در 2024/08/27 16,873

شکل های موج غیر سینوئیدی: شکل موج مربع ، مستطیل و پالس

در مهندسی الکترونیکی ، تولید و شکل دادن به شکل موج برقی وظایف مهمی است که در بسیاری از زمینه ها از جمله سیستم های ارتباطی و الکترونیک دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرد.در این مقاله سه نوع شکل موج مورد بحث قرار می گیرد: امواج مربع ، امواج مستطیل شکل و امواج پالس ، هر کدام دارای ویژگی ها و کاربردهای منحصر به فرد هستند.تقارن امواج مربع و انتقال سریع بین حالت ها همان چیزی است که باعث می شود آنها در تعویض برنامه ها بسیار مؤثر باشند.انعطاف پذیری امواج مستطیل در کارهایی مانند مدولاسیون عرض پالس (PWM) و پردازش سیگنال مفید است ، که در آن تنظیم دقیق شکل موج لازم است.امواج پالس نامنظم و غیر تکرار هستند ، برای موقعیت هایی که از تغییرات زمان بندی برای ارسال اطلاعات استفاده می شود.

در این مقاله به بررسی ویژگی های بدنی این شکل های موج ، نحوه رفتار آنها در تحلیل فوریه و کاربردهای عملی آنها می پردازیم.درک این جزئیات به برجسته کردن آنچه که هر شکل موج را در برنامه های الکترونیکی جدا می کند ، کمک می کند.همچنین بررسی می کند که چگونه هر شکل موج تولید می شود و کاربردهای مشترک برای هر یک ، تصویری واضح تر از نحوه کمک به بهبود طرح های الکترونیکی ارائه می دهد.

کاتالوگ

شکل 1: شکل موج مربع

خصوصیات امواج مربع

امواج مربع شکل موج هستند که به سرعت بین دو ولتاژ به نام "بالا" و "کم" تغییر می کنند.این تغییرات فوراً اتفاق می افتد و باعث ایجاد تغییر شدید بین دو کشور می شود.با این حال ، در سیستم های واقعی ، عواملی مانند خصوصیات مدار ، انتقال را کند می کند.زمانی که ولتاژ بالا می رود یا سقوط می کند ، زمان افزایش (برای بالا رفتن) و زمان سقوط (برای پایین آمدن) نامیده می شود.یک موج مربع کامل زمان مساوی را در حالت های بالا و پایین می گذراند و یک شکل موج متعادل ایجاد می کند.

زمان صرف شده در حالت های بالا و پایین می تواند متفاوت باشد اما موج هنوز یک موج مربع محسوب می شود.تغییر این تعادل می تواند برای کارهای مختلف مفید باشد.با این حال ، هنگامی که دقت زمان بندی مانند سیستم های ارتباطی ، مهم است که تقارن را حفظ کنید.در این موارد ، تنظیمات طراحی اضافی ممکن است مورد نیاز باشد.

خصوصیات امواج مستطیل شکل

امواج مستطیل شبیه به امواج مربع است اما دارای مراحل ناهموار بالا و پایین هستند و انعطاف پذیری بیشتری به آنها می دهند.در حالی که امواج مربع دارای زمان مساوی و پایین هستند ، امواج مستطیل به شما امکان می دهند این زمان ها را به طور جداگانه تنظیم کنید.این امر باعث می شود امواج مستطیل برای موقعیت هایی که الگوی دقیق امواج مربع لازم نیست ، مفیدتر شود.

یکی از مزایای بزرگ امواج مستطیل انعطاف پذیری آنها است.با تنظیم زمان زیاد و پایین ، می توان عرض هر پالس را کنترل کرد که در مدولاسیون عرض پالس (PWM) مهم است.PWM در مواردی مانند کنترل حرکات ، ارتباطات و سیستم های برق استفاده می شود ، که در آن زمان بندی دقیق است.امواج مستطیل شکل در پردازش و زمان بندی سیگنال نیز عالی هستند.به عنوان مثال ، در الکترونیک دیجیتال ، از امواج مستطیل شکل می توان به عنوان سیگنال ساعت با زمان بندی قابل تنظیم استفاده کرد تا به هماهنگی بخش های مختلف یک سیستم کمک کند.امواج مستطیل از امواج مربع انعطاف پذیرتر هستند زیرا می توان چرخه وظیفه آنها را تنظیم کرد.

شکل 2: شکل موج مستطیل

خصوصیات امواج پالس

شکل های موج پالس با شکل موج های دوره ای متفاوت است زیرا الگوی منظم و مکرر ندارند.شکل های موج دوره ای در یک چرخه پایدار تکرار می شوند اما شکل موج های پالس در واکنش به چیزی مانند رسیدن به ولتاژ خاص اتفاق می افتد.به همین دلیل ، شکل موج پالس بسته به وضعیت می تواند متفاوت به نظر برسد.

یک نکته مهم در مورد شکل موج پالس این است که آنها می توانند با تغییر شکل و زمان خود اطلاعات را حمل کنند.شکل های موج دوره ای قابل پیش بینی تر هستند اما شکل های موج پالس شده را می توان در زمان واقعی تنظیم کرد تا انواع مختلفی از داده ها را نشان دهد.از آنجا که شکل های موج پالس می توانند بر اساس شرایط مختلف تغییر کنند ، آنها ابزاری مناسب برای دستیابی به اطلاعات پیچیده هستند.توانایی آنها در انطباق سریع باعث می شود که آنها برای فناوری هایی که به پاسخ سریع و انعطاف پذیری نیاز دارند ، مهم باشد.

شکل 3: شکل موج پالس

صدای یک موج مربع ، مستطیل و پالس

امواج مربع: امواج مربع صدای جسورانه و تیز دارند که از آن برجسته است.آنها این صدای قوی را ایجاد می کنند زیرا هارمونیک های عجیب و غریب زیادی دارند و به آنها صدای وزوز می بخشد.موج به سرعت بین سطح بالا و پایین تغییر می کند که باعث می شود صدای آن "لبه دار" باشد و قادر به قطع صداهای دیگر در یک ترکیب باشد.امواج مربعی در موسیقی الکترونیکی و مصنوعات استفاده می شود زیرا می توانند هم باس های عمیق و هم تیز و تیز و جذاب را ایجاد کنند.

امواج مستطیل شکل: امواج مستطیل از امواج مربع انعطاف پذیر تر هستند زیرا می توانید با تنظیم مدت ماندن در موقعیت "بالا" ، لحن آنها را تغییر دهید.هنگامی که زمان بالا تقریباً نیمی است ، آنها مانند امواج مربع با لحنی روشن و غنی به نظر می رسند.اما اگر زمان در حالت بالا کوتاه تر شود ، صدا نازک تر و بینی تر می شود.این انعطاف پذیری به امواج مستطیل اجازه می دهد تا طیف گسترده ای از صداها را از قوی و پانچ به نور و توخالی ایجاد کنند.

امواج پالس: امواج پالس دارای صدای سریع و تیز هستند و آنها را برای جلوه های ریتمیک یا کوتاه و کوبه ای عالی می کنند.آنها در ایجاد پشت سر هم سریع صدا مانند کلیک یا بوق خوب هستند و به خوبی در موسیقی کار می کنند که به عناصر ریتمیک قوی و قوی نیاز دارد.افزایش سریع و سقوط امواج پالس به آنها احساس تهاجمی می بخشد ، بنابراین آنها اغلب برای ضربات مصنوعی استفاده می شوند.

تجزیه و تحلیل فوریه از امواج مربع ، مستطیل و پالس

امواج مربع

یک موج مربع یک شکل موج است که به سرعت بین یک مقدار بالا و پایین تغییر می کند و در هر سطح زمان مساوی را صرف می کند.با استفاده از سری فوریه ، می توانیم آن را به عنوان مجموع امواج سینوسی بیان کنیم.برای یک موج مربع با دامنه A و دوره T ، سری فوریه ها:

در اینجا ، N فقط اعداد صحیح عجیب و غریب را نشان می دهد ، و فرکانس موج است.این سریال با فرکانس شروع می شود (چه زمانی ) و شامل هارمونیک های عجیب و غریب بالاتر است.به دنبال معکوس تعداد هارمونیک ، هر هارمونیک پی در پی در دامنه کاهش می یابد.

شکل 4: امواج مربع در سری فوریه

امواج مستطیل

امواج مستطیل شبیه به امواج مربع است ، اما زمان صرف شده در حالت های بالا و پایین نابرابر است.در این حالت ، سری فوریه باید "چرخه وظیفه" D را حساب کند ، که بخشی از دوره است که موج در حالت بالا باقی می ماند.سری فوریه برای یک موج مستطیل شکل است:

این فرمول برای طول های مختلف حالتهای بالا و پایین تنظیم می شود و چرخه وظیفه D را در اجزای موج سینوسی درج می کند.

شکل 5: امواج مستطیل شکل در سری فوریه

امواج پالس

امواج پالس یا قطارهای پالس از پالسهای مکرر تشکیل شده است که با فواصل زمانی که سیگنال صفر است جدا می شوند.تجزیه و تحلیل فوریه قطارهای پالس پیچیده تر است زیرا بستگی به شکل پالس ها و زمان بندی بین آنها دارد.یک سری متداول فوریه برای قطار پالس های مستطیل شکل به نظر می رسد:

در این عبارت ، δ عرض هر پالس است ، T دوره بین پالس ها است ، فرکانس پایه قطار پالس است.در عملکرد ، تعریف شده به عنوان ، توصیف می کند که چگونه شکل پالس بر اجزای فرکانس تأثیر می گذارد.

شکل 6: تجزیه و تحلیل فوریه قطارهای پالس

نمونه های موج الکتریکی

موج مربع

موج مربعی یکی از ساده ترین انواع شکل موج است.بین دو سطح ، هزینه های زیاد و کم زمان مساوی در هر حالت متناوب است.این تقسیم برابر یک چرخه وظیفه 50 ٪ نامیده می شود.

این به معنای این است:

• موج برای مدت معینی (سطح بالا) "روی" می ماند.

• سپس برای یک دوره مساوی (سطح پایین) "خاموش" می ماند.

به عنوان مثال ، اگر عرض پالس 10 میلی ثانیه (MS) برای هر دو حالت "روشن" و "خاموش" باشد ، زمان کل برای یک چرخه کامل (یک دوره) است:

فراوانی موج به ما می گوید که چند چرخه در ثانیه اتفاق می افتد.برای یافتن فرکانس ، از فرمول استفاده کنید:

در این مورد:

بنابراین ، موج 50 بار در ثانیه تکرار می شود.

شکل 7: اینورتر منبع ولتاژ 3 فاز با خروجی موج مربع

موج مستطیل

حال ، بیایید شکل های موج مستطیل را که شبیه به امواج مربع هستند ، کشف کنیم اما بارها و بارها مساوی ندارند.زمان بلند شدن سیگنال ، عرض پالس مثبت نامیده می شود و نسبت آن زمان به کل دوره ، چرخه وظیفه نامیده می شود.

اگر عرض پالس مثبت 10 میلی ثانیه باشد اما چرخه وظیفه 25 ٪ است ، به این معنی است که موج فقط برای 25 ٪ از کل چرخه "روشن" است.

برای یافتن دوره کل ، عرض پالس مثبت را بر اساس چرخه وظیفه تقسیم کنید:

برای یافتن فرکانس ، از همان فرمول قبلی استفاده کنید:

بنابراین ، این شکل موج 25 بار در ثانیه با زمان "در" زمان کوتاه تر در مقایسه با زمان "خاموش" تکرار می شود.

مقایسه امواج مربع ، امواج مستطیل شکل و شکل موج پالس

مشخصه	امواج مربع	امواج مستطیل	شکل های موج پالس
شکل	متقارن ، برابر برابر با زمان زیاد و پایین	چرخه وظیفه نامتقارن و تغییر	پالس های تیز و ناگهانی با عرض مختلف
دامنه	ثابت	ثابت	ثابت
بسامد	بر اساس برنامه ثابت شده است	قابل تنظیم	پایین تر از فرکانس پایه
تپش عرض	نیمی از دوره (در چرخه وظیفه 50 ٪)	وابسته به چرخه وظیفه	بسیار کوتاه تا متوسط ​​، نبض را تعریف می کند
تکرار نرخ	تعریف شده توسط فرکانس	تعریف شده توسط فرکانس	کم تا خیلی زیاد
وظیفه چرخه	50 ٪ (ثابت)	هر درصد ، نه 50 ٪	بسیار متفاوت است ، کمتر از 50 ٪
هارمونیک محتوا	سرشار از هارمونیک های عجیب و غریب	سرشار از هارمونیک	وابسته به شکل و عرض پالس
تولید روش	نوسان ساز ، فلیپ فلاپ	نوسان سازهای قابل تنظیم ، ژنراتورهای سیگنال	ژنراتورهای نبض ، مدارهای تخصصی
برنامه	مدارهای زمان بندی ، ساعتهای دیجیتال	منبع تغذیه سوئیچینگ ، تعدیل کننده ها	رادار ، ارتباطات ، تصویربرداری پزشکی

شکل 8: موج مربع و مستطیل

پایان

در این مقاله به اهمیت انواع مختلف شکل موج در طراحی سیستم های الکترونیکی توضیح داده شده است.هر شکل موج دارای خواص و مزایای خاص خود است که در موقعیت های خاص مفید است.امواج مربع برای سیستم های دیجیتال مفید هستند.آنها انتقال صاف و دقیق بین حالتهای باینری را که برای پردازش و ارتباط داده ها مفید است ، اطمینان می دهند.امواج مستطیل شکل با ارائه چرخه های وظیفه قابل تنظیم بر روی این مفهوم گسترش می یابند و امکان کنترل دقیق تری در برنامه هایی را فراهم می کنند که در آن نیاز به زمان بندی سیگنال است.امواج پالس در موقعیت هایی که نیاز به انعطاف پذیری و پاسخگویی بالایی دارند ، مانند رادار یا تصویربرداری پزشکی بسیار ارزشمند هستند.آنها اطلاعات را از طریق تغییر در شکل پالس و زمان بندی منتقل می کنند و آنها را برای انتقال داده ها ایده آل می کنند.تجزیه و تحلیل فوریه از این شکل موج ، درک روشنی و ریاضی از رفتار آنها را ارائه می دهد.در این مقاله ، یک مرور کلی از تئوری و کاربردهای عملی این شکل های موج ارائه شده است ، و آن را به یک راهنمای ارزشمند برای هر کسی که در طراحی الکترونیکی کار می کند ، تبدیل می کند.

سوالات متداول [سؤالات متداول]

1. مزایای امواج مربع چیست؟

امواج مربع ارزش دارند زیرا در بسیاری از کارهای الکترونیکی و پردازش سیگنال ساده و مفید هستند.یکی از مزایای بزرگ ، سوئیچ شدید آنها بین سطح بالا و پایین است و آنها را برای زمان بندی و سیگنال های ساعت دیجیتال در رایانه ها و سایر دستگاه های دیجیتال مناسب می کند.این تغییرات سریع به جلوگیری از سردرگمی در خواندن سیگنال ها کمک می کند.همچنین ، امواج مربع فقط هارمونیک های عجیب و غریب دارند که باعث می شود کار در برنامه های مربوط به هارمونیک ، مانند سینت سایزر و فناوری صوتی ، کار با آنها را آسان تر کند ، جایی که صداهای واضح مهم هستند.

2. امواج مربع چگونه ساخته می شوند؟

امواج مربع با استفاده از نوسان سازهای الکترونیکی ، مانند محرک های اشمیت یا مدارهای فلیپ فلاپ ، تولید می شوند که بین دو سطح ولتاژ جابجا می شوند.این نوسان سازها هنگامی که ورودی آنها از مقادیر معینی آستانه عبور می کند ، خروجی ها را تغییر می دهد و باعث ایجاد انتقال شدید امواج مربع می شود.ژنراتورهای عملکردی که در آزمایشگاه ها استفاده می شوند نیز می توانند با جابجایی سریع بین حالتهای ولتاژ بالا و پایین ، امواج مربعی از فرکانس و دامنه مورد نظر را تولید کنند.

3. دوره پالس مستطیل چیست؟

دوره پالس مستطیل شکل به مدت زمان یک چرخه کامل پالس اشاره دارد که شامل یک حالت بالا و یک حالت کم است.این به عنوان زمان لازم برای بازگشت پالس به حالت اولیه خود اندازه گیری می شود.دوره t پالس مجموع مدت زمان حالت بالا (thigh) و حالت کم (tlow) است که به عنوان t = ران+tlow بیان شده است.از نظر عملی ، این دوره فرکانس شکل موج پالس را تعیین می کند که فرکانس متقابل دوره (F = 1/T) است.

4- اجزای شکل موج پالس چیست؟

شکل موج پالس از چندین مؤلفه تشکیل شده است:

دامنه: حداکثر مقدار پالس بالا یا زیر پایه آن.

مدت زمان: مدت زمان پالس در حداکثر دامنه آن است.

زمان افزایش: زمان لازم برای انتقال پالس از مقدار کم آن (اغلب ولتاژ زمین یا صفر) به مقدار بالای آن.

زمان پاییز: زمان لازم برای انتقال پالس از مقدار بالای آن به مقدار کم آن است.

چرخه وظیفه: نشان دهنده نسبت یک دوره ای است که در آن سیگنال فعال یا زیاد است.اغلب به عنوان درصد بیان می شود.

5- شکل موج پالس چگونه اندازه گیری می شود؟

این روند است:

پروب های اسیلوسکوپ را به منبع سیگنال یا دستگاهی که از شکل موج پالس خارج می شود ، وصل کنید.

تنظیمات اسیلوسکوپ مانند زمان/تقسیم و ولت/تقسیم را تنظیم کنید تا به طور مناسب شکل موج را در صفحه نمایش مقیاس دهید.

اسیلوسکوپ را برای تثبیت نمایشگر شکل موج تحریک کنید و اطمینان حاصل کنید که پالس به طور تمیز و به طور پیوسته تجسم می شود.

از ابزارهای اندازه گیری اسیلوسکوپ برای تعیین دامنه پالس ، دوره ، چرخه وظیفه ، زمان افزایش و زمان سقوط مستقیماً از شکل موج نمایش داده شده استفاده کنید.