Niet-sinusvormige golfvormen: vierkante, rechthoekige en gepulseerde golfvormen

In elektronische engineering zijn het genereren en vormen van elektrische golfvormen belangrijke taken die op veel gebieden worden gebruikt, waaronder communicatiesystemen en digitale elektronica.Dit artikel bespreekt drie soorten golfvormen: vierkante golven, rechthoekige golven en gepulseerde golven, elk met unieke kenmerken en toepassingen.Vierkante golven symmetrie en snelle overgangen tussen staten zijn wat ze zo effectief maken in het veranderen van toepassingen.Rechthoekige golven flexibiliteit is nuttig bij taken zoals pulsbreedtemodulatie (PWM) en signaalverwerking, waarbij het verfijnen van de golfvorm vereist is.Gepulseerde golven zijn onregelmatig en niet-herhalend, gemaakt voor situaties waarin timingwijzigingen worden gebruikt om informatie te verzenden.

Dit artikel onderzoekt de fysieke kenmerken van deze golfvormen, hoe ze zich gedragen in Fourier -analyse en hun praktische gebruik.Het begrijpen van deze details helpt te benadrukken wat elke golfvorm onderscheidt in elektronische toepassingen.Het onderzoekt ook hoe elke golfvorm wordt gegenereerd en het gemeenschappelijke gebruik voor elk, wat een duidelijker beeld geeft van hoe ze bijdragen aan het verbeteren van elektronische ontwerpen.

Catalogus

Afbeelding 1: Vierkant golfvorm

Kenmerken van vierkante golven

Vierkante golven zijn golfvormen die snel schakelen tussen twee spanningsniveaus die "hoog" en "laag" worden genoemd.Deze veranderingen gebeuren onmiddellijk, waardoor een scherpe verschuiving tussen de twee staten ontstaat.In echte systemen vertragen factoren zoals circuiteigenschappen de overgangen echter.De tijd die het nodig heeft om de spanning te laten stijgen of te vallen, wordt Rise Time genoemd (om omhoog te gaan) en de valtijd (om naar beneden te gaan).Een perfecte blokgolf brengt gelijke tijd door in de hoge en lage toestanden, waardoor een evenwichtige golfvorm ontstaat.

De tijd die wordt doorgebracht in de hoge en lage toestanden kan verschillen, maar de golf wordt nog steeds beschouwd als een blokgolf.Het wijzigen van deze balans kan nuttig zijn voor verschillende taken.Wanneer de timingnauwkeurigheid zoals in communicatiesystemen echter belangrijk is om de symmetrie te behouden.In die gevallen kunnen extra ontwerpaanpassingen nodig zijn.

Kenmerken van rechthoekige golven

Rechthoekige golven zijn vergelijkbaar met vierkante golven, maar hebben ongelijke hoge en lage fasen, waardoor ze meer flexibiliteit hebben.Terwijl vierkante golven gelijk zijn aan hoge en lage tijden, kunnen rechthoekige golven je deze tijden afzonderlijk aanpassen.Dit maakt rechthoekige golven nuttiger voor situaties waarin het strikte patroon van vierkante golven niet vereist is.

Een groot voordeel van rechthoekige golven is hun flexibiliteit.Door de hoge en lage tijden aan te passen, kan de breedte van elke puls worden geregeld die belangrijk is in pulsbreedtemodulatie (PWM).PWM wordt gebruikt in dingen als motorbesturing, communicatie en stroomsystemen, waar timing nauwkeurig moet zijn.Rechthoekige golven zijn ook geweldig in signaalverwerking en timing.In digitale elektronica kunnen rechthoekige golven bijvoorbeeld worden gebruikt als kloksignalen met verstelbare timings om verschillende delen van een systeem te coördineren.Rechthoekige golven zijn flexibeler dan vierkante golven omdat hun werkcyclus kan worden aangepast.

Figuur 2: Rechthoekige golfvorm

Kenmerken van gepulseerde golven

Gepulseerde golfvormen verschillen van periodieke golfvormen omdat ze geen regelmatig, herhaaldelijk patroon hebben.Periodieke golfvormen herhalen zich in een gestage cyclus, maar gepulseerde golfvormen gebeuren in reactie op zoiets als het bereiken van een bepaalde spanning.Daarom kunnen gepulseerde golfvormen er anders uitzien, afhankelijk van de situatie.

Een belangrijk ding over gepulseerde golfvormen is dat ze informatie kunnen dragen door hun vorm en timing te veranderen.Periodieke golfvormen zijn voorspelbaarder, maar gepulseerde golfvormen kunnen in realtime worden aangepast om verschillende soorten gegevens te tonen.Omdat gepulseerde golfvormen kunnen veranderen op basis van verschillende omstandigheden, zijn ze een goed hulpmiddel voor het verwerken van complexe informatie.Hun vermogen om zich snel aan te passen, maakt ze belangrijk voor technologieën die snelle reacties en flexibiliteit nodig hebben.

Figuur 3: Pulsgolfvorm

Geluid van een vierkante, rechthoekige en gepulseerde golven

Vierkante golven: vierkante golven hebben een gewaagd, scherp geluid dat opvalt.Ze creëren dit sterke geluid omdat ze veel vreemde harmonischen hebben, waardoor ze een buzzy toon krijgen.De golf schakelt snel tussen hoge en lage niveaus die zijn geluid "edgy" maakt en in staat is om door andere geluiden in een mix te snijden.Vierkante golven worden gebruikt in elektronische muziek en synths omdat ze zowel diepe bas als scherpe, opvallende leads kunnen maken.

Rechthoekige golven: rechthoekige golven zijn flexibeler dan vierkante golven omdat je hun toon kunt veranderen door aan te passen hoe lang ze in de "hoge" positie blijven.Wanneer de tijd doorgebrachte tijd ongeveer de helft is, klinken ze als vierkante golven met een heldere en rijke toon.Maar als de tijd in de hoge toestand korter wordt, wordt het geluid dunner en meer nasaal.Met deze flexibiliteit kunnen rechthoekige golven een breed scala aan geluiden creëren, van sterk en pittig tot licht en hol.

Gepulseerde golven: gepulseerde golven hebben een snel, scherp geluid, waardoor ze geweldig zijn voor ritmische of korte, percussieve effecten.Ze zijn goed in het creëren van snelle uitbarstingen van geluid als klikken of piepjes, en werken goed in muziek die sterke, ritmische elementen nodig heeft.De snelle stijging en daling van gepulseerde golven geeft hen een agressief gevoel, dus ze worden vaak gebruikt voor synthstenen.

Fourier -analyse van vierkante, rechthoekige en gepulseerde golven

Vierkante golven

Een blokgolf is een golfvorm die snel schakelt tussen een hoge en lage waarde, die evenveel tijd op elk niveau doorbrengt.Door Fourier -series te gebruiken, kunnen we het uitdrukken als een som van sinusgolven.Voor een blokgolf met amplitude A en periode T is de Fourier -serie:

Hier vertegenwoordigt N alleen de vreemde gehele getallen, en is de frequentie van de golf.De serie begint met de frequentie (wanneer ) en omvat hogere vreemde harmonischen.Elke opeenvolgende harmonische afname van de amplitude, volgens het omgekeerde van het harmonische aantal.

Figuur 4: Vierkante golven in Fourier -serie

Rechthoekige golven

Rechthoekige golven zijn vergelijkbaar met vierkante golven, maar de tijd doorgebracht in de hoge en lage toestanden is ongelijk.In dit geval moet de Fourier -serie rekening houden met de "Duty Cycle" D, die de fractie is van de periode dat de golf in de hoge staat blijft.De Fourier -serie voor een rechthoekige golf is:

Deze formule past zich aan voor de verschillende lengtes van de hoge en lage toestanden, met de duty cyclus D in de sinusgolfcomponenten.

Figuur 5: Rechthoekige golven in Fourier -serie

Gepulseerde golven

Gepulseerde golven of pulstreinen bestaan ​​uit herhaalde pulsen gescheiden door intervallen waarbij het signaal nul is.De Fourier -analyse van pulstreinen is ingewikkelder omdat het afhangt van de vorm van de pulsen en de timing daartussen.Een gemeenschappelijke Fourier -serie voor een trein van rechthoekige pulsen ziet eruit:

In deze uitdrukking is 8 de breedte van elke pols, t is de periode tussen pulsen, is de basisfrequentie van de pulstrein.De functie, gedefinieerd als , beschrijft hoe de pulsvorm de frequentiecomponenten beïnvloedt.

Figuur 6: Fourier -analyse van pulstreinen

Elektrische golfvormen voorbeelden

Vierkante golf

Een blokgolf is een van de eenvoudigste soorten golfvormen.Het wisselt tussen twee niveaus, hoge en lage uitgaven van evenveel tijd in elke toestand.Deze gelijke divisie wordt een duty -cyclus van 50% genoemd.

Dit is wat dat betekent:

• De golf blijft "aan" gedurende een bepaalde periode (hoog niveau).

• Vervolgens blijft het gedurende een evenveel "uit" (laag niveau).

Als de pulsbreedte bijvoorbeeld 10 milliseconden (MS) is voor zowel de "aan" als "uit" -staten, dan is de totale tijd voor één volledige cyclus (één periode):

De frequentie van de golf vertelt ons hoeveel cycli per seconde gebeuren.Gebruik de formule om de frequentie te vinden:

In dit geval:

Dus de golf herhaalt zich 50 keer per seconde.

Figuur 7: 3-fase spanningsbronomvormer met blokgolfuitgang

Rechthoekige golf

Laten we nu rechthoekige golfvormen verkennen, die vergelijkbaar zijn met vierkante golven, maar geen gelijkwaardige tijden hebben.De tijd dat het signaal hoog blijft, wordt de positieve pulsbreedte genoemd en de verhouding van die tijd tot de totale periode wordt de duty -cyclus genoemd.

Als de positieve pulsbreedte 10 ms is, maar de dienstcyclus 25% is, betekent dit dat de golf "aan" is voor slechts 25% van de totale cyclus.

Om de totale periode te vinden, deel de positieve pulsbreedte door de duty -cyclus:

Gebruik dezelfde formule om de frequentie te vinden als voorheen:

Dus deze golfvorm zou 25 keer per seconde herhalen met de "aan" tijd korter in vergelijking met de "uit" tijd.

Vergelijking van vierkante golven, rechthoekige golven en gepulseerde golfvormen

Kenmerk	Vierkante golven	Rechthoekige golven	Gepulseerde golfvormen
Vorm	Symmetrische, gelijke hoge en lage tijden	Asymmetrisch, veranderende dienstcyclus	Scherpe, abrupte pulsen van verschillende breedte
Amplitude	Constante	Constante	Constante
Frequentie	Opgelost op basis van applicatie	Verstelbaar	Lager dan basisfrequentie
Puls Breedte	De helft van de periode (bij 50% duty cycle)	Afhankelijk van de dienstcyclus	Zeer kort tot matig, definieert pols
Herhaling Tarief	Gedefinieerd door frequentie	Gedefinieerd door frequentie	Laag tot erg hoog
Plicht Cyclus	50% (vast)	Elk percentage, niet 50%	Varieert sterk, minder dan 50%
Harmonisch Inhoud	Rijk aan vreemde harmonischen	Rijk aan harmonischen	Afhankelijk van polsvorm en breedte
Generatie Methode	Oscillatoren, flip-flops	Verstelbare oscillatoren, signaalgeneratoren	Pulsgeneratoren, gespecialiseerde circuits
Toepassingen	Timingcircuits, digitale klokken	Schakel van stroomvoorraden, modulatoren	Radar, communicatie, medische beeldvorming

Figuur 8: Vierkant en rechthoekige golf

Conclusie

Dit artikel legt het belang uit van verschillende soorten golfvormen bij het ontwerp van elektronische systemen.Elke golfvorm heeft zijn eigen eigenschappen en voordelen die nuttig zijn in specifieke situaties.Vierkante golven zijn nuttig voor digitale systemen.Ze zorgen voor soepele en nauwkeurige overgangen tussen binaire toestanden die goed zijn voor gegevensverwerking en communicatie.Rechthoekige golven breiden dit concept uit door instelbare duty -cycli te bieden, waardoor een preciezere controle mogelijk is in toepassingen waar signaaltiming moet worden aangepast.Gepulseerde golven zijn van onschatbare waarde in situaties die een hoge flexibiliteit en reactievermogen vereisen, zoals radar of medische beeldvorming.Ze brengen informatie over wijzigingen in pulsvorm en timing, waardoor ze ideaal zijn voor het verzenden van gegevens.Fourier -analyse van deze golfvormen biedt een duidelijk, wiskundig begrip van hun gedrag.Dit artikel geeft een duidelijk overzicht van zowel de theorie als het praktische gebruik van deze golfvormen, waardoor het een waardevolle gids is voor iedereen die in elektronisch ontwerp werkt.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Wat zijn de voordelen van vierkante golven?

Vierkante golven worden gewaardeerd omdat ze eenvoudig en nuttig zijn in veel elektronica- en signaalverwerkingstaken.Een groot voordeel is hun scherpe schakelaar tussen hoge en lage niveaus, waardoor ze perfect zijn voor timing- en digitale kloksignalen in computers en andere digitale apparaten.Deze snelle veranderingen helpen verwarring in leessignalen te voorkomen.Ook hebben vierkante golven alleen vreemde harmonischen die hen gemakkelijker maken om mee te werken in applicaties met harmonischen, zoals synthesizers en audiotechnologie, waar duidelijke geluiden belangrijk zijn.

2. Hoe worden vierkante golven gemaakt?

Vierkante golven worden gegenereerd met behulp van elektronische oscillatoren, zoals Schmitt-triggers of flip-flop-circuits, die schakelen tussen twee spanningsniveaus.Deze oscillatoren schakelen van uitgangen wanneer hun ingang bepaalde drempelwaarden kruist, waardoor de scherpe overgangen die kenmerkend zijn voor vierkante golven ontstaan.Functie -generatoren die in laboratoria worden gebruikt, kunnen ook worden geprogrammeerd om vierkante golven van de gewenste frequentie en amplitude te produceren door snel te schakelen tussen hoge en laagspanningsstaten.

3. Wat is de rechthoekige pulsperiode?

De periode van een rechthoekige puls verwijst naar de duur van één volledige cyclus van de puls, die één hoge toestand en één lage toestand omvat.Dit wordt gekwantificeerd als de tijd die de pols nodig heeft om terug te keren naar de initiële status.De periode t van de pols is de som van de duur van de hoge toestand (tthigh) en de lage toestand (tlow), uitgedrukt als t = dij+tlow.In praktische termen bepaalt deze periode de frequentie van de pulsgolfvorm waarbij frequentie de wederzijdse van de periode is (f = 1/t).

4. Wat zijn de componenten van pulsgolfvorm?

Een pulsgolfvorm bestaat uit verschillende componenten:

Amplitude: de maximale waarde van de pols boven of onder de basislijn.

Duur: de tijdsduur voor de puls is op zijn maximale amplitude.

Stijgingstijd: de tijd die nodig is om de puls over te schakelen van zijn lage waarde (vaak grond of nulspanning) naar zijn hoge waarde.

Fall Time: de tijd die nodig is om de puls terug te schakelen van zijn hoge waarde naar zijn lage waarde.

Duty Cycle: vertegenwoordigt het aandeel van één periode waarin het signaal actief of hoog is.Het wordt vaak uitgedrukt als een percentage.

5. Hoe wordt pulsgolfvorm gemeten?

Hier is het proces:

Sluit de oscilloscoopsondes aan op de signaalbron of het apparaat dat de pulsgolfvorm uitvoert.

Pas de oscilloscoopinstellingen aan, zoals Time/Division en Volts/Division om de golfvorm op het display op de juiste manier te schalen.

Trigger de oscilloscoop om het golfvormdisplay te stabiliseren, zodat de puls netjes en gestaag wordt gevisualiseerd.

Gebruik de meetinstrumenten van de oscilloscoop om de amplitude, periode, duty cyclus, stijgtijd- en valtijd van de puls te bepalen, rechtstreeks van de weergegeven golfvorm.