27.08.2024 16,814

Ei-sinusoidiset aaltomuodot: neliö, suorakaiteen muotoinen ja pulssi-aaltomuodot

Sähkötekniikassa sähköisten aaltomuotojen luominen ja muotoilu on tärkeitä tehtäviä, joita käytetään monilla aloilla, mukaan lukien viestintäjärjestelmät ja digitaalinen elektroniikka.Tässä artikkelissa keskustellaan kolmesta aaltomuodosta: neliöaaltoja, suorakaiteen muotoisia aaltoja ja pulssiaaltoja, joilla jokaisella on ainutlaatuiset ominaisuudet ja käytöt.Neliöaaltojen symmetria ja nopeat siirtymät tilojen välillä tekevät niistä niin tehokkaita sovellusten vaihtamisessa.Suorakulmaisten aaltojen joustavuus on hyödyllinen tehtävissä, kuten pulssin leveyden modulaatio (PWM) ja signaalinkäsittely, jossa tarvitaan aaltomuodon hienosäätö.Pulssi-aallot ovat epäsäännöllisiä ja toistuvia, jotka on tehty tilanteisiin, joissa ajoituksen muutoksia käytetään tiedon lähettämiseen.

Tässä artikkelissa tutkitaan näiden aaltomuotojen fyysisiä ominaisuuksia, kuinka ne käyttäytyvät Fourier -analyysissä ja niiden käytännön käyttötarkoitukset.Näiden yksityiskohtien ymmärtäminen auttaa korostamaan, mikä asettaa jokaisen aaltomuodon toisistaan ​​elektronisissa sovelluksissa.Siinä tutkitaan myös, kuinka kukin aaltomuoto syntyy ja jokaiselle yleiset käytöt, mikä tarjoaa selkeämmän kuvan siitä, kuinka ne auttavat parantamaan elektronisia malleja.

Luettelo

Kuva 1: Neliö aaltomuoto

Neliöaaltojen ominaisuudet

Neliöaaldot ovat aaltomuotoja, jotka kytkevät nopeasti kahden jännitteen välillä, joita kutsutaan "korkeaksi" ja "matalaksi".Nämä muutokset tapahtuvat heti, luomalla terävän muutoksen kahden valtion välillä.Todellisissa järjestelmissä tekijät, kuten piiriominaisuudet, hidastavat siirtymiä.Aika, joka vie jännitteen nousun tai laskun, kutsutaan nousuaikaan (nousuun) ja syksyajan (laskemiseen).Täydellinen neliöaalto viettää yhtä aikaa korkeissa ja matalissa tiloissa, mikä luo tasapainoisen aaltomuodon.

Korkeissa ja alhaisissa tiloissa vietetty aika voi vaihdella, mutta aaltoa pidetään silti neliöaaltona.Tämän tasapainon muuttaminen voi olla hyödyllistä eri tehtävissä.Ajoitustarkkuuden aikana, kuten viestintäjärjestelmissä, on tärkeää pitää symmetria.Näissä tapauksissa voidaan tarvita ylimääräisiä suunnittelumuutoksia.

Suorakulmaisten aaltojen ominaisuudet

Suorakulmaiset aallot ovat samanlaisia ​​kuin neliöaalto, mutta niissä on epätasaiset korkeat ja matalat vaiheet, mikä antaa heille enemmän joustavuutta.Vaikka neliöaaltoilla on yhtä suuret ja matalat ajat, suorakaiteen muotoiset aallot antavat sinun säätää näitä aikoja erikseen.Tämä tekee suorakaiteen muotoisista aaltoista hyödyllisempiä tilanteissa, joissa neliöaaltojen tiukkaa mallia ei tarvita.

Yksi suorakulmaisten aaltojen suuri etu on niiden joustavuus.Säätämällä korkeat ja matalat ajat kunkin pulssin leveys voidaan ohjata, mikä on tärkeä pulssin leveyden modulaatiossa (PWM).PWM: ää käytetään esimerkiksi moottorin ohjaus-, viestintä- ja sähköjärjestelmissä, joissa ajoituksen on oltava tarkka.Suorakulmaiset aallot ovat myös suuria signaalinkäsittelyssä ja ajoituksessa.Esimerkiksi digitaalisessa elektroniikassa suorakaiteen muotoisia aaltoja voidaan käyttää kellon signaaleina, joissa on säädettävät ajoitukset järjestelmän eri osien koordinoimiseksi.Suorakulmaiset aallot ovat joustavampia kuin neliöaalto, koska niiden käyttöjaksoa voidaan säätää.

Kuva 2: Suorakulmainen aaltomuoto

Pulssi -aaltojen ominaisuudet

Pulssi -aaltomuodot eroavat jaksollisista aaltomuodoista, koska niillä ei ole säännöllistä, toistuvaa kuviota.Jaksolliset aaltomuodot toistuvat tasaisessa syklissä, mutta pulssi -aaltomuodot tapahtuvat reaktiona johonkin tietyn jännitteen saavuttamiseen.Tämän vuoksi pulssi -aaltomuodot voivat näyttää erilaisilta tilanteesta riippuen.

Yksi tärkeä asia pulssiaaltomuodoissa on, että ne voivat kuljettaa tietoa muuttamalla muotoa ja ajoitustaan.Jaksolliset aaltomuodot ovat ennustettavissa, mutta pulssia aaltomuotoja voidaan säätää reaaliajassa erityyppisten tietojen näyttämiseksi.Koska pulssi -aaltomuodot voivat muuttua eri olosuhteiden perusteella, ne ovat hyvä työkalu monimutkaisen tiedon käsittelyyn.Heidän kykynsä sopeutua nopeasti tekee heistä tärkeitä tekniikoille, jotka tarvitsevat nopeaa vastausta ja joustavuutta.

Kuva 3: Pulssin aaltomuoto

Neliömäisen, suorakaiteen muotoinen ja pulssi -aalto

Neliön aallot: Neliöaloilla on lihavoitu, terävä ääni, joka erottuu.He luovat tämän vahvan äänen, koska heillä on paljon outoja harmonisia, antaen heille surkea sävy.Aalto kytkeytyy nopeasti korkean ja matalan tasoon, mikä tekee sen äänestä "edistyneen" ja pystyy leikkaamaan sekoituksen muiden äänien läpi.Square-aaltoja käytetään elektronisessa musiikissa ja synteissä, koska ne voivat tehdä sekä syvän basson että terävän, huomion herättäviä johtoja.

Suorakulmaiset aallot: Suorakulmaiset aallot ovat joustavampia kuin neliöaalto, koska voit muuttaa niiden sävyä säätämällä kuinka kauan ne pysyvät "korkeassa" asennossa.Kun korkea korkea aika on noin puolet, ne kuulostavat neliömäisiltä aaltoilta, joilla on kirkas ja rikas sävy.Mutta jos aika korkeassa tilassa lyhenee, ääni muuttuu ohuemmaksi ja nenämmäksi.Tämä joustavuus antaa suorakulmaisten aaltojen luoda laajan valikoiman ääniä vahvasta ja lävistävästä valoon ja onttoon.

Pulssi -aallot: Pulssi -aaltoilla on nopea, terävä ääni, mikä tekee niistä loistavia rytmisiä tai lyhyitä, lyöviä vaikutuksia.He ovat hyviä luomaan nopeat äänenpurskeet napsautuksilta tai piippauksilta ja toimivat hyvin musiikissa, joka tarvitsee vahvoja, rytmisiä elementtejä.Pulssi -aaltojen nopea nousu ja lasku antavat heille aggressiivisen tunteen, joten niitä käytetään usein synteettissä.

Fourier -analyysi neliö-, suorakulmaisista ja pulssiaaltoista

Neliöaalto

Neliöaalto on aaltomuoto, joka kytkeytyy nopeasti korkean ja alhaisen arvon välillä, kuluttaen yhtä aikaa jokaisella tasolla.Fourier -sarjaa käyttämällä voimme ilmaista sen siniaaltojen summana.Neliöaaltoon, jossa on amplitudi A ja jakso T, Fourier -sarja on:

Täällä n edustaa vain parittomia kokonaislukuja ja on aallon taajuus.Sarja alkaa taajuudella (milloin ) ja sisältää korkeammat parittomat harmoniset.Jokainen peräkkäinen harmoninen väheneminen amplitudissa, harmonisen lukumäärän käänteisen seurauksena.

Kuva 4: Neliön aallot Fourier -sarjassa

Suorakulmaiset aallot

Suorakulmaiset aallot ovat samanlaisia ​​kuin neliöaalto, mutta korkeissa ja matalissa tiloissa vietetty aika on epätasainen.Tässä tapauksessa Fourier -sarjan on otettava huomioon "työsykli" D, joka on murto -osa ajanjaksosta, jonka aalto pysyy korkeassa tilassa.Suorakulmaisen aallon Fourier -sarja on:

Tämä kaava säädetään korkean ja matalan tilojen eri pituuksille, sisältäen työsyklin D siniaaltokomponentteihin.

Kuva 5: Suorakulmaiset aallot Fourier -sarjassa

Pulssi -aaltoja

Pulssi -aallot tai pulssijunat koostuvat toistuvista pulsseista, jotka on erotettu väliajoin, joissa signaali on nolla.Pulssijunien Fourier -analyysi on monimutkaisempi, koska se riippuu pulssien muodosta ja niiden välisestä ajoituksesta.Yleinen Fourier -sarja suorakulmaisten pulssien junille näyttää:

Tässä ekspressiossa δ on kunkin pulssin leveys, t on pulssien välinen aika, on pulssijunan perustaajuus.Se funktio, määritelty , kuvaa, kuinka pulssin muoto vaikuttaa taajuuskomponentteihin.

Kuva 6: Pulssijunien Fourier -analyysi

Sähköiset aaltomuodot esimerkkejä

Aalto

Neliöaalto on yksi yksinkertaisimmista aaltomuodoista.Se vuorottelee kahden tason välillä, korkea ja matala kuluttaa yhtä paljon aikaa kussakin tilassa.Tätä tasa -arvoista jakautumista kutsutaan 50%: n käyttöjaksoksi.

Tässä se tarkoittaa:

Olla Aalto pysyy "päällä" tietyn ajanjakson ajan (korkea taso).

Olla Sitten se pysyy "pois" yhtä aikaa (matala taso).

Esimerkiksi, jos pulssin leveys on 10 millisekuntia (MS) sekä "On" että "OFF" -tilassa, niin kokonaisaika yhden täydellisen syklin (yksi jakso) on:

Aallon taajuus kertoo meille, kuinka monta sykliä tapahtuu sekunnissa.Löydä taajuus käyttämällä kaavaa:

Tässä tapauksessa:

Joten aalto toistuu 50 kertaa sekunnissa.

Kuva 7: 3-vaiheisen jännitteen lähteen invertteri neliöaaltolähtöllä

Suorakulmainen aalto

Tutkitaan nyt suorakaiteen muotoisia aaltomuotoja, jotka ovat samanlaisia ​​kuin neliöaalto, mutta joilla ei ole yhtä suuria ajanjaksoja.Aika, jonka signaali pysyy korkealla, kutsutaan positiiviseksi pulssin leveydeksi ja sen ajan suhdetta kokonaisjaksoon kutsutaan käyttöjaksoksi.

Jos positiivinen pulssileveys on 10 ms, mutta työsykli on 25%, se tarkoittaa, että aalto on "päällä" vain 25% kokonaissyklistä.

Jos haluat löytää kokonaisjakson, jaa positiivinen pulssin leveys käyttöjaksolla:

Löydä taajuus käyttämällä samaa kaavaa kuin ennen:

Joten tämä aaltomuoto toistuisi 25 kertaa sekunnissa "on" -aikana lyhyempi kuin "pois" -aikaan.

Neliöaaltojen, suorakaiteen muotoisten aaltojen ja pulssi -aaltomuotojen vertailu

Ominainen	Neliöaalto	Suorakulmaiset aallot	Pulssi -aaltomuodot
Muoto	Symmetrinen, yhtä suuret ja matalat ajat	Epäsymmetrinen ja muuttuva työjakso	Terävät, äkilliset pulssit, joilla on erilainen leveys
Amplitudi	Vakio	Vakio	Vakio
Taajuus	Korjattu sovelluksen perusteella	Säädettävä	Alhaisempi kuin pohjataajuus
Pulssi Leveys	Puolet ajanjaksosta (50%: n käyttöjaksolla)	Riippuvainen työsyklistä	Hyvin lyhyt tai kohtalainen, määrittelee pulssin
Toisto Aste	Määritelty taajuudella	Määritelty taajuudella	Matalalle erittäin korkealle
Velvollisuus Kiertää	50% (kiinteä)	Mikä tahansa prosenttiosuus, ei 50%	Vaihtelee suuresti, alle 50%
Harmoninen Sisältö	Rikas parittomia harmonisia	Rikas harmoniset	Riippuen pulssin muodosta ja leveydestä
Sukupolvi Menetelmä	Oskillaattorit, flip-flops	Säädettävät oskillaattorit, signaaligeneraattorit	Pulssigeneraattorit, erikoistuneet piirit
Sovellukset	Ajoituspiirit, digitaaliset kellot	Virtalähteet, modulaattorit	Tutka, viestintä, lääketieteellinen kuvantaminen

Kuva 8: Neliö- ja suorakulmainen aalto

Johtopäätös

Tässä artikkelissa selitetään erityyppisten aaltomuotojen merkitys elektronisten järjestelmien suunnittelussa.Jokaisella aaltomuodolla on omat ominaisuutensa ja edut, jotka ovat hyödyllisiä tietyissä tilanteissa.Neliöaaltoja ovat hyödyllisiä digitaalisissa järjestelmissä.Ne takaavat binaaristen tilojen väliset sujuvasti ja tarkkoja siirtymiä, jotka ovat hyvä tietojenkäsittelyyn ja viestintään.Suorakulmaiset aallot laajentavat tätä käsitettä tarjoamalla säädettäviä tullisyklejä, mikä mahdollistaa tarkemman ohjauksen sovelluksissa, joissa signaalin ajoitus on räätälöitävä.Pulssi -aallot ovat korvaamattomia tilanteissa, jotka vaativat suurta joustavuutta ja reaktiivisuutta, kuten tutka tai lääketieteellinen kuvantaminen.Ne välittävät tietoa pulssin muodon ja ajoituksen muutosten avulla, mikä tekee niistä ihanteellisia tietojen lähettämiseen.Näiden aaltomuotojen Fourier -analyysi tarjoaa selkeän, matemaattisen ymmärryksen heidän käyttäytymisestään.Tämä artikkeli antaa selkeän yleiskuvan sekä näiden aaltomuotojen teoriasta että käytännöllisestä käytöstä, mikä tekee siitä arvokkaan oppaan kaikille, jotka työskentelevät sähköisessä suunnittelussa.

Usein kysyttyjä kysymyksiä [UKK]

1. Mitkä ovat neliöaaltojen edut?

Neliöaaltoja arvostetaan, koska ne ovat yksinkertaisia ​​ja hyödyllisiä monissa elektroniikan ja signaalinkäsittelytehtävissä.Yksi suuri etu on niiden terävä vaihde korkean ja matalan tason välillä, mikä tekee niistä täydellisiä ajoitukseen ja digitaalisiin kellon signaaleihin tietokoneissa ja muissa digitaalisissa laitteissa.Nämä nopeat muutokset auttavat välttämään sekaannusta lukemalla signaaleja.Myös neliöaaloilla on vain parittomia harmonikoita, jotka helpottavat niiden työskentelyä sovelluksissa, joissa on harmonisia, kuten syntetisaattoreita ja äänitekniikkaa, joissa selkeät äänet ovat tärkeitä.

2. Kuinka neliöaaltoja tehdään?

Neliöaaltoja luodaan käyttämällä elektronisia oskillaattoreita, kuten Schmitt-laukaisimet tai flip-flop-piirejä, jotka vaihtavat kahden jännitteen välillä.Nämä oskillaattorit vaihtavat lähtöjä, kun niiden tulo ylittää tietyt kynnysarvot, jolloin neliöaaltojen ominaiset terävät siirtymät.Laboratorioissa käytettyjen funktiogeneraattorit voidaan myös ohjelmoida tuottamaan halutun taajuuden ja amplitudin neliöaaltoja kytkemällä nopeasti korkean ja matalan jännitteen välillä.

3. Mikä on suorakaiteen muotoinen pulssi?

Suorakulmaisen pulssin ajanjakso viittaa yhden täydellisen syklin kestoon, joka kattaa yhden korkean tilan ja yhden matalan tilan.Tämä kvantifioituu ajankohtana, jonka pulssi kuluu alkuperäiseen tilaansa.Pulssin jakso t on korkean tilan (thigh) ja matalan tilan (tlow) keston summa, joka ilmaistaan ​​t = reideksi+tlow.Käytännössä tämä ajanjakso määrittää pulssi -aaltomuodon taajuuden taajuudella ajanjakson vastavuoroisesti (f = 1/t).

4. Mitkä ovat pulssin aaltomuodon komponentit?

Pulssin aaltomuoto koostuu useista komponenteista:

Amplitudi: pulssin enimmäisarvo sen perustason ylä- tai alapuolella.

Kesto: Pulssin ajan pituus on suurimmalla amplitudilla.

Nousuaika: Pulssin siirtyminen sen alhaisesta arvosta (usein maa- tai nollajännite) siirtymiseen korkeaan arvoon.

Syksyllä aika: Pulssin siirtyminen takaisin korkeasta arvostaan ​​alhaiseen arvoonsa kulumisaika.

Vukeussykli: edustaa yhden ajanjakson osuutta, jolla signaali on aktiivinen tai korkea.Se ilmaistaan ​​usein prosentteina.

5. Kuinka pulssiaaltomuoto mitataan?

Tässä on prosessi:

Kytke oskilloskooppikoettimet signaalilähteeseen tai laitteeseen, joka lähettää pulssi -aaltomuodon.

Säädä oskilloskooppiasetukset, kuten aika/jako ja voltit/jako, jotta näyttöön tulee aaltomuoto asianmukaisesti.

Lyhyt oskilloskooppi aaltomuodon stabiloimiseksi varmistaen, että pulssi on puhtaasti ja tasaisesti visualisoitu.

Käytä oskilloskoopin mittaustyökaluja pulssin amplitudin, ajanjakson, käyttöjakson, nousuajan ja syksyajan määrittämiseen suoraan näytetystä aaltomuodosta.