Bentuk gelombang bukan sinusoid: bentuk gelombang persegi, segi empat tepat dan berdenyut

Dalam kejuruteraan elektronik, menjana dan membentuk bentuk gelombang elektrik adalah tugas penting yang digunakan dalam banyak bidang termasuk sistem komunikasi dan elektronik digital.Artikel ini membincangkan tiga jenis bentuk gelombang: gelombang persegi, gelombang segi empat tepat dan gelombang berdenyut, masing -masing dengan ciri -ciri dan kegunaan yang unik.Gelombang persegi simetri dan peralihan cepat di antara negeri -negeri adalah apa yang menjadikan mereka begitu berkesan dalam menukar aplikasi.Fleksibiliti gelombang segi empat tepat berguna dalam tugas-tugas seperti modulasi lebar lebar (PWM) dan pemprosesan isyarat, di mana penalaan halus bentuk gelombang diperlukan.Gelombang berdenyut tidak teratur dan tidak berulang, dibuat untuk situasi di mana perubahan masa digunakan untuk menghantar maklumat.

Artikel ini menerangkan ciri -ciri fizikal bentuk gelombang ini, bagaimana mereka berkelakuan dalam analisis Fourier, dan kegunaan praktikal mereka.Memahami butiran ini membantu menyerlahkan apa yang menetapkan setiap bentuk gelombang dalam aplikasi elektronik.Ia juga mengkaji bagaimana setiap bentuk gelombang dijana dan kegunaan umum untuk setiap, memberikan gambaran yang lebih jelas tentang bagaimana mereka menyumbang kepada peningkatan reka bentuk elektronik.

Katalog

Rajah 1: bentuk gelombang persegi

Ciri -ciri gelombang persegi

Gelombang persegi adalah bentuk gelombang yang beralih dengan cepat di antara dua tahap voltan yang disebut "tinggi" dan "rendah."Perubahan ini berlaku dengan serta -merta, mewujudkan peralihan tajam antara kedua -dua negeri.Walau bagaimanapun, dalam sistem sebenar, faktor -faktor seperti sifat litar melambatkan peralihan.Masa yang diperlukan untuk voltan naik atau jatuh dipanggil masa bangkit (untuk naik) dan masa jatuh (untuk turun).Gelombang persegi yang sempurna menghabiskan masa yang sama di negeri -negeri yang tinggi dan rendah, mewujudkan bentuk gelombang yang seimbang.

Masa yang dihabiskan di negeri -negeri yang tinggi dan rendah boleh berbeza tetapi gelombang masih dianggap sebagai gelombang persegi.Menukar baki ini boleh berguna untuk tugas yang berbeza.Walau bagaimanapun, apabila ketepatan masa seperti dalam sistem komunikasi, penting untuk menjaga simetri.Dalam kes tersebut, pelarasan reka bentuk tambahan mungkin diperlukan.

Ciri -ciri gelombang segi empat tepat

Gelombang segi empat tepat adalah serupa dengan gelombang persegi tetapi mempunyai fasa yang tinggi dan rendah, memberikan mereka lebih fleksibel.Walaupun gelombang persegi mempunyai masa yang sama tinggi dan rendah, gelombang segi empat tepat membolehkan anda menyesuaikan masa ini secara berasingan.Ini menjadikan gelombang segi empat lebih berguna untuk situasi di mana corak ketat gelombang persegi tidak diperlukan.

Satu manfaat besar gelombang segi empat tepat adalah fleksibiliti mereka.Dengan menyesuaikan masa yang tinggi dan rendah, lebar setiap nadi boleh dikawal yang penting dalam modulasi lebar denyut (PWM).PWM digunakan dalam perkara seperti kawalan motor, komunikasi dan sistem kuasa, di mana masa perlu tepat.Gelombang segi empat tepat juga hebat dalam pemprosesan isyarat dan masa.Sebagai contoh, dalam elektronik digital, gelombang segi empat tepat boleh digunakan sebagai isyarat jam dengan masa laras untuk membantu menyelaraskan bahagian -bahagian sistem yang berlainan.Gelombang segi empat tepat lebih fleksibel daripada gelombang persegi kerana kitaran tugas mereka boleh diselaraskan.

Rajah 2: bentuk gelombang segi empat tepat

Ciri -ciri gelombang berdenyut

Bentuk gelombang berdenyut berbeza daripada bentuk gelombang berkala kerana mereka tidak mempunyai corak yang teratur dan berulang.Bentuk gelombang berkala diulang dalam kitaran mantap tetapi bentuk gelombang berdenyut berlaku sebagai tindak balas kepada sesuatu seperti mencapai voltan tertentu.Oleh kerana itu, bentuk gelombang berdenyut dapat kelihatan berbeza bergantung pada keadaan.

Satu perkara penting mengenai bentuk gelombang berdenyut ialah mereka boleh membawa maklumat dengan mengubah bentuk dan masa mereka.Bentuk gelombang berkala lebih diramalkan tetapi bentuk gelombang berdenyut boleh diselaraskan dalam masa nyata untuk menunjukkan pelbagai jenis data.Oleh kerana bentuk gelombang berdenyut boleh berubah berdasarkan keadaan yang berbeza, mereka adalah alat yang baik untuk mengendalikan maklumat yang kompleks.Keupayaan mereka untuk menyesuaikan diri dengan cepat menjadikannya penting untuk teknologi yang memerlukan tindak balas dan fleksibiliti yang cepat.

Rajah 3: bentuk gelombang nadi

Bunyi gelombang persegi, segi empat tepat dan berdenyut

Gelombang persegi: Gelombang persegi mempunyai bunyi yang berani dan tajam yang menonjol.Mereka mencipta bunyi yang kuat ini kerana mereka mempunyai banyak harmonik ganjil, memberikan mereka nada buzzy.Gelombang dengan cepat beralih antara tahap tinggi dan rendah yang menjadikan bunyi "tegang" dan dapat memotong bunyi lain dalam campuran.Gelombang persegi digunakan dalam muzik elektronik dan synths kerana mereka boleh membuat kedua-dua bass yang mendalam dan tajam, menarik perhatian.

Gelombang Rectangular: Gelombang segi empat tepat lebih fleksibel daripada gelombang persegi kerana anda boleh menukar nada mereka dengan menyesuaikan berapa lama mereka tinggal di kedudukan "tinggi".Apabila masa yang dihabiskan tinggi adalah kira -kira separuh, mereka terdengar seperti gelombang persegi dengan nada yang cerah dan kaya.Tetapi jika masa di negeri tinggi semakin pendek, bunyi menjadi lebih kurus dan lebih hidung.Fleksibiliti ini membolehkan gelombang segi empat tepat mencipta pelbagai bunyi dari kuat dan punchy ke cahaya dan berongga.

Gelombang berdenyut: Gelombang berdenyut mempunyai bunyi yang cepat, tajam, menjadikannya hebat untuk kesan berirama atau pendek, percussive.Mereka pandai mencipta pecahan bunyi seperti klik atau bip, dan berfungsi dengan baik dalam muzik yang memerlukan unsur -unsur yang kuat dan berirama.Kenaikan cepat dan kejatuhan gelombang berdenyut memberi mereka rasa yang agresif, jadi mereka sering digunakan untuk menikam sintesis.

Analisis Fourier dari gelombang persegi, segi empat tepat dan berdenyut

Gelombang persegi

Gelombang persegi adalah bentuk gelombang yang cepat beralih antara nilai yang tinggi dan rendah, menghabiskan masa yang sama pada setiap peringkat.Dengan menggunakan siri Fourier, kita dapat menyatakannya sebagai jumlah gelombang sinus.Untuk gelombang persegi dengan amplitud a dan tempoh t, siri Fourier adalah:

Di sini, n hanya mewakili bilangan bulat ganjil, dan adalah kekerapan gelombang.Siri ini bermula dengan kekerapan (ketika ) dan termasuk harmonik ganjil yang lebih tinggi.Setiap harmonik berturut -turut berkurangan dalam amplitud, berikutan songsang nombor harmonik.

Rajah 4: Gelombang persegi dalam siri Fourier

Gelombang segi empat tepat

Gelombang segi empat tepat sama dengan gelombang persegi, tetapi masa yang dihabiskan di negeri -negeri yang tinggi dan rendah adalah tidak sama.Dalam kes ini, siri Fourier mesti mengambil kira "kitaran tugas" d, yang merupakan sebahagian kecil daripada tempoh gelombang yang kekal di negeri yang tinggi.Siri Fourier untuk gelombang segi empat tepat ialah:

Formula ini menyesuaikan untuk panjang yang berbeza dari negeri -negeri yang tinggi dan rendah, menggabungkan kitaran tugas D ke dalam komponen gelombang sinus.

Rajah 5: Gelombang segi empat tepat dalam siri Fourier

Gelombang berdenyut

Gelombang berdenyut, atau kereta nadi, terdiri daripada denyutan berulang yang dipisahkan oleh selang di mana isyarat adalah sifar.Analisis Fourier kereta api nadi lebih rumit kerana ia bergantung kepada bentuk denyutan dan masa di antara mereka.Siri Fourier biasa untuk kereta api segi empat tepat kelihatan seperti:

Dalam ungkapan ini, δ adalah lebar setiap nadi, t adalah tempoh antara denyutan, adalah kekerapan asas kereta api nadi.The fungsi, ditakrifkan sebagai , menerangkan bagaimana bentuk nadi mempengaruhi komponen kekerapan.

Rajah 6: Analisis Fourier mengenai kereta nadi

Contoh gelombang elektrik

Gelombang persegi

Gelombang persegi adalah salah satu jenis bentuk gelombang yang paling mudah.Ia bergantian antara dua peringkat, perbelanjaan tinggi dan rendah yang sama dengan jumlah masa di setiap negeri.Bahagian yang sama ini dipanggil kitaran tugas 50%.

Inilah maksudnya:

• Gelombang kekal "pada" untuk tempoh masa tertentu (tahap tinggi).

• Ia kemudian kekal "mati" untuk tempoh masa yang sama (tahap rendah).

Sebagai contoh, jika lebar nadi adalah 10 milisaat (ms) untuk kedua -dua "on" dan "off" menyatakan, maka jumlah masa untuk satu kitaran lengkap (satu tempoh) adalah:

Kekerapan gelombang memberitahu kita berapa banyak kitaran berlaku sesaat.Untuk mencari kekerapan, gunakan formula:

Dalam kes ini:

Jadi, gelombang mengulangi 50 kali sesaat.

Rajah 7: penyongsang sumber voltan 3-fasa dengan output gelombang persegi

Gelombang segi empat tepat

Sekarang, mari kita meneroka bentuk gelombang segi empat tepat, yang serupa dengan gelombang persegi tetapi tidak mempunyai masa yang sama.Masa isyarat tetap tinggi dipanggil lebar nadi positif, dan nisbah masa itu untuk jumlah keseluruhan dipanggil kitaran tugas.

Sekiranya lebar nadi positif adalah 10 ms tetapi kitaran tugas adalah 25%, ini bermakna gelombang "pada" hanya 25% daripada jumlah kitaran.

Untuk mencari tempoh keseluruhan, bahagikan lebar nadi positif oleh kitaran tugas:

Untuk mencari kekerapan, gunakan formula yang sama seperti dahulu:

Oleh itu, bentuk gelombang ini akan mengulangi 25 kali sesaat dengan masa "pada" yang lebih pendek berbanding dengan masa "off".

Perbandingan gelombang persegi, gelombang segi empat tepat, dan bentuk gelombang berdenyut

Ciri	Gelombang persegi	Gelombang segi empat tepat	Bentuk gelombang berdenyut
Bentuk	Simetri, sama tinggi dan rendah masa	Siklus tugas yang tidak simetris, berubah	Denyutan tajam, mendadak lebar yang berbeza
Amplitud	Malar	Malar	Malar
Kekerapan	Tetap berdasarkan aplikasi	Boleh laras	Lebih rendah daripada kekerapan asas
Pulse Lebar	Separuh tempoh (pada kitaran tugas 50%)	Bergantung pada kitaran tugas	Sangat pendek hingga sederhana, mentakrifkan nadi
Pengulangan Kadar	Ditakrifkan oleh kekerapan	Ditakrifkan oleh kekerapan	Rendah hingga sangat tinggi
Tugas Kitaran	50% (tetap)	Sebarang peratusan, bukan 50%	Berbeza secara meluas, kurang dari 50%
Harmonik Kandungan	Kaya dengan harmonik ganjil	Kaya dengan harmonik	Bergantung pada bentuk dan lebar nadi
Generasi Kaedah	Pengayun, flip-flop	Pengayun laras, penjana isyarat	Penjana nadi, litar khusus
Aplikasi	Litar masa, jam digital	Menukar bekalan kuasa, modulator	Radar, komunikasi, pengimejan perubatan

Rajah 8: Gelombang persegi dan segi empat tepat

Kesimpulan

Artikel ini menerangkan kepentingan pelbagai jenis gelombang dalam reka bentuk sistem elektronik.Setiap bentuk gelombang mempunyai sifat dan faedah tersendiri yang berguna dalam situasi tertentu.Gelombang persegi berguna untuk sistem digital.Mereka memastikan peralihan yang lancar dan tepat antara keadaan binari yang baik untuk pemprosesan data dan komunikasi.Gelombang segi empat tepat memperluaskan konsep ini dengan menyediakan kitaran tugas laras, yang membolehkan kawalan yang lebih tepat dalam aplikasi di mana masa isyarat perlu disesuaikan.Gelombang berdenyut tidak ternilai dalam situasi yang menuntut fleksibiliti dan respons yang tinggi, seperti radar atau pengimejan perubatan.Mereka menyampaikan maklumat melalui perubahan dalam bentuk nadi dan masa, menjadikannya sesuai untuk menghantar data.Analisis Fourier mengenai bentuk gelombang ini menawarkan pemahaman matematik yang jelas tentang tingkah laku mereka.Artikel ini memberikan gambaran yang jelas tentang kedua -dua teori dan penggunaan praktikal bentuk gelombang ini, menjadikannya panduan yang berharga bagi sesiapa yang bekerja dalam reka bentuk elektronik.

Soalan Lazim [Soalan Lazim]

1. Apakah kelebihan gelombang persegi?

Gelombang persegi dinilai kerana ia mudah dan berguna dalam banyak elektronik dan tugas pemprosesan isyarat.Satu manfaat besar adalah suis tajam antara tahap tinggi dan rendah, menjadikannya sempurna untuk isyarat masa dan jam digital dalam komputer dan peranti digital lain.Perubahan cepat ini membantu mengelakkan kekeliruan dalam isyarat membaca.Juga, gelombang persegi hanya mempunyai harmonik ganjil yang menjadikan mereka lebih mudah untuk bekerja dengan aplikasi yang melibatkan harmonik, seperti sintesis dan teknologi audio, di mana bunyi yang jelas penting.

2. Bagaimana gelombang persegi dibuat?

Gelombang persegi dijana menggunakan pengayun elektronik, seperti pencetus Schmitt atau litar flop-flop, yang beralih antara dua tahap voltan.Pengayun ini menukar output apabila input mereka melintasi nilai ambang tertentu, mewujudkan ciri -ciri peralihan tajam gelombang persegi.Penjana fungsi yang digunakan di makmal juga boleh diprogramkan untuk menghasilkan gelombang persegi frekuensi dan amplitud yang dikehendaki dengan cepat beralih antara keadaan voltan tinggi dan rendah.

3. Apakah tempoh nadi segi empat tepat?

Tempoh nadi segi empat tepat merujuk kepada tempoh satu kitaran lengkap nadi, merangkumi satu keadaan tinggi dan satu keadaan rendah.Ini dikira sebagai masa yang diperlukan untuk nadi untuk kembali ke keadaan awalnya.Tempoh t denyutan adalah jumlah tempoh keadaan tinggi (tthigh) dan keadaan rendah (tlow), dinyatakan sebagai t = paha+tlow.Secara praktikal, tempoh ini menentukan kekerapan bentuk gelombang nadi dengan kekerapan menjadi timbal balik tempoh (f = 1/t).

4. Apakah komponen bentuk gelombang nadi?

Bentuk gelombang nadi terdiri daripada beberapa komponen:

Amplitud: Nilai maksimum nadi di atas atau di bawah garis dasarnya.

Tempoh: Tempoh masa untuk nadi adalah pada amplitud maksimumnya.

Masa kenaikan: Masa yang diambil untuk nadi untuk peralihan dari nilai rendahnya (sering tanah atau voltan sifar) ke nilai yang tinggi.

Waktu Kejatuhan: Masa yang diambil untuk nadi untuk beralih dari nilai yang tinggi ke nilai rendahnya.

Kitaran tugas: Mewakili perkadaran satu tempoh di mana isyarat aktif atau tinggi.Ia sering dinyatakan sebagai peratusan.

5. Bagaimana bentuk gelombang nadi diukur?

Inilah prosesnya:

Sambungkan probe oscilloscope ke sumber isyarat atau peranti yang mengeluarkan bentuk gelombang nadi.

Laraskan tetapan oscilloscope seperti masa/pembahagian dan voltan/pembahagian untuk skala bentuk gelombang yang sesuai pada paparan.

Mencetuskan osiloskop untuk menstabilkan paparan bentuk gelombang, memastikan nadi itu bersih dan terus digambarkan.

Gunakan alat pengukuran oscilloscope untuk menentukan amplitud nadi, tempoh, kitaran tugas, masa naik dan masa jatuh secara langsung dari bentuk gelombang yang dipaparkan.