез может стать дополнительным  инструментом для управления устойчивостью и урожайностью сельскохозяйственных растений.

Нашли ошибку в тексте?

Выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Аналоговые и цифровые сигналы: использование, преимущества и недостатки | Статья

.

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается один раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Сигнал — это электромагнитный или электрический ток, по которому данные передаются из одной системы или сети в другую. В электронике сигнал часто представляет собой изменяющееся во времени напряжение, которое также является электромагнитной волной, несущей информацию, хотя он может принимать другие формы, например ток.В электронике используются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые. В этой статье обсуждаются соответствующие характеристики, использование, преимущества и недостатки, а также типичные применения аналоговых и цифровых сигналов.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал изменяется во времени и обычно привязан к диапазону (например, от +12 В до -12 В), но в этом непрерывном диапазоне существует бесконечное количество значений. Аналоговый сигнал использует данное свойство среды для передачи информации о сигнале, например, электричество, движущееся по проводу.В электрическом сигнале напряжение, ток или частота сигнала могут изменяться для представления информации. Аналоговые сигналы часто представляют собой рассчитанные реакции на изменения света, звука, температуры, положения, давления или других физических явлений.

При нанесении на график зависимости напряжения от времени аналоговый сигнал должен давать плавную и непрерывную кривую. Не должно быть никаких дискретных изменений значений (см. Рисунок 1) .

Рисунок 1: Аналоговый сигнал

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал — это сигнал, который представляет данные как последовательность дискретных значений.Цифровой сигнал может принимать только одно значение из конечного набора возможных значений в данный момент времени. В случае цифровых сигналов физическая величина, представляющая информацию, может быть различной:

• Переменный электрический ток или напряжение
• Фаза или поляризация электромагнитного поля
• Акустическое давление
• Намагничивание магнитных носителей информации

Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике, включая вычислительное оборудование и устройства передачи данных.При нанесении на график зависимости напряжения от времени цифровые сигналы имеют одно из двух значений и обычно находятся в диапазоне от 0 В до VCC (обычно 1,8 В, 3,3 В или 5 В) (см. Рисунок 2) .

Аналоговая электроника

Большинство основных электронных компонентов — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и операционные усилители (операционные усилители) — по своей сути являются аналоговыми компонентами. Схемы, построенные из комбинации этих компонентов, представляют собой аналоговые схемы (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Аналоговая схема

Аналоговые схемы могут иметь сложную конструкцию с несколькими компонентами или могут быть простыми, например, двумя резисторами, образующими делитель напряжения. Как правило, аналоговые схемы проектировать сложнее, чем цифровые схемы, выполняющие ту же задачу. Чтобы разработать аналоговый радиоприемник или аналоговое зарядное устройство для батареи, потребуется проектировщик, знакомый с аналоговыми схемами, поскольку для упрощения этих конструкций были приняты цифровые компоненты.

Аналоговые схемы обычно более восприимчивы к шуму, причем «шумом» являются любые небольшие нежелательные изменения напряжения.Небольшие изменения уровня напряжения аналогового сигнала могут привести к значительным ошибкам при обработке.

Аналоговые сигналы обычно используются в системах связи, которые передают голос, данные, изображение, сигнал или видеоинформацию с использованием непрерывного сигнала. Существует два основных типа аналоговой передачи, которые основаны на том, как они адаптируют данные для комбинирования входного сигнала с сигналом несущей. Двумя методами являются амплитудная модуляция и частотная модуляция. Амплитудная модуляция (AM) регулирует амплитуду несущего сигнала.Частотная модуляция (FM) регулирует частоту несущего сигнала. Аналоговая передача может быть достигнута многими способами:

1. Через витую пару или коаксиальный кабель
2. Через оптоволоконный кабель
3. По радио
4. По воде

Подобно тому, как человеческое тело использует глаза и уши для захвата сенсорной информации, аналоговые схемы используют эти методологии для взаимодействия с реальным миром, а также для точного захвата и обработки этих сигналов в электронике.

MPS производит множество аналоговых ИС и компонентов, таких как MP2322, синхронный понижающий преобразователь с низким I _Q в крошечном корпусе QFN размером 1,5 x 2 мм.

Цифровая электроника

Цифровые схемы реализуют такие компоненты, как логические вентили или более сложные цифровые ИС. Такие ИС представлены прямоугольниками с выходящими из них выводами (см. Рисунок 4) .

Рисунок 4: Цифровая схема

Цифровые схемы обычно используют двоичную схему.Хотя значения данных представлены только двумя состояниями (0 и 1), большие значения могут быть представлены группами двоичных битов. Например, в 1-битной системе 0 представляет значение данных 0, а 1 представляет значение данных 1. Однако в 2-битной системе 00 представляет 0, 01 представляет 1, 10 представляет 2, а 11 представляет 3. В 16-битной системе наибольшее число, которое может быть представлено, равно 216 или 65 536. Эти группы битов могут быть захвачены либо как последовательность последовательных битов, либо через параллельную шину.Это позволяет легко обрабатывать большие потоки данных.

В отличие от аналоговых схем, наиболее полезные цифровые схемы являются синхронными, что означает наличие опорных часов для координации работы схемных блоков, поэтому они работают предсказуемым образом. Аналоговая электроника работает асинхронно, то есть обрабатывает сигнал по мере его поступления на вход.

В большинстве цифровых схем для обработки данных используется цифровой процессор. Это может быть простой микроконтроллер (MCU) или более сложный процессор цифровых сигналов (DSP), который может фильтровать и обрабатывать большие потоки данных, например видео.

Цифровые сигналы обычно используются в системах связи, где цифровая передача может передавать данные по каналам передачи «точка-точка» или «точка-многоточка», таким как медные провода, оптические волокна, средства беспроводной связи, носители данных или компьютерные шины. Передаваемые данные представлены в виде электромагнитного сигнала, например микроволнового, радиоволны, электрического напряжения или инфракрасного сигнала.

В общем, цифровые схемы легче спроектировать, но они часто стоят дороже, чем аналоговые схемы, предназначенные для тех же задач.

Каталог цифровых компонентов

MPS включает MP2886A, цифровой многофазный ШИМ-контроллер с интерфейсом PWM-VID, совместимый со спецификацией NVIDIA Open VReg.

Преобразование аналогово-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) сигнала

Многие системы должны обрабатывать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Во многих системах связи принято использовать аналоговый сигнал, который действует как интерфейс для среды передачи для передачи и приема информации.Эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, которые фильтруют, обрабатывают и сохраняют информацию.

На рисунке 5 показана общая архитектура, в которой аналоговый РЧ-интерфейс (AFE) состоит из всех аналоговых блоков для усиления, фильтрации и усиления аналогового сигнала. Между тем, секция процессора цифровых сигналов (DSP) фильтрует и обрабатывает информацию. Для преобразования сигналов из аналоговой подсистемы в цифровую подсистему в тракте приема (RX) используется аналого-цифровой преобразователь (ADC).Для преобразования сигналов из цифровой подсистемы в аналоговую подсистему в тракте передачи (TX) используется цифро-аналоговый преобразователь (DAC).

Рисунок 5: Система связи с аналоговыми и цифровыми подсистемами

Цифровой сигнальный процессор (DSP) — это специализированный микропроцессорный чип, который выполняет операции цифровой обработки сигналов. DSP изготавливаются на интегральных схемах MOSFET и широко используются в обработке аудиосигналов, телекоммуникациях, цифровой обработке изображений, телевизионных продуктах высокой четкости, обычных бытовых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, и во многих других важных приложениях.

DSP используется для измерения, фильтрации или сжатия непрерывных реальных аналоговых сигналов. Выделенные DSP часто имеют более высокую энергоэффективность, что делает их пригодными в портативных устройствах из-за ограничений по энергопотреблению. Большинство микропроцессоров общего назначения также могут выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Работа АЦП

Рисунок 6 показывает работу АЦП. На вход поступает аналоговый сигнал, который обрабатывается схемой удержания выборки (S / H) для создания приближенного цифрового представления сигнала.Амплитуда больше не имеет бесконечных значений и была «квантована» до дискретных значений в зависимости от разрешения АЦП. АЦП с более высоким разрешением будет иметь более мелкие размеры шага и более точно представлять входной аналоговый сигнал. Последний каскад АЦП кодирует оцифрованный сигнал в двоичный поток битов, который представляет амплитуду аналогового сигнала. Цифровой вывод теперь можно обрабатывать в цифровом формате.

Рисунок 6: Типичная архитектура АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой

Работа ЦАП

ЦАП обеспечивает обратную работу.Вход ЦАП представляет собой двоичный поток данных из цифровой подсистемы и выводит дискретное значение, которое аппроксимируется как аналоговый сигнал. По мере увеличения разрешения ЦАП выходной сигнал все больше приближается к истинному плавному и непрерывному аналоговому сигналу (см. Рисунок 7). Обычно в цепи аналогового сигнала есть постфильтр для дальнейшего сглаживания формы волны.

Рисунок 7: 6-разрядный ЦАП для цифро-аналогового преобразования сигнала

Как упоминалось ранее, многие системы, используемые сегодня, представляют собой «смешанные сигналы», что означает, что они полагаются как на аналоговые, так и на цифровые подсистемы.Эти решения требуют, чтобы АЦП и ЦАП преобразовывали информацию между двумя доменами.

Сравнение цифровых сигналов и аналоговых сигналов: преимущества и недостатки

Как и в большинстве инженерных тем, у аналоговых и цифровых сигналов есть свои плюсы и минусы. Конкретное приложение, требования к производительности, среда передачи и операционная среда могут определять, следует ли использовать аналоговую или цифровую сигнализацию (или их комбинацию).

Цифровые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования цифровых сигналов, включая цифровую обработку сигналов (DSP) и системы связи, включают следующее:

• Цифровые сигналы могут передавать информацию с меньшим шумом, искажениями и помехами.
• Цифровые схемы можно легко воспроизводить в массовых количествах при сравнительно небольших затратах.
• Цифровая обработка сигналов более гибкая, поскольку операции DSP можно изменять с помощью систем с цифровым программированием.
• Цифровая обработка сигналов более безопасна, поскольку цифровая информация может быть легко зашифрована и сжата.
• Цифровые системы более точны, и вероятность появления ошибок можно снизить за счет использования кодов обнаружения и исправления ошибок.
• Цифровые сигналы могут быть легко сохранены на любых магнитных или оптических носителях с использованием полупроводниковых микросхем.
• Цифровые сигналы могут передаваться на большие расстояния.

Недостатки использования цифровых сигналов, включая систему цифровой обработки сигналов (DSP) и системы связи, включают следующее:

• Для цифровой связи требуется более широкая полоса пропускания по сравнению с аналоговой передачей той же информации.
• DSP обрабатывает сигнал на высоких скоростях и содержит больше внутренних аппаратных ресурсов.Это приводит к более высокому рассеянию мощности по сравнению с обработкой аналогового сигнала, которая включает пассивные компоненты, потребляющие меньше энергии.
• Цифровые системы и обработка обычно более сложные.

Аналоговые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования аналоговых сигналов, включая системы обработки аналоговых сигналов (ASP) и связи, включают следующее:

• Аналоговые сигналы легче обрабатывать.
• Аналоговые сигналы лучше всего подходят для передачи аудио и видео.
• Аналоговые сигналы имеют гораздо более высокую плотность и могут предоставлять более точную информацию.
• Аналоговые сигналы используют меньшую полосу пропускания, чем цифровые сигналы.
• Аналоговые сигналы обеспечивают более точное представление изменений физических явлений, таких как звук, свет, температура, положение или давление.
• Аналоговые системы связи менее чувствительны с точки зрения электрических допусков.

Недостатки использования аналоговых сигналов, включая системы обработки аналоговых сигналов (ASP) и системы связи, включают следующее:

• Передача данных на большие расстояния может привести к нежелательным помехам сигнала.
• Аналоговые сигналы склонны к потере генерации.
• Аналоговые сигналы подвержены шумам и искажениям, в отличие от цифровых сигналов, которые имеют гораздо более высокую помехоустойчивость.
• Аналоговые сигналы обычно имеют более низкое качество, чем цифровые сигналы.

Аналоговые и цифровые сигналы: системы и приложения

В традиционных аудиосистемах и системах связи используются аналоговые сигналы. Однако с развитием технологий обработки кремния, возможностей цифровой обработки сигналов, алгоритмов кодирования и требований к шифрованию — в дополнение к увеличению эффективности использования полосы пропускания — многие из этих систем стали цифровыми.Они по-прежнему являются некоторыми приложениями, в которых аналоговые сигналы имеют устаревшее использование или преимущества. Большинство систем, которые взаимодействуют с реальными сигналами (такими как звук, свет, температура и давление), используют аналоговый интерфейс для захвата или передачи информации. Несколько приложений аналогового сигнала перечислены ниже:

• Запись и воспроизведение аудиозаписей
• Датчики температуры
• Датчики изображения
• Радиосигналы
• Телефоны
• Системы управления

MPS предлагает широкий ассортимент аналоговых компонентов, включая MP2322, MP8714, MP2145 и MP8712.

Хотя многие оригинальные системы связи использовали аналоговую сигнализацию (телефоны), современные технологии используют цифровые сигналы из-за их преимуществ в отношении помехоустойчивости, шифрования, эффективности использования полосы пропускания и возможности использования ретрансляторов для передачи на большие расстояния. Ниже перечислены несколько приложений для цифровых сигналов:

• Системы связи (широкополосная, сотовая)
• Сеть и передача данных
• Цифровые интерфейсы для программирования

Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше о цифровых компонентах MPS, таких как MP2886A, MP8847, MP8868, MP8869S и MP5416.

Заключение

В этой статье представлены некоторые основные концепции аналоговых и цифровых сигналов и их использование в электронике. У каждой технологии есть явные преимущества и недостатки, и знание потребностей вашего приложения и требований к производительности поможет вам определить, какой сигнал (ы) выбрать.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Управление электрическими сигналами в организме может помочь ему излечить

Крошечные заряды внутри человеческих клеток стимулируют развитие формы и структуры эмбриона.В разделе вопросов и ответов Майкл Левин говорит об использовании этих искр для исправления врожденных дефектов, борьбы с раком и восстановления тканей.

В начале девятнадцатого века природа электричества оставалась загадкой для ученых. Эксперименты той эпохи показали, что искра могла вызвать подергивание мускулов мертвой лягушки или даже вызвать конвульсии у человеческих трупов — сверхъестественная пища, которая, возможно, вдохновила Мэри Шелли на знаменитый роман Франкенштейн . Спустя более 200 лет все способы действия электричества в человеческом теле до сих пор полностью не изучены.Однако ясно, что электрические сигналы играют важную роль в раннем развитии организма.

Такие ученые, как Майкл Левин из Университета Тафтса, обнаружили, что клеточные заряды контролируют, как и где формируется структура в развивающемся эмбрионе. Что еще более удивительно, он обнаружил, что можно манипулировать формами тела, просто изменяя структуру напряжения его клеток.

Используя эту базовую технику, Левин и его коллеги успешно вырастили функционирующие третьи глаза на спинах головастиков.Они вызвали повреждение мозга у эмбрионов лягушки, заблокировав формирование ключевых нейронных структур, а затем отменили повреждение, изменив электрический заряд развивающихся клеток мозга. Хотя эта работа все еще носит экспериментальный характер, Левин считает, что она может оказать серьезное влияние на области медицины, биологии и биохимии. Он представляет себе, как однажды будет использоваться биоэлектричество, чтобы обратить вспять врожденные дефекты матки, вылечить рак или даже вырастить новые конечности у людей с ампутированными конечностями.

Левин, директор Центра открытий Аллена в Тафтсе и соавтор статьи в Ежегодном обзоре биомедицинской инженерии за 2017 год на тему , недавно беседовал с журналом Knowable Magazine о состоянии биоэлектрических исследований и своих мыслях по этому поводу. его перспективы на будущее.Этот разговор отредактирован для большей ясности.

Что на самом деле означает «электрический сигнал» в контексте биологии?

Что ж, в мембране, окружающей каждую клетку, есть встроенные белки, которые могут перемещать ионы — заряженные атомы — внутрь и из клетки. Такие вещи, как калий, хлорид, натрий, протоны и так далее. И неизбежно, если вы добавите больше заряженных ионов к одной стороне мембраны, вы создадите электрический потенциал на этой поверхности клетки.Это в основном то, что происходит с батареей, когда одна сторона батареи имеет другой уровень заряда, чем другой.

Оказывается, клетки действительно могут использовать эти заряды для связи. Эти сигналы действуют гораздо медленнее, чем импульсы, которые мы привыкли слышать в нервной системе — здесь вы говорите о миллисекундных временных масштабах для информационного потока, но в биоэлектричестве развития вы говорите о минутах или даже часах. Но в конечном итоге электрический потенциал между клетками может определять, как развиваются определенные ткани или структуры.

Как именно эти электрические сигналы влияют на развитие организма?

Биоэлектрические сигналы служат своего рода переключателем главного регулятора высокого уровня. Их пространственное распределение по тканям и интенсивность говорят области эмбриона: окей, ты будешь глазом, или мозгом определенного размера, или конечностью, или конечностью. вы идете в левую часть тела и тому подобное.

Вы действительно можете увидеть их формирование у эмбрионов лягушки.Например, электрически чувствительные красители обнаруживают узор, который мы называем «электрическим лицом» — электрические градиенты в ткани, которые лежат там, где позже будут формироваться все части лица. Это похоже на тонкий каркас для основных особенностей анатомии, в то время как многие локальные детали, кажется, заполняются другими процессами, которые могут включать или не включать биоэлектричество. Если вы измените эти электрические сигналы в развивающемся эмбрионе, это может существенно повлиять на то, как и где формируются его структуры.

Вы можете привести пример того, как это работает с конкретным органом?

Конечно. Одна из вещей, которые мы хотели изучить несколько лет назад, — это то, как трансплантированные клетки и ткани будут развиваться в чужой среде. Мы взяли раннюю структуру глаза у эмбриона одной лягушки и имплантировали ее на спину другого эмбриона. Нас интересовали две вещи: во-первых, сможет ли получатель видеть из этого имплантированного глаза на своей спине? Достаточно ли пластичен мозг, чтобы видеть сквозь него? Во-вторых, мы хотели знать, что эта структура глаза будет делать без мозга поблизости? Куда он будет подключаться и что будут делать нейроны?

Мы обнаружили, что когда вы имплантируете эту структуру в спину развивающегося головастика, клетки глаза создают функциональную сетчатку и зрительный нерв, которые как бы извиваются вокруг и пытаются соединиться где-то в спинном мозге.Но если вы снизите электрический потенциал клеток, окружающих имплант, структура глаза сойдет с ума и из нее вырастет огромное количество новых нервов.

Оказывается, возникающие нейроны могут считывать электрические сигналы ткани, на которой они сидят. Если клетки в этой ткани имеют поляризованный потенциал покоя — это означает, что они накопили отрицательные заряды внутри каждой клетки, — имплантированный глаз образует зрительный нерв, и это его конец. Но если они деполяризованы или имеют более низкий заряд, это дает нейронам сигнал к очень глубокому разрастанию.Мы думаем, что это пример клеток, считывающих электрическую топографию окружающей их среды и принимающих решения о росте на основе этой информации.

Значит, если вы измените биоэлектрические сигналы вокруг глазного имплантата, он перерастет в нервную систему головастика?

Да. Он не только превращается в полноценную структуру глаза, но и становится функциональным. Если удалить существующие глаза головастика, имплант позволит слепым животным видеть цвета и движущиеся формы.В нашем исследовании мы помещали ослепленных головастиков в неглубокую посуду наверху ЖК-монитора и гоняли за ними с маленькими черными треугольниками. Головастики постоянно плавали в ответ на движение треугольников. Мы не можем сказать, обладают ли они такой же остротой зрения, как у обычных головастиков, но они определенно могут видеть из этого нового имплантированного глаза.

Как вы можете управлять электрическим состоянием клетки или тканей?

Мы можем сделать это с помощью лекарств, которые нацелены на ионные каналы в клетках.Прямо сейчас около 20 процентов всех существующих лекарств — это препараты с ионным каналом, которые люди принимают от эпилепсии и других заболеваний, поэтому их нетрудно найти. В нашей лаборатории мы специально делаем коктейли с лекарствами, предназначенные для определенных участков тела. Например, если вы хотите нацелить напряжение кожи, мы могли бы использовать лекарство, которое открывает или закрывает ионные каналы, экспрессируемые исключительно в клетках кожи. Вы настраиваете коктейль из лекарств, чтобы вызвать разные реакции в разных частях тела.

Вы начали в этой области как ученый-компьютерщик.Вы видите параллели между кодированием для компьютера и настройкой электрических сигналов в биологических условиях?

Совершенно верно. На фундаментальном уровне я забочусь об обработке информации и алгоритмах в системе. Неважно, состоит эта система из кремния или живых клеток. На мой взгляд, я компьютерный ученый, но изучаю вычисления и обработку информации в живых средах.

Люди, имеющие образование в области информатики, понимают, что фундаментальным в информационных науках является не сам компьютер, а то, как он выполняет вычисления.Для выполнения вычислений можно использовать множество различных архитектур и очень разных видов процессов. Люди сделали компьютеры из странных жидкостей, слизистых форм и даже из муравьев. Поэтому я думаю, что одна из самых важных вещей, которым информатика может научить биологию, — это различие между программным обеспечением и оборудованием.

В биологии и химии «оборудование» тела — клетки и молекулы внутри него — это все. Но мы должны осознать тот факт, что эти особые виды оборудования на самом деле могут запускать множество различных программ.

Что вы подразумеваете под «программным обеспечением» в биологическом смысле?

«Программное обеспечение» в данном случае — это решения о том, как клетки взаимодействуют, чтобы создать определенную структуру или ткань. Это можно изменить. Вы можете взять плоских червей с одной головкой и, ненадолго изменив электрические сигналы в их клетках, заставить их запомнить новый паттерн с двумя головками. Несмотря на то, что у вас одинаковые червячные клетки, вы получаете другой результат. И такое различие между программным обеспечением и оборудованием станет действительно важным, поскольку мы будем решать большие проблемы регенеративной медицины и синтетической биологии в будущем.

Какое применение это может иметь в мире медицины?

Я много об этом думаю. Наиболее очевидные из них — это исправление врожденных дефектов. Если мы сможем понять биоэлектрическую сигнализацию и управлять ею, мы потенциально сможем исправить то, что идет не так, когда формируется эмбрион. Это один. Мы фактически вызвали некоторые врожденные дефекты у эмбрионов животных в лаборатории и вылечили их, изменив электрический потенциал определенных клеток.

Еще один борется с раком.В настоящее время проводится изрядное количество исследований биоэлектрических сигналов как причины и потенциального супрессора раковых клеток. Вы можете нормализовать определенные опухоли, подвергая их воздействию определенных препаратов, изменяющих их электрический потенциал. В зависимости от соединений, которые вы используете, вы можете выборочно воздействовать только на определенные типы клеток, например клетки опухоли, не затрагивая при этом окружающие ткани. Это практически готово для тестирования на моделях мышей.

Третье направление — восстановительная медицина.Если мы сможем использовать электрические сигналы, чтобы убедить ткани и органы расти после травмы, мы могли бы заменить целые структуры или органы для пациентов. Биоэлектричество дает вам отличный новый набор ручек управления, с помощью которых можно регулировать поведение клеток. Будет намного проще создавать подходящие биологические структуры, если мы поймем эти крупномасштабные регуляторы, такие как электрические сигналы.

Примечание редактора: эта статья была обновлена ​​10.08.18, чтобы отметить роль Левина как директора Центра открытий Аллена в Тафтсе и исправить опечатку в описании ионов в ячейке.Также было уточнено описание того, как головастики плавали в ответ на черные треугольники на ЖК-экране.

Эта статья была впервые опубликована в Knowable Magazine , независимом издании Annual Reviews. Подпишитесь на рассылку новостей.

Электрические сигналы, исходящие из глаза

Стр. Из

НАПЕЧАТАНО ИЗ ОНЛАЙН-СТИПЕНДИИ ОКСФОРДА (oxford.universitypressscholarship.com). (c) Авторские права Oxford University Press, 2021.Все права защищены. Отдельный пользователь может распечатать одну главу монографии в формате PDF в OSO для личного использования. дата: 24 ноября 2021 г.

Глава:

(стр.437) Глава 28. Электрические сигналы, исходящие в глазу

Источник:

Биоэлектромагнетизм

Автор (ы):

Яакко Мальмивуо

Издатель:

Oxford University Press

.10583 / 97003 DOIprof1950/979 .0028

В этой главе содержатся некоторые подробности, касающиеся электроокулограммы (ЭОГ), связанной с движением глаз, включая нистагм. Коллективное поведение всей сетчатки — это биоэлектрический генератор, который создает поле в проводнике окружающего объема. Это потенциальное поле обычно измеряется между электродом на роговице (типа контактных линз) и электродом сравнения на лбу. Записанный сигнал известен как электроретинограмма (ЭРГ). Его можно исследовать как для фундаментальных научных исследований, так и для клинических диагностических целей.Электроретинограмма обсуждается в этой главе в связи с электроокулограммой, чтобы проследить анатомическое разделение биоэлектромагнетизма. Конечно, более практично обсуждать все электрические сигналы, возникающие в глазу, после того, как будут представлены анатомия и физиология этого органа.

Ключевые слова: электрические сигналы, электроокулограмма, движение глаз, нистагм, сетчатка, электроретинограмма

Для получения доступа к полному тексту книг в рамках службы для стипендии

Oxford Online требуется подписка или покупка.Однако публичные пользователи могут свободно искать на сайте и просматривать аннотации и ключевые слова для каждой книги и главы.

Пожалуйста, подпишитесь или войдите для доступа к полному тексту.

Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этой книге, обратитесь к своему библиотекарю.

Для устранения неполадок, пожалуйста, проверьте наш FAQs , и если вы не можете найти там ответ, пожалуйста связаться с нами .

Электрическая система сердца

Обзор темы

Что контролирует время вашего сердцебиения?

Электрическая система вашего сердца контролирует время вашего сердцебиения, регулируя вашу:

• Частоту сердечных сокращений, то есть количество ударов вашего сердца в минуту.
• Сердечный ритм, который представляет собой синхронизированное насосное действие ваших четырех камер сердца.

Электрическая система вашего сердца должна поддерживать:

• Постоянную частоту сердечных сокращений от 60 до 100 ударов в минуту в состоянии покоя.Электрическая система сердца также увеличивает эту скорость, чтобы удовлетворить потребности вашего организма во время физической активности, и снижает ее во время сна.
• Упорядоченное сокращение предсердий и желудочков (это называется синусовым ритмом).

Посмотрите изображение сердца и его электрической системы.

Как работает электрическая система сердца?

Ваша сердечная мышца состоит из крошечных клеток. Электрическая система вашего сердца контролирует время вашего сердцебиения, посылая электрический сигнал через эти клетки.

Два разных типа клеток в вашем сердце позволяют электрическому сигналу контролировать ваше сердцебиение:

• Проводящие клетки передают электрический сигнал вашего сердца.
• Мышечные клетки позволяют камерам вашего сердца сокращаться, действие, запускаемое электрическим сигналом вашего сердца.

Электрический сигнал проходит через сеть проводящих клеток «путей», которые стимулируют ваши верхние камеры (предсердия) и нижние камеры (желудочки) сокращаться.Сигнал может перемещаться по этим путям посредством сложной реакции, которая позволяет каждой клетке активировать соседнюю клетку, стимулируя ее «передавать» электрический сигнал упорядоченным образом. Поскольку клетка за клеткой быстро передает электрический заряд, все сердце сокращается одним скоординированным движением, вызывая сердцебиение.

Электрический сигнал начинается в группе клеток в верхней части сердца, называемой синоатриальным (SA) узлом. Затем сигнал проходит через ваше сердце, вызывая сначала два ваших предсердия, а затем два желудочка.В здоровом сердце сигнал очень быстро проходит через сердце, позволяя камерам сокращаться плавно и упорядоченно.

Сердцебиение происходит следующим образом:

1. Узел SA (так называемый кардиостимулятор сердца) посылает электрический импульс.
2. Сужаются верхние камеры сердца (предсердия).
3. AV-узел посылает импульс в желудочки.
4. Нижние камеры сердца (желудочки) сокращаются или накачиваются.
5. Узел SA посылает еще один сигнал предсердию на сокращение, что снова запускает цикл.

Этот цикл электрического сигнала, за которым следует сокращение, составляет одно сердцебиение.

Узел SA и предсердия

Когда узел SA посылает электрический импульс, он запускает следующий процесс:

• Электрический сигнал проходит от узла SA через мышечные клетки в правом и левом предсердии.
• Сигнал запускает мышечные клетки, которые заставляют ваши предсердия сокращаться.
• Предсердия сокращаются, перекачивая кровь в левый и правый желудочки.

Атриовентрикулярный узел и желудочки

После того, как электрический сигнал заставил ваши предсердия сокращаться и перекачивать кровь в желудочки, электрический сигнал поступает в группу клеток в нижней части правого предсердия, которая называется атриовентрикулярным узлом или атриовентрикулярным узлом. Узел AV ненадолго замедляет электрический сигнал, давая желудочкам время принять кровь из предсердий.Затем электрический сигнал запускает ваши желудочки.

Когда электрический сигнал покидает АВ-узел, он запускает следующий процесс:

• Сигнал проходит вниз по пучку проводящих клеток, называемому пучком Гиса, который делит сигнал на две ветви: одна ветвь идет к левому желудочку. , другой правый желудочек.
• Эти две основные ветви делятся на систему проводящих волокон, которые распространяют сигнал через левый и правый желудочки, заставляя желудочки сокращаться.
• Когда желудочки сокращаются, ваш правый желудочек перекачивает кровь к вашим легким, а левый желудочек перекачивает кровь к остальной части вашего тела.

После сокращения предсердий и желудочков каждая часть системы электрически перезагружается.

Как электрическая система сердца регулирует частоту сердечных сокращений?

Клетки узла SA в верхней части сердца известны как кардиостимулятор сердца, потому что частота, с которой эти клетки посылают электрические сигналы, определяет частоту ударов всего сердца (частоту сердечных сокращений).

Нормальная частота пульса в состоянии покоя колеблется от 60 до 100 ударов в минуту. Ваша частота пульса может повышаться или понижаться в зависимости от потребностей вашего тела.

Что заставляет ваш пульс учащаться или замедляться?

Ваш мозг и другие части вашего тела посылают сигналы, побуждающие ваше сердце биться быстрее или медленнее. Хотя способ взаимодействия всех химических сигналов, влияющих на частоту сердечных сокращений, сложен, в конечном итоге эти сигналы говорят узлу SA запускать заряды в более быстром или медленном темпе, что приводит к более быстрому или более медленному сердцебиению.

Например, во время тренировок, когда организму требуется больше кислорода для функционирования, сигналы от вашего тела заставляют ваш пульс значительно увеличиваться, чтобы доставить больше крови (и, следовательно, больше кислорода) в тело. Ваша частота сердечных сокращений может превышать 100 ударов в минуту, чтобы удовлетворить повышенные потребности вашего организма во время физических нагрузок.

Точно так же в периоды отдыха или сна, когда организму требуется меньше кислорода, частота сердечных сокращений уменьшается. У некоторых спортсменов нормальная частота сердечных сокращений значительно ниже 60, потому что их сердца очень эффективны и им не нужно биться так быстро.Таким образом, изменения частоты сердечных сокращений — это нормальная часть усилий вашего сердца по удовлетворению потребностей своего тела.

Как ваше тело контролирует частоту сердечных сокращений?

Ваше тело контролирует ваше сердце посредством:

• Симпатической и парасимпатической нервных систем, нервные окончания которых находятся в сердце.
• Гормоны, такие как адреналин и норадреналин (катехоламины), циркулирующие в кровотоке.

Симпатическая и парасимпатическая нервные системы

Симпатическая и парасимпатическая нервные системы представляют собой противодействующие силы, влияющие на частоту сердечных сокращений.Обе системы состоят из крошечных нервов, идущих от головного или спинного мозга к сердцу. Симпатическая нервная система срабатывает во время стресса или потребности в увеличении сердечного выброса и посылает сигналы в ваше сердце, чтобы увеличить его частоту. Парасимпатическая система активна в периоды покоя и посылает сигналы сердцу, чтобы уменьшить его частоту.

Катехоламины

Во время стресса или потребности в увеличении сердечного выброса надпочечники выделяют гормон, называемый норадреналином, в кровоток, в то время как симпатическая нервная система также активируется, чтобы увеличить частоту сердечных сокращений.Этот гормон заставляет сердце биться быстрее, и в отличие от симпатической нервной системы, которая посылает мгновенный и кратковременный сигнал, норэпинефрин, попадающий в кровоток, увеличивает частоту сердечных сокращений на несколько минут или более.

Нейроны, синапсы, потенциалы действия и нейротрансмиссия

Вернуться на СТРАНИЦУ МОДУЛЯ

Нейроны, синапсы, потенциалы действия и нейротрансмиссия

Роберт Стаффлбим: Автор, художник и аниматор

Функции нейронов

Центральный нервная система [ЦНС] полностью состоит из двух видов специализированных ячеек: нейроны и глии .Следовательно, каждая система обработки информации в ЦНС состоит из нейронов и глии; так же как и сети , которые составлять системы (и карты). Ясно, что без этих двух типов ячеек ЦНС не сможет делать то, что делает (а это все, что нужно делать с нашим разумом и как мы двигаемся нашим телом). Но что делают нейроны и глия сами делаете? Каковы их функции?

Нейроны основные структуры обработки информации в ЦНС.Все происходящее выше уровень нейронов квалифицируется как обработка информации тоже. Но ничего не делает ниже уровня нейронов. Мы проигнорируем что это представление, называемое нейроном доктрина несколько спорно. Что не вызывает сомнений, так это то, что функция нейрона должен получать INPUT «информацию» от других нейроны, чтобы обработать эту информацию, а затем послать «информацию» как ВЫХОД на другие нейроны.(Синапсы — это связи между нейронами, через которые «информация» перетекает от одного нейрона к другому.) Следовательно, нейроны обрабатывают всю «информацию», которая течет внутри, в или из ЦНС. Все это! Вся информация о моторе через которые мы можем двигаться; вся сенсорная информация через которые мы можем видеть, слышать, обонять, ощущать вкус и трогать; и, конечно же, когнитивных данных, которые мы можем рассуждать, думать, мечтать, планировать, помнить, и делать все остальное, что мы делаем с умом.Обработка так много видов информации требует много типов нейронов; может быть столько, сколько 10 000 их видов. Обработка так требует много информации много нейронов. Как много? Что ж, «наилучшие оценки» указывают на то, что есть только в головном мозге насчитывается около 200 миллиардов нейронов! И поскольку каждый из них нейроны связаны от 5000 до 200000 других нейронов, количество способов передачи информации между нейронами головного мозга настолько велик, что больше, чем количество звезд во всей Вселенной!

Пока мы рассматриваем цифры, стоит отметить что глии в 50 раз больше, чем на глии, чем нейронов в нашем CNS! Глия (или глиал клетки) — это клетки, которые обеспечивают поддержку нейронов.В примерно так же, как фундамент, каркас, стены и крыша дом доказывает структуру, через которую проходят различные электрические, кабельные и телефонные линии, а также различные трубы для водоснабжения и канализации, не только обеспечивает ли глия структурную основу, которая позволяет сетям нейронов чтобы оставаться на связи, они также занимаются различными домашними делами мозга. функции (например, удаление обломков после гибели нейронов).

Потому что наш главный интерес заключается в изучении того, как информация обработка происходит в мозгу, мы проигнорируем глию. Но прежде мы видим, как нейроны обрабатывают информацию (и что это значит), вам нужно знать кое-что о структуре нейронов.

Строение нейронов

Хотя существует целых 10 000 конкретных типов нейроны в человеческом мозгу, вообще говоря, бывают трех видов нейронов: моторных нейронов (для передачи моторной информации), сенсорных нейронов (для передачи сенсорной информации) и интернейронов, (которые передают информация между разными типами нейронов).Следующее изображение определяет, как нейроны бывают разных форм и размеров. (Он основан по рисункам Кахала.)

А «типичный» нейрон состоит из четырех отдельных частей (или областей). Первая часть — это ячейка тело (или сома). Это не только метаболический «центр управления» нейроном, он же его «производственный» и перерабатывающее предприятие ». (Например, в теле клетки нейронные синтезируются белки.) Вторая и третья части — это отростки — структуры, отходящие от клетки. тело. Вообще говоря, функция процесса — быть проводником через который сигналы текут к телу клетки или от него. Входящие сигналы от других нейроны (как правило) поступают через его дендриты. Исходящий сигнал к другим нейронам течет по его аксон. Нейрон может иметь много тысяч дендритов, но у него будет только один аксон. Четвертая отдельная часть нейрона находится на конце аксона, аксоне. терминалы.Это структуры, которые содержат нейротрансмиттеры. Нейротрансмиттеры — это химическая среда, через которую сигналы проходят от одного нейрона к следующий в химических синапсах.

Нейронная сигнализация

Для поддержки общей функции нервной системы нейроны имеют развил уникальные возможности для внутриклеточной сигнализации (связь внутри клетки) и межклеточная передача сигналов (связь между ячейками).Для достижения больших расстояний и быстрой связи нейроны развили особые способности посылать электрические сигналы (действие потенциалы) вдоль аксонов. Этот механизм, называемый проводимостью, это то, как тело клетки нейрона связывается со своими собственными терминалами через аксон. Связь между нейронами достигается в синапсах за счет процесс нейротрансмиссии.

Проводимость

Кому начать проведение, действие потенциал генерируется около ячейки часть тела аксона.Потенциал действия — это очень электрический сигнал. очень похоже на электрические сигналы в электронных устройствах. Но в то время как электрический сигнал в электронном устройстве возникает из-за движения электронов вдоль провода электрический сигнал в нейроне возникает, потому что ионы движутся через нейрональная мембрана. Ионы ар электрически заряженные частицы. В Белковая мембрана нейрона действует как барьер для ионов. Ионы перемещаются мембрана через ионные каналы, которые открываются и закрываются из-за присутствия нейромедиатора.Когда концентрация ионов внутри нейрона изменяется, электрическая изменяется свойство самой мембраны. В норме мембранный потенциал напряжения нейрона составляет -70 милливольт (и мембрана считается поляризованной). Приток и отток ионов (через ионные каналы во время нейротрансмиссии) сделает внутреннюю часть целевого нейрона более положительной (следовательно, деполяризованной). Когда эта деполяризация достигает точки невозврата, называемой порогом, генерируется сильный электрический сигнал.Это потенциал действия. Как это сгенерировано, как показано на следующей анимации.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЙ

Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Этот сигнал затем распространяется вдоль аксона (и не, скажем, обратно к его дендритам), пока он не достигнет своих окончаний аксона. An потенциал действия перемещается по аксону быстро, перемещаясь со скоростью до 150 метров (или примерно 500 футов) в секунду.Проведение заканчивается на окончаниях аксона. Терминалы аксонов — это то место, где начинается нейротрансмиссия. Следовательно, именно на терминалах аксона нейрон отправляет свой ВЫХОД. другие нейроны. На электрическом синапсов, ВЫХОДОМ будет сам электрический сигнал. На химическом синапсов, ВЫХОД будет нейротрансмиттером.

Нейротрансмиссия

нейротрансмиссии (или синаптических передача ) — это связь между нейронами, осуществляемая посредством движение химических веществ или электрических сигналов через синапс.Для любой интернейрон, его функция — получать ВХОД «информация» от других нейронов через синапсы для обработки эту информацию, затем отправить «информацию» как ВЫХОД другим нейроны через синапсы . Следовательно, интернейрон не может выполнять его функция, если он не связан с другими нейронами в сети. Сеть нейронов (или нейронных сеть) — это просто группа нейронов, через которую течет информация от один нейрон к другому.На изображении ниже представлена ​​нейронная сеть. «Информационные» потоки между синими нейронами через электрические синапсы. «Информационные» потоки от желтого нейрона A , через синий нейрон B , к розовому нейрону C через химический синапсы.

Следующая анимация иллюстрирует разницу между этими двумя типами синапсов.

СИНАПСЫ

Ваш браузер не поддерживает видео тег.

На электрическом синапсы, два нейрона физически связаны друг с другом через щелевые соединения. Щелевые соединения позволяют изменять электрические свойства одного нейрона. воздействуют на другой, и наоборот, поэтому два нейрона по существу ведут себя как один. Электрические нейротрансмиссия есть связь между двумя нейронами в электрических синапсах. Как это происходит более подробно рассматривается в следующей анимации.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НЕЙРОТРАНСМИССИЯ

Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Химическая промышленность нейротрансмиссия происходит в химических синапсах. В химической нейротрансмиссии, пресинаптический нейрон и постсинаптический нейрон являются разделены небольшой щелью — синаптической расщелина. Синаптическая щель заполнена внеклеточными жидкость (жидкость, омывающая все клетки мозга).Хотя очень маленький, обычно порядка нескольких нанометров (миллиардной метра), синаптическая щель создает физический барьер для электрического сигнала, передаваемого одним нейроном для передачи другому нейрону. С точки зрения электричества, синаптическая щель считается «коротким замыканием» в электрическом схема. Функция нейромедиатора: чтобы преодолеть это короткое замыкание. Это делает это, действуя как химический посланник, тем самым связывая действие потенциал одного нейрона с синаптическим потенциалом в другом.Как это происходит показано на следующей анимации.

КЛАССИЧЕСКАЯ ХИМИЧЕСКАЯ НЕЙРОТРАНСМИССИЯ

Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Грязные электрические сигналы | Успешное земледелие

Наверное, нет человека, которому не нравилась бы чистая одежда, чистая кровать и чистая вода. Вам также будет сложно найти фермера, который не стремится к чистым полям и чистому зерну, отправляемому в мусорное ведро.

Но как насчет чистой электроэнергии, поступающей из генератора вашего оборудования в бортовую электронику? Я не говорю о тракторе на солнечной или ветровой энергии, а о чистоте электроэнергии, создаваемой и передаваемой транспортным средством.

Термин чистый описывает электричество, которое не подвержено колебаниям напряжения, является надлежащим напряжением и не имеет колебаний частоты и скачков напряжения. Успех современного производственного сельского хозяйства основан на современной электронике в системах управления двигателями, комбайнах, опрыскивателях, зерносушилках и ирригационных системах.

Схема такого оборудования рассчитана на правильную работу с качественной электроэнергией. Если вводится грязная энергия, это будет ничем не отличаться от подачи грязного топлива в двигатель.

Если подаваемая мощность не соответствует потребностям цепи, она может выйти из строя, преждевременно выйти из строя или иметь необъяснимые показания или реакцию.

Поскольку генератор переменного тока является источником электричества для любой машины, наибольшая вероятность появления грязных выходов начинается именно там.

В то время как генератор вырабатывает постоянный ток (DC), внутренний выход генератора переменного тока — это переменный ток (AC). Проблема в том, что машины по большей части работают от постоянного тока.

Сигнал переменного тока представляет собой синусоидальную волну и чередуется между положительными и отрицательными сигналами, в то время как сигнал постоянного тока представляет собой прямую линию.

В генераторе используются диоды, которые можно рассматривать как обратные клапаны с обратным ходом. Назначение диода — прерывать сигнал переменного тока и для наших целей использовать только ту часть выхода, которая находится на положительной стороне перехода через нуль (где меняется полярность).Это можно сравнить с комбайном, который выплевывает солому сзади и кладет чистое зерно в бункер.

Подробнее: Советы по настройке дизеля

Последствия неисправного диода

Слабый или неисправный диод может создать две проблемы: либо выходное напряжение будет слишком низким, либо его частота изменится. Обе проблемы способствуют возникновению электрических шумов.

Думайте об этом как об электрической версии двигателя с ритмичными пропусками зажигания, которые лопаются в выхлопной трубе.Если диод полностью выходит из строя, выходная мощность генератора будет низкой. Электрический сигнал будет загрязнен, и, в зависимости от его функции в отношении прерывания сигнала, аккумулятор может питаться обратно и разряжаться, когда машина выключена.

Часто слабый или неисправный диод может пропускать ток в обе стороны, когда он достигает определенной температуры или электрическая нагрузка на него выше. Это важно помнить, если проблема возникает при определенных условиях эксплуатации машины. Признание этого облегчит диагностику.

Подробнее: Амортизация косилки с нулевым поворотом

Компоненты старения

Хотя генератор имеет наибольшую вероятность создания шума, это не единственный компонент, вызывающий эту проблему. Часто упускаемый из виду аспект электрических цепей, компонентов, соленоидов и реле заключается в том, что с возрастом они становятся слабее и могут протекать. В этом обсуждении мы будем касаться только утечки электричества.

Вопреки общепринятому мнению, утечка электричества не определяет оголенный провод.Это провод или компонент, который позволяет магнитным волнам, возникающим при прохождении тока, уйти. Это называется EMI или электродвижущими помехами.

Это особенно проблематично, когда оборудование стареет, а изоляция проводов становится сухой и пористой. То же самое происходит с пластиковым корпусом, обычным для соленоидов и реле. Чтобы напряжение стало грязным или возникло электромагнитное излучение, протекающие цепи должны находиться рядом с другой протекающей цепью.Затем более сильный сигнал электромагнитных помех проникает через протекающий провод, который имеет более слабый сигнал, и вызовет хаос.

Когда соленоид или реле, которое является электромагнитом, отключается (разряжается), разрушение внутренних обмоток возбуждения действует как мини-катушка зажигания. По этой причине многие схемы, в которых используется электромагнит (например, муфта компрессора кондиционера), включают диод в проводку. Этот диод предотвращает возврат всплеска разряда в электрическую систему и создание всплеска.Помните, что протекающий провод или компонент отличается от грязного выхода генератора. В этом случае сигнал чистый, но он загрязнен перекрестными помехами от поврежденного провода или детали.

Подробнее: Насадки для обработки почвы для максимальной урожайности

Диагностика грязного контура

Другой аспект напряжения постоянного тока состоит в том, что у него есть только одна цель: добраться до земли. Если где-то на машине есть слабая цепь заземления, то, по сути, пробка из электродов лишена своего желания найти заземление и будет делать все необходимое для этого.Это может привести к загрязнению цепи, и очень возможно, что она даже не подключена к плохому заземлению.

Первым шагом в диагностике является подозрение на грязное питание в усовершенствованной электронике или в электронике со сложной схемой (даже радио), которая демонстрирует странное или прерывистое поведение. Примером может быть монитор, который внезапно мигает или сбрасывается, или система автоматического рулевого управления, которая самоотменяется без причины.

Очень распространенная ошибка как новичков, так и опытных диагностов — это попытаться объяснить, куда пойдет электричество.EMI выберет маршрут и повлияет на схемы, которые полностью отделены от его источника. Нет никакой логики, которую вы можете применить к этому, кроме подозрения в грязной силе.

Теперь вам нужно квалифицироваться, когда событие произойдет. Происходит ли это при включении кондиционера, фар или любой другой сильноточной нагрузки? Кажется, это происходит при определенной температуре воздуха или двигателя? Если вы сможете определить, когда происходит событие, поиск источника станет намного проще.

Подробнее: Среднеразмерный Kawasaki Mule Pro-MX впечатляет своим 695-кубовым двигателем

Примените логику к проблеме

На первый взгляд, усилия могут показаться непосильными из-за сложности современного оборудования.Просто проявите настойчивость и примените некоторую логику к проблеме.

Допустим, проблема возникает с датчиком урожайности на комбайне, когда вы включаете все фары. Рядом с фарами в верхней части кабины может быть протекающий провод. Возможно, утечка влияет на монитор урожайности. Тем не менее, эта вероятность не так велика, если учесть, что никакие другие провода, идущие к монитору урожайности, не проходят в непосредственной близости от источников света.

Электромагнитные помехи, загрязняющие напряжение в большинстве, но не во всех экземплярах, могут распространяться только на определенное расстояние.На примере монитора урожайности комбайна сначала перейдите к наиболее вероятному источнику проблемы, которым может быть генератор и жгуты проводов, которые проходят рядом с ним. С диодами может быть все в порядке. Возможно, просто стареет проводка и немного нарушена целостность изоляции. В таком случае достаточно просто схватить привязь и слегка изменить ее положение, чтобы отодвинуть от возможного источника электромагнитных помех.

Если вы можете воспроизвести проблему в магазине, попробуйте запустить двигатель, отключив провода цепи возбуждения от генератора.Если это современный электронный двигатель, вам понадобится подключенное зарядное устройство.

Инженеры-электрики скажут вам, что правильный способ проверить наличие грязного напряжения — это использовать осциллограф. Поскольку у большинства фермеров нет осциллографа, если вы последуете приведенным здесь советам, есть хороший шанс убедиться и выяснить, почему цепь грязная, но не слишком удобно. По мере того как к сельскохозяйственному оборудованию добавляется все больше электроники, осциллограф станет таким же важным инструментом в фермерском магазине, как и храповик!

»Как быстро электрические сигналы распространяются в клетках?

Как быстро электрические сигналы распространяются в клетках?

Режим чтения

Рисунок 1: 1719 рисунков нервных клеток Антуана ван Левенгука в письме другу.На рисунке слева показан продольный вид нервов, а на рисунке справа показано поперечное сечение центрального нерва, окруженного пятью другими (обозначенными буквой «G»). (Адаптировано из: F. Lopez-Munoz et al., Brain Res. Bul. 70: 391, 2006.)

Нервные клетки являются одними из самых узнаваемых типов клеток человека, отмеченных не только своими огромными размерами по сравнению со многими их клеточными аналогами, но и своей уникальной формой, о чем свидетельствуют их извилистые и удлиненные структуры.Уже на заре микроскопии пионеры биологии нашли эти клетки увлекательным объектом изучения, и ван Левенгук размышлял: «Часто и не без удовольствия я наблюдал, что структура нервов состоит из очень тонких сосудов неописуемой толщины. , идущий в длину, чтобы сформировать нерв ». На рис. 1 приведены несколько примеров рисунков, сделанных ван Левенгук в результате его наблюдений с помощью первого микроскопа. Тайна нервных клеток выходит за рамки их интригующей морфологии в результате их связи с электрической проводимостью и действием мышц.В знаменитых экспериментах, подобных тем, которые показаны на рисунке 2, Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы мертвых лягушек можно стимулировать к подергиванию с помощью электрического шока. Эта работа заложила основу для нескольких столетий работы над животным электричеством, кульминацией которой стали наши современные представления о потенциале клеточной мембраны и распространении потенциалов действия. Эти идеи теперь служат клеточной основой современной нейробиологии.

Рисунок 2: Эксперименты Луиджи Гальвани по электростимуляции подергивания мышц.Используя мертвую лягушку, Гальвани обнаружил, что он может использовать электрический ток, чтобы вызвать подергивание мышц, подтверждая идею о том, что нервные импульсы имеют электрическую природу. Рисунок адаптирован из книги Гальвани De Viribus Electricitatis in Motu Musculari (1792).

Рисунок 3: Измерения Германа фон Гельмгольца по распространению нервных импульсов. Схема аппарата, использованного Гельмгольцем в своих измерениях. Стимулированный нерв использовали для подъема веса, показанного в нижней части устройства.(По материалам Helmholtz H [1850] Archiv fur Anatomie, physologie und wissenschaftliche Medicin MPIWG: 2AT3G7QD. Предоставлено Институтом истории науки Макса Планка.)

В середине ^– века механизм нервных импульсов был до сих пор горячо оспаривается с совершенно разными конкурирующими механистическими гипотезами, подобными ранним представлениям о движениях телесных жидкостей, таких как кровь. Подобно тому, как измерения потока крови Харви в значительной степени разрешили дискуссию о механизме кровообращения, аналогичная ситуация развернулась в контексте нервных импульсов.Одним из ключевых измерений, проложивших путь к современному пониманию электрической коммуникации в нервных клетках, было измерение Германом фон Гельмгольцем скорости распространения таких импульсов. Аппарат, который он использовал для таких измерений, показан на рисунке 3. Гельмгольц говорит нам: «Я обнаружил, что существует измеримый период времени, в течение которого действует стимул, состоящий из кратковременного электрического тока, приложенного к подвздошному сплетению лягушки. передается на икроножные мышцы у входа в голеностопный нерв.В случае крупных лягушек с нервами длиной 50-60 мм этот период времени составлял от 0,0014 до 0,0020 секунды ». Если мы используем его значения 50 мм в качестве расстояния распространения и 1,5 мс в качестве времени распространения, это приводит к оценке 30 м / с для скорости распространения нервного импульса. Это значение очень выгодно отличается от современных значений 7-40 м / с для лягушек, в зависимости от диаметра аксонов (BNID 110597, 110594). Измерение Гельмгольцем скорости нервных импульсов было неразрывно связано с механизмом.В частности, это помогло развеять прежние представления, согласно которым распространению нервных импульсов приписывались всевозможные мистические свойства, в том числе те, которые предполагали мгновенную связь между различными частями одной и той же клетки. Без измерения конечной скорости представления о том, как это работает, оставались запутанными.

Рисунок 4: Измерение распространения нервного импульса. (По материалам A. F. Huxley and R. Stampfli, J. Physiol. 108: 315, 1949.)

За прошедшее с тех пор время многочисленные измерения подтвердили и расширили ранние идеи Гельмгольца с широким диапазоном скоростей распространения от менее метра в секунду до более ста метров в секунду (самые быстрые измерения в гигантское волокно креветок со значением, превышающим половину скорости звука! (BNID 110502, 110597).На рисунке 4 показаны результаты одного из этих классических исследований. Определение механистических основ изменчивости скорости нервных импульсов было одной из задач современной нейрофизиологии и привело к пониманию того, как размер и анатомия данного нейрона определяют скорость распространения потенциала действия. Важным открытием, которое потребовало более подробных исследований проведения нервных импульсов, было осознание того, что скорость распространения зависит как от клеточной анатомии рассматриваемого нейрона, например, от наличия у него миелиновой оболочки (увеличивающей скорость распространения в несколько раз), так и от от толщины нерва (скорость распространения пропорциональна диаметру миелинизированных нейронов и пропорциональна площади немиелинизированных нейронов).

Ранняя работа Эрлангера и Гассера по проведению импульсов по периферическим волокнам, за которую они разделили Нобелевскую премию в 1942 году, продемонстрировала замечательную взаимосвязь между скоростью проводимости аксонов и типом нейрона и, следовательно, информацией, которую они передают. Самые большие моторные волокна (13-20 мкм, проводящие со скоростью 80-120 м / с) иннервируют экстрафузионные волокна скелетных мышц, а более мелкие моторные волокна (5-8 мкм, проводящие со скоростью 4-24 м / с) иннервируют интрафузальные мышечные волокна.Самые большие сенсорные волокна (13-20 мкм) иннервируют мышечные веретена и органы сухожилия Гольджи, передавая бессознательную проприоцептивную информацию. Следующие по величине сенсорные волокна (6–12 мкм) передают информацию от механорецепторов в коже, а самые маленькие миелинизированные волокна (1–5 мкм) передают информацию от свободных нервных окончаний в коже, а также от рецепторов боли и холода.

Рис. 5: Оптическое измерение скорости потенциала действия. (A) Серия изображений флуоресценции клетки как функции времени.(B) Серия равноотстоящих (15 мкм) точек измерения по трем различным процессам используется для измерения времени прихода распространяющегося потенциала действия. (C) Время прибытия для трех процессов, показанных в части (B). Например, для потенциала действия, распространяющегося по волокну, отмеченному красными прямоугольниками, сигнал приходит с временной задержкой примерно 0,05 мс от одной точки измерения к другой. Скорость потенциала действия можно считать по графику обычным способом, разделив пройденное расстояние на прошедшее время.Обратите внимание, что из-за технических ограничений это немиелинизированные нейронные клетки, и поэтому скорость их распространения намного ниже, чем in vivo. (Рисунок любезно предоставлен Дэниелом Хохбаумом и Адамом Коэном.)

Одним из прекрасных результатов недавних флуоресцентных методов является изобретение генетически закодированных репортеров напряжения. Эти молекулярные зонды имеют разную флуоресценцию в зависимости от напряжения на мембране. Впечатляющим применением этих методов стало наблюдение в реальном времени за распространением нервных импульсов.В частности, считывание прохождения такого импульса происходит из кратковременного изменения флуоресценции вдоль нейрона. Пример этого метода показан на рисунке 5. Мы отмечаем эти альтернативные методы из-за того, что мы придаем большое значение возможности измерять одно и то же количество разными способами, особенно для того, чтобы убедиться, что они дают согласованные значения.

Можем ли мы связать сообщаемые скорости потенциала действия у людей 10–100 м / с (BNID 110594) с нашими пределами реакции человека? С момента выстрела из стартового пистолета в 100-метровом рывке до активации мышц стоп должен был пройти не менее одного метра распространения импульса.Это требует задержки в 10–100 мс даже без учета всех других задержек, таких как обработка, происходящая в мозгу, и время распространения из-за конечной скорости звука в воздухе. Действительно, в беге на 100 м лучшие спортсмены имеют время отклика примерно 120 мс (BNID 111450), а все, что меньше 100 мс, фактически дисквалифицируется как фальстарт в соответствии с обязательными правилами Международной ассоциации легкоатлетических федераций. Если бы скорость распространения нервных импульсов была значительно ниже, беговые гонки, футбольные матчи или даже большинство спортивных событий было бы гораздо менее интересным для просмотра.

No related posts.