2024/08/27 -en 16,878

Nem-szinusoid hullámformák: négyzet alakú, téglalap alakú és impulzusos hullámformák

Az elektronikus tervezés során az elektromos hullámformák generálása és kialakítása fontos feladatok, amelyek sok területen, beleértve a kommunikációs rendszereket és a digitális elektronikát is, használják.Ez a cikk három típusú hullámformát tárgyal: négyzet alakú hullámok, téglalap alakú hullámok és impulzusos hullámok, mindegyik egyedi tulajdonságokkal és felhasználással.A négyzethullámok szimmetria és az államok közötti gyors átmenetek teszik őket olyan hatékonysá az alkalmazások váltásában.A téglalap alakú hullámok rugalmassága hasznos olyan feladatokban, mint az impulzusszélesség-moduláció (PWM) és a jelfeldolgozás, ahol a hullámforma finomhangolása szükséges.Az impulzushullámok szabálytalanok és nem ismétlődőek, olyan helyzetekben, amikor az időzítési változásokat az információk küldésére használják.

Ez a cikk feltárja ezen hullámformák fizikai tulajdonságait, hogyan viselkednek a Fourier elemzésben, és gyakorlati felhasználásaikat.Ezeknek a részleteknek a megértése segít kiemelni, hogy mi különbözik az egyes hullámformákkal az elektronikus alkalmazásokban.Azt is megvizsgálja, hogy az egyes hullámformák hogyan generálnak, és az egyesek közös felhasználása, világosabb képet adva arról, hogy miként járulnak hozzá az elektronikus tervek javításához.

Katalógus

1. ábra: négyzethullámú forma

A négyzethullámok jellemzői

A négyzethullámok olyan hullámformák, amelyek gyorsan váltanak a két feszültségszint, az úgynevezett "magas" és a "alacsony" között.Ezek a változások azonnal megtörténnek, és éles eltolódást eredményeznek a két állam között.A valós rendszerekben azonban az olyan tényezők, mint az áramkör tulajdonságai, lelassítják az átmeneteket.A feszültség emelkedéséhez vagy eséshez szükséges időre emelkedési idő (felmegyés) és az esési idő (a lemenni).A tökéletes négyzethullám egyenlő időt tölt a magas és az alacsony állapotokban, kiegyensúlyozott hullámformát hozva létre.

A magas és az alacsony állapotokban eltöltött idő eltérhet, de a hullámot továbbra is négyzethullámnak tekintik.Ennek az egyensúlynak a megváltoztatása hasznos lehet a különböző feladatokhoz.Az időzítési pontossághoz hasonlóan azonban a kommunikációs rendszerekben, fontos a szimmetria megőrzése.Ezekben az esetekben extra tervezési módosításokra lehet szükség.

A téglalap alakú hullámok jellemzői

A téglalap alakú hullámok hasonlóak a négyzethullámokhoz, de egyenetlen magas és alacsony fázisúak, nagyobb rugalmasságot biztosítva számukra.Míg a négyzethullámok ugyanolyan magas és alacsony időtartamúak, a téglalap alakú hullámok lehetővé teszik, hogy ezeket az időket külön -külön állítsa be.Ez a téglalap alakú hullámokat hasznosabbá teszi olyan helyzetekben, amikor a négyzet alakú hullámok szigorú mintája nem szükséges.

A téglalap alakú hullámok egyik nagy előnye a rugalmasságuk.A magas és az alacsony idő beállításával az egyes impulzusok szélességét szabályozhatjuk, amely fontos az impulzusszélesség-modulációban (PWM).A PWM -et olyan dolgokban használják, mint a motorvezérlés, a kommunikáció és az energiarendszerek, ahol az időzítésnek pontosnak kell lennie.A téglalap alakú hullámok szintén nagyszerűek a jelfeldolgozásban és az időzítésben.Például a digitális elektronikában a téglalap alakú hullámok használhatók órajelként, állítható időzítéssel, hogy elősegítsék a rendszer különböző részeinek koordinálását.A téglalap alakú hullámok rugalmasabbak, mint a négyzethullámok, mivel szolgálati ciklusuk beállítható.

2. ábra: téglalap alakú hullámforma

Az impulzusos hullámok jellemzői

Az impulzusos hullámformák különböznek a periodikus hullámformáktól, mivel nincsenek szabályos, ismétlődő mintájuk.A periódusos hullámformák egy állandó ciklusban megismétlődnek, de az impulzusos hullámformák olyan reakcióként fordulnak elő, mint egy bizonyos feszültség elérése.Emiatt az impulzusos hullámformák a helyzettől függően eltérőek lehetnek.

Az impulzusos hullámformák egyik fontos dolga az, hogy formájuk és időzítésük megváltoztatásával információkat hordozhatnak.A periódusos hullámformák kiszámíthatók, de az impulzusos hullámformák valós időben beállíthatók, hogy különféle adatokat jelenítsenek meg.Mivel az impulzusos hullámformák különböző körülmények alapján változhatnak, ezek jó eszköz a komplex információk kezelésére.Az alkalmazkodási képességük gyorsan fontosvá teszi őket a gyors válaszok és a rugalmasság igénylésére szolgáló technológiák számára.

3. ábra: Pulzus hullámforma

Négyzet alakú, téglalap alakú és impulzusos hullámok hangja

Négyzethullámok: A négyzethullámok merész, éles hanggal rendelkeznek, amely kiemelkedik.Ezt az erős hangot hozzák létre, mert rengeteg furcsa harmonikájuk van, és zümmögő hangot adnak nekik.A hullám gyorsan változik a magas és az alacsony szint között, ami hangossá teszi "éles" és képes más hangokat átvágni egy keverékben.A négyzet alakú hullámokat az elektronikus zenében és a szintetizátorokban használják, mert mély basszus és éles, figyelemfelkeltő vezetékeket készíthetnek.

Téglalap alakú hullámok: A téglalap alakú hullámok rugalmasabbak, mint a négyzet alakú hullámok, mert megváltoztathatja hangjukat azáltal, hogy beállíthatja, mennyi ideig maradnak a "magas" helyzetben.Ha a magas eltöltött idő körülbelül fele, akkor úgy hangzik, mint a négyzet alakú hullámok, fényes és gazdag hangon.De ha a magas állapotban az idő rövidebb lesz, akkor a hang vékonyabbá és orraibbá válik.Ez a rugalmasság lehetővé teszi, hogy a téglalap alakú hullámok a hangok széles skáláját hozzák létre az erős és lyukas és a fény és az üreges hangoktól.

Pulzált hullámok: Az impulzusos hullámok gyors, éles hangot adnak, ami nagyszerűvé teszi őket ritmikus vagy rövid, ütőhangokhoz.Jól tudnak olyan gyors hangszalagot készíteni, mint a kattintások vagy a sípolás, és jól működnek a zenében, amely erős, ritmikus elemeket igényel.Az impulzusos hullámok gyors emelkedése és bukása agresszív érzést ad nekik, így gyakran használják a szintetizátorokhoz.

A négyzet alakú, téglalap alakú és impulzusos hullámok Fourier elemzése

Négyszöghullámok

A négyzethullám egy hullámforma, amely gyorsan átvált a magas és az alacsony érték között, egyenlő időt töltve minden szinten.A Fourier sorozat használatával kifejezhetjük azt, mint egy szinuszhullám összegét.Az A és a T periódusú négyzethullám esetében a Fourier sorozat:

Itt N csak a furcsa egész számokat képviseli, és a hullám gyakorisága.A sorozat a frekvenciával kezdődik (mikor ) és magában foglalja a magasabb páratlan harmonikát.Mindegyik egymást követő harmonikus amplitúdó csökken, a harmonikus szám fordítottjával.

4. ábra: Négyzethullámok Fourier sorozatban

Téglalap alakú hullámok

A téglalap alakú hullámok hasonlóak a négyzethullámokhoz, de a magas és az alacsony állapotokban eltöltött idő egyenlőtlen.Ebben az esetben a Fourier sorozatnak el kell számolnia a "vámciklus" D -t, amely az a periódus töredéke, amelyben a hullám magas állapotban marad.A téglalap alakú hullám Fourier sorozata:

Ez a képlet beállítja a magas és az alacsony állapotok különböző hosszait, beépítve a D -ciklust a szinuszhullám -összetevőkbe.

5. ábra: téglalap alakú hullámok Fourier sorozatban

Impulzusos hullámok

Az impulzusos hullámok vagy impulzusvonatok ismételt impulzusokból állnak, amelyeket intervallumok választanak el, ahol a jel nulla.Az impulzusvonatok Fourier -elemzése bonyolultabb, mivel az impulzusok alakjától és a közöttük lévő időzítéstől függ.A téglalap alakú impulzusok vonatának általános Fourier sorozata úgy néz ki:

Ebben a kifejezésben δ az egyes impulzusok szélessége, t az impulzusok közötti időszak, az impulzusvonat alapfrekvenciája.A funkció, amelyet úgy definiáltak , leírja, hogy az impulzus alak hogyan befolyásolja a frekvenciakomponenseket.

6. ábra: Az impulzusvonatok Fourier elemzése

Elektromos hullámformák példái

Négyszöghullám

A négyzethullám az egyik legegyszerűbb típusú hullámformák.Két szint között váltakozik, a magas és az alacsony, az egyes állapotokban azonos mennyiségű időt tölt el.Ezt az egyenlő osztályt 50% -os szolgálati ciklusnak nevezzük.

Íme, mit jelent ez:

• A hullám egy bizonyos ideig (magas szintű) marad "be".

• Ezután egyenlő ideig (alacsony szinten) marad "ki".

Például, ha az impulzusszélesség 10 milliszekundum (ms) mind az "ON", mind a "OFF" állapotok esetében, akkor egy teljes ciklus (egy periódus) teljes ideje a következő:

A hullám gyakorisága megmutatja nekünk, hogy hány ciklus történik másodpercenként.A frekvencia megtalálásához használja a képletet:

Ebben az esetben:

Tehát a hullám másodpercenként 50 -szer ismétlődik.

7. ábra: 3 fázisú feszültségforrás-inverter négyzethullám kimenetével

Téglalap alakú hullám

Most fedezzük fel a téglalap alakú hullámformákat, amelyek hasonlóak a négyzethullámokhoz, de nincs egyenlő be- és kikapcsolási idő.Az idő, amikor a jel magas marad, pozitív impulzusszélességnek nevezzük, és az idő és a teljes periódus arányát kötelező ciklusnak nevezzük.

Ha a pozitív impulzusszélesség 10 ms, de a vámciklus 25%, ez azt jelenti, hogy a hullám "be" a teljes ciklus csak 25% -ánál van.

A teljes periódus megtalálásához ossza meg a pozitív impulzusszélességet a vámciklusra:

A frekvencia megtalálásához használja ugyanazt a képletet, mint korábban:

Tehát ez a hullámforma másodpercenként 25 -szer megismétlődik, amikor a "On" idő rövidebb, mint a "ki" idő.

A négyzet alakú hullámok, a téglalap alakú hullámok és az impulzusos hullámformák összehasonlítása

Jellegzetes	Négyszöghullámok	Téglalap alakú hullámok	Impulzusos hullámformák
Alak	Szimmetrikus, egyenlő magas és alacsony idő	Aszimmetrikus, változó üzemi ciklus	Éles, hirtelen, különböző szélességű impulzusok
Amplitúdó	Állandó	Állandó	Állandó
Frekvencia	Javítva az alkalmazás alapján	Állítható	Alacsonyabb, mint az alapfrekvencia
Impulzus Szélesség	A periódus fele (50% -os szolgálati cikluson)	Az üzemi ciklustól függ	Nagyon rövid vagy közepes, meghatározza az impulzust
Ismétlés Arány	A frekvencia határoz meg	A frekvencia határoz meg	Alacsony vagy nagyon magas
Vám Ciklus	50% (rögzített)	Bármilyen százalék, nem 50%	Nagyon változó, kevesebb, mint 50%
Harmonikus Tartalom	Gazdag a páratlan harmonikában	Gazdag a harmonikusokban	Az impulzus alakjától és szélességétől függően
Generáció Módszer	Oszcillátorok, flip-flopok	Állítható oszcillátorok, jelgenerátorok	Impulzusgenerátorok, speciális áramkörök
Alkalmazások	Időzési áramkörök, digitális órák	Kapcsoló tápegységek, modulátorok	Radar, kommunikáció, orvosi képalkotás

8. ábra: Négyzet alakú és téglalap alakú hullám

Következtetés

Ez a cikk magyarázza a különféle hullámformák fontosságát az elektronikus rendszerek tervezésében.Minden hullámforma rendelkezik saját tulajdonságaival és előnyeivel, amelyek hasznosak konkrét helyzetekben.A négyzethullámok hasznosak a digitális rendszerek számára.Biztosítják a bináris állapotok közötti sima és pontos átmenetet, amely jó az adatfeldolgozáshoz és a kommunikációhoz.A téglalap alakú hullámok kibővítik ezt a koncepciót állítható üzemi ciklusok biztosításával, lehetővé téve a pontosabb ellenőrzést az alkalmazásokban, ahol a jel időzítését testreszabni kell.Az impulzusos hullámok felbecsülhetetlen értékűek olyan helyzetekben, amelyek nagy rugalmasságot és reagálást igényelnek, például radar vagy orvosi képalkotás.Az információkat az impulzus alak és az időzítés változásai révén továbbítják, ideálisak az adatok továbbításához.Ezen hullámformák Fourier elemzése egyértelmű, matematikai megértést nyújt viselkedésükről.Ez a cikk egyértelmű áttekintést nyújt ezen hullámformák elméletéről és gyakorlati felhasználásáról, és ez értékes útmutatóvá válik az elektronikus tervezésben dolgozó személyek számára.

Gyakran feltett kérdések [GYIK]

1. Melyek a négyzet alakú hullámok előnyei?

A négyzethullámokat úgy értékelik, mert egyszerűek és hasznosak sok elektronikai és jelfeldolgozási feladatban.Az egyik nagy előnye a magas és az alacsony szint közötti éles váltás, így tökéletesen az időzítéshez és a digitális órajelekhez a számítógépeken és más digitális eszközökön.Ezek a gyors változások segítik elkerülni a zavart az olvasási jelek során.A négyzet alakú hullámoknak csak olyan furcsa harmonikája van, amely megkönnyíti a harmonikusok, például a szintetizátorok és az audio technológia alkalmazásaiban való együttműködést, ahol a tiszta hangok fontosak.

2. Hogyan készülnek a négyzet alakú hullámok?

A négyzethullámokat elektronikus oszcillátorok, például Schmitt triggerek vagy flip-flop áramkörök felhasználásával állítják elő, amelyek két feszültségszint között váltanak.Ezek az oszcillátorok váltanak kimeneteket, amikor a bemenetük átlép bizonyos küszöbértékeket, így a négyzethullámokra jellemző éles átmeneteket hozva létre.A laboratóriumokban alkalmazott funkciógenerátorok is programozhatók a kívánt frekvenciájú és amplitúdó négyzet alakú hullámainak előállítására a magas és alacsony feszültségű állapotok közötti gyors váltás révén.

3. Mi a téglalap alakú impulzus időszak?

A téglalap alakú impulzus periódusa az impulzus egy teljes ciklusának időtartamára utal, amely egy magas és egy alacsony állapotot foglal magában.Ez annak meghatározása, hogy az impulzus visszatérjen a kezdeti állapotba.Az impulzus T periódusa a magas állapot (TTHIGH) és az alacsony állapot (TLOW) időtartamának összege, amelyet t = combként fejeznek ki.Gyakorlati szempontból ez az időszak meghatározza az impulzushullám -forma gyakoriságát, és a frekvencia az időszak kölcsönös viszonya (f = 1/t).

4. Melyek az impulzushullámú forma alkotóelemei?

Az impulzus hullámforma több alkatrészből áll:

Amplitúdó: Az impulzus maximális értéke az alapvonal felett vagy alatt.

Időtartam: Az impulzus időtartama a maximális amplitúdóján van.

Emelkedési idő: Az impulzus átmenete alacsony értékről (gyakran őrölt vagy nulla feszültség) a nagy értékre való áttéréshez.

Őszi idő: Az az idő, hogy az impulzus visszatérjen a magas értékről alacsony értékre.

Duty Cycle: A jel aktív vagy magas periódusának arányát képviseli.Ezt gyakran százalékban fejezik ki.

5. Hogyan mérik az impulzus hullámforma?

Itt van a folyamat:

Csatlakoztassa az oszcilloszkópos szondákat a jelforráshoz vagy az impulzus hullámformát kiadó eszközhöz.

Állítsa be az oszcilloszkóp beállításait, például az idő/osztás és a Volts/Division, hogy megfelelően méretezze a hullámformát a kijelzőn.

Indítsa el az oszcilloszkópot a hullámforma kijelző stabilizálásához, biztosítva, hogy az impulzus tiszta és folyamatosan megjelenjen.

Használja az oszcilloszkóp mérőeszközeit az impulzus amplitúdójának, periódusának, a vámciklusnak, az emelkedési időnek és az esési időnek a megjelenítéséhez közvetlenül a megjelenített hullámformából.