Fasy nie-sinusoidalne: kwadratowe, prostokątne i pulsacyjne przebiegi

W inżynierii elektronicznej generowanie i kształtowanie fali elektrycznych są ważnymi zadaniami stosowanymi w wielu dziedzinach, w tym systemach komunikacyjnych i cyfrowej elektronice.W tym artykule omówiono trzy typy przebiegów: fale kwadratowe, prostokątne fale i fale pulsacyjne, każde o unikalnych cechach i zastosowaniach.Symetria fal kwadratowych i szybkie przejścia między stanami sprawiają, że są tak skuteczne w przełączaniu aplikacji.Elastyczność fal prostokątnych jest przydatna w zadaniach takich jak modulacja szerokości impulsowej (PWM) i przetwarzanie sygnału, w których wymagane jest dopracowanie przebiegu.Pulsowane fale są nieregularne i nie do powtórzenia, wykonane w sytuacjach, w których zmiany czasowe są wykorzystywane do wysyłania informacji.

W tym artykule bada fizyczne cechy tych fal, w jaki sposób zachowują się w analizie Fouriera i ich praktyczne zastosowania.Zrozumienie tych szczegółów pomaga podkreślić, co wyróżnia każdy przebieg w aplikacjach elektronicznych.Bada również, w jaki sposób generowany jest każdy przebieg i wspólne zastosowania dla każdego z nich, zapewniając wyraźniejszy obraz tego, w jaki sposób przyczyniają się do poprawy projektów elektronicznych.

Katalog

Rysunek 1: Fali kwadratowe

Charakterystyka fal kwadratowych

Fale kwadratowe to przebiegi, które szybko przełączają się między dwoma poziomami napięcia o nazwie „High” i „niski”.Zmiany te zdarzają się natychmiast, tworząc ostre przesunięcie między dwoma stanami.Jednak w prawdziwych systemach czynniki takie jak właściwości obwodu spowalniają przejścia.Czas potrzebny na zwiększenie napięcia lub upadek nazywa się czasem wzrostu (do wzrostu) i upadku (na upadek).Idealna fala kwadratowa spędza równy czas w wysokich i niskich stanach, tworząc zrównoważony przebieg.

Czas spędzony w stanach wysokich i niskich może się różnić, ale fala jest nadal uważana za falę kwadratową.Zmiana tego równowagi może być przydatna w przypadku różnych zadań.Jednak przy dokładności czasu, takiej jak w systemach komunikacyjnych, ważne jest, aby zachować symetrię.W takich przypadkach mogą być wymagane dodatkowe korekty projektowe.

Charakterystyka prostokątnych fal

Prostokątne fale są podobne do fal kwadratowych, ale mają nierównomierne wysokie i niskie fazy, co daje im większą elastyczność.Podczas gdy fale kwadratowe mają równy wysoki i niski czas, prostokątne fale pozwalają dostosowywać te czasy osobno.To sprawia, że ​​prostokątne fale są bardziej przydatne w sytuacjach, w których ścisły wzór fal kwadratowych nie jest wymagany.

Jedną wielką zaletą prostokątnych fal jest ich elastyczność.Regulując wysoki i niski czas, szerokość każdego impulsu można kontrolować, która jest ważna w modulacji szerokości impulsowej (PWM).PWM jest używany w takich rzeczach, jak kontrola silnika, komunikacja i zasilanie, w których czas musi być precyzyjny.Fale prostokątne są również świetne w przetwarzaniu sygnałów i taktowaniu.Na przykład w cyfrowej elektronice prostokątne fale mogą być używane jako sygnały zegara o regulowanych czasach, aby koordynować różne części układu.Fale prostokątne są bardziej elastyczne niż fale kwadratowe, ponieważ ich cykl pracy można regulować.

Rysunek 2: Fali prostokątne

Charakterystyka fal pulsowanych

Fali pulsacyjne różnią się od okresowych przebiegów, ponieważ nie mają regularnego, powtarzającego się wzoru.Okresowe kształty fali powtarzają się w stałym cyklu, ale fali pulsacyjne zdarzają się w reakcji na coś takiego, jak osiągnięcie określonego napięcia.Z tego powodu pulsacyjne kształty fali mogą wyglądać inaczej w zależności od sytuacji.

Jedną ważną rzeczą w fali pulsacyjnych jest to, że mogą one przenosić informacje, zmieniając swój kształt i czas.Okresowe przebiegi są bardziej przewidywalne, ale fali pulsacyjne można regulować w czasie rzeczywistym, aby pokazać różne rodzaje danych.Ponieważ fali pulsacyjne mogą się zmieniać w zależności od różnych warunków, są to dobre narzędzie do obsługi złożonych informacji.Ich zdolność do szybkiego dostosowywania czyni je ważnymi dla technologii wymagających szybkich reakcji i elastyczności.

Rycina 3: Faliczny przebieg impulsów

Dźwięk kwadratowych, prostokątnych i pulsacyjnych fal

Fale kwadratowe: Fale kwadratowe mają odważny, ostry dźwięk, który wyróżnia się.Tworzą ten silny dźwięk, ponieważ mają wiele dziwnych harmonicznych, co daje im brzęczący ton.Fala szybko przełącza się między wysokim i niskim poziomem, dzięki czemu jego dźwięk jest „ostry” i jest w stanie przeciąć inne dźwięki w miksie.Fale kwadratowe są używane w muzyce elektronicznej i syntezatorach, ponieważ mogą tworzyć zarówno głębokie bas, jak i ostre, przyciągające uwagę potencjalnych klientów.

Fale prostokątne: prostokątne fale są bardziej elastyczne niż fale kwadratowe, ponieważ możesz zmienić ich ton, dostosowując, jak długo pozostają w pozycji „wysokiej”.Kiedy spędzony czas spędzony jest około połowy, brzmią jak kwadratowe fale z jasnym i bogatym tonem.Ale jeśli czas w wysokim stanie staje się krótszy, dźwięk staje się cieńszy i bardziej nosowy.Ta elastyczność pozwala prostokątne fale tworzą szeroki zakres dźwięków, od mocnych i mocnych po światło i puste.

Pulsowane fale: Pulsowane fale mają szybki, ostry dźwięk, co czyni je doskonałymi do rytmicznych lub krótkich, perkusyjnych efektów.Są dobre w tworzeniu szybkich serii dźwięku jak kliknięcia lub sygnały dźwiękowe i działają dobrze w muzyce, która wymaga silnych, rytmicznych elementów.Szybki wzrost i upadek fal pulsacyjnych daje im agresywny charakter, dzięki czemu są często używane do dźgnięć syntezatorowych.

Analiza Fouriera fal kwadratowych, prostokątnych i pulsowanych

Fale kwadratowe

Fala kwadratowa to przebieg, który szybko przełącza się między wysoką a niską wartością, spędzając równy czas na każdym poziomie.Korzystając z serii Fouriera, możemy wyrazić to jako sumę fal sinusoidalnych.W przypadku fali kwadratowej o amplitudzie A i okresu t, seria Fouriera to:

Tutaj N reprezentuje tylko dziwne liczby całkowite i jest częstotliwością fali.Seria zaczyna się od częstotliwości (kiedy ) i obejmuje wyższe dziwne harmoniczne.Każda kolejna harmoniczna amplituda, po odwrotności liczby harmonicznej.

Rysunek 4: Fale kwadratowe w serii Fourier

Prostokątne fale

Prostokątne fale są podobne do fal kwadratowych, ale czas spędzony w wysokich i niskich stanach jest nierówny.W tym przypadku seria Fouriera musi uwzględniać „cykl pracy” D, który jest ułamkiem okresu, w którym fala pozostaje w stanie wysokim.Seria Fouriera dla prostokątnej fali to:

Ta formuła dostosowuje się do różnych długości stanów wysokich i niskich, obejmując cykl pracy D do składników fali sinusoidalnej.

Rysunek 5: Fale prostokątne w serii Fouriera

Pulsowane fale

Pulsowane fale lub pociągi impulsowe składają się z powtarzających się impulsów oddzielonych odstępami, w których sygnał wynosi zero.Analiza Fouriera pociągów impulsów jest bardziej skomplikowana, ponieważ zależy od kształtu impulsów i czasu między nimi.Wygląda na wspólną serię Fouriera dla pociągu prostokątnych impulsów:

W tym wyrażeniu δ jest szerokością każdego impulsu, T jest okresem między impulsami, jest podstawową częstotliwością pociągu impulsowego.. funkcja, zdefiniowana jako , opisuje, w jaki sposób kształt impulsu wpływa na elementy częstotliwości.

Rysunek 6: Analiza Fouriera pociągów impulsów

Przykłady fali elektrycznej

Fala kwadratowa

Fala kwadratowa jest jednym z najprostszych rodzajów przebiegów.Wytrzymuje dwa poziomy, wysokie i niskie, spędzając równy czas w każdym stanie.Ten równy podział nazywany jest 50% cyklem pracy.

Oto, co to znaczy:

• • Fala pozostaje „włączona” przez pewien okres czasu (wysoki poziom).

• • Następnie pozostaje „wyłączony” przez równy czas (niski poziom).

Na przykład, jeśli szerokość impulsu wynosi 10 milisekund (MS) zarówno dla stanów „ON”, jak i „OFF”, wówczas całkowity czas dla jednego pełnego cyklu (jeden okres) to:

Częstotliwość fali mówi nam, ile cykli ma miejsce na sekundę.Aby znaleźć częstotliwość, użyj wzoru:

W takim przypadku:

Tak więc fala powtarza się 50 razy na sekundę.

Rysunek 7: 3-fazowy falownik źródłowy z wyjściem fali kwadratowej

Fala prostokątna

Teraz eksplorujmy prostokątne kształty fali, które są podobne do fal kwadratowych, ale nie mają równych czasów na i nie.Czas pozostaje wysoki, nazywany jest szerokością dodatnią impulsu, a stosunek tego czasu do całkowitego okresu nazywa się cyklem pracy.

Jeśli dodatnia szerokość impulsu wynosi 10 ms, ale cykl pracy wynosi 25%, oznacza to, że fala jest „włączona” tylko dla 25% całkowitego cyklu.

Aby znaleźć całkowity okres, podziel dodatnią szerokość impulsu według cyklu pracy:

Aby znaleźć częstotliwość, użyj tej samej formuły jak poprzednio:

Tak więc ten przebieg powtórzyłby się 25 razy na sekundę, a czas „na” byłby krótszy w porównaniu z czasem „wyłączonym”.

Porównanie fal kwadratowych, prostokątnych fal i pulsacyjnych przebiegów

Charakterystyczny	Fale kwadratowe	Prostokątne fale	Pulsowane przebiegi
Kształt	Symetryczny, równy wysoki i niski czas	Asymetryczny, zmieniający się cykl pracy	Ostre, nagłe impulsy o różnej szerokości
Amplituda	Stały	Stały	Stały
Częstotliwość	Naprawiono na podstawie aplikacji	Nastawny	Niższa niż częstotliwość podstawowa
Puls Szerokość	Połowa okresu (w 50% cyklu pracy)	Zależne od cyklu służby	Bardzo krótkie do umiarkowane, definiuje impuls
Powtórzenie Wskaźnik	Zdefiniowane przez częstotliwość	Zdefiniowane przez częstotliwość	Niski do bardzo wysokiego
Obowiązek Cykl	50% (naprawione)	Każdy procent, a nie 50%	Różni się znacznie, mniej niż 50%
Harmoniczny Treść	Bogaty w dziwne harmoniczne	Bogaty w harmoniczne	Zależy od kształtu i szerokości impulsu
Generacja Metoda	Oscylatory, klapki	Regulowane oscylatory, generatory sygnałów	Generatory impulsów, specjalistyczne obwody
Zastosowania	Obwody czasowe, zegary cyfrowe	Przełączanie zasilaczy, modulatory	Radar, komunikacja, obrazowanie medyczne

Rysunek 8: Fala kwadratowa i prostokątna

Wniosek

W tym artykule wyjaśniono znaczenie różnych rodzajów kształtów fali w projektowaniu systemów elektronicznych.Każdy kształt fali ma swoje własne właściwości i korzyści, które są przydatne w określonych sytuacjach.Fale kwadratowe są przydatne dla systemów cyfrowych.Zapewniają płynne i dokładne przejścia między stanami binarnymi, które są dobre do przetwarzania danych i komunikacji.Prostokątne fale rozszerzają tę koncepcję, zapewniając regulowane cykle pracy, umożliwiając dokładniejszą kontrolę w aplikacjach, w których należy dostosować czas sygnału.Fale pulsacyjne są nieocenione w sytuacjach, które wymagają wysokiej elastyczności i reakcji, takich jak obrazowanie radarowe lub medyczne.Przekazują informacje poprzez zmiany kształtu i czasu impulsu, co czyni je idealnymi do przesyłania danych.Analiza Fouriera tych przebiegów oferuje jasne, matematyczne zrozumienie ich zachowania.W tym artykule zawiera wyraźny przegląd zarówno teorii, jak i praktycznych zastosowań tych przebiegów, co czyni go cennym przewodnikiem dla każdego, kto pracuje w projektowaniu elektronicznym.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Jakie są zalety kwadratowych fal?

Fale kwadratowe są cenione, ponieważ są proste i przydatne w wielu zadaniach elektronicznych i przetwarzania sygnałów.Jedną z dużych korzyści jest ich ostre przełączanie między wysokim i niskim poziomem, co czyni je idealnymi do sygnałów czasowych i cyfrowych w komputerach i innych urządzeniach cyfrowych.Te szybkie zmiany pomagają uniknąć zamieszania w sygnałach czytania.Ponadto fale kwadratowe mają tylko dziwne harmoniczne, które ułatwiają pracę w aplikacjach dotyczących harmonicznych, takich jak syntezatory i technologia audio, w których ważne są wyraźne dźwięki.

2. Jak powstają fale kwadratowe?

Fale kwadratowe są generowane przy użyciu elektronicznych oscylatorów, takich jak wyzwalacze Schmitt lub obwody Flip-Flop, które przełączają się między dwoma poziomami napięcia.Te oscylatory przełączają się, gdy ich wejście przekracza pewne wartości progowe, tworząc ostre przejścia charakterystyczne dla fal kwadratowych.Generatory funkcji, które stosowane w laboratoriach mogą być również zaprogramowane w celu wytwarzania kwadratowych fal pożądanej częstotliwości i amplitudy poprzez szybkie przełączanie między stanami wysokiego i niskiego napięcia.

3. Jaki jest prostokątny okres impulsu?

Okres prostokątnego impulsu odnosi się do czasu trwania jednego pełnego cyklu impulsu, obejmującego jeden wysoki stan i jeden niski stan.Jest to określone ilościowo jako czas potrzebny na powrót pulsu do stanu początkowego.Okres t impulsu jest sumą czasu trwania stanu wysokiego (tighgh) i niskiego stanu (tlow), wyrażonego jako t = udo+tlow.W praktyce okres ten określa częstotliwość przebiegu impulsu, a częstotliwość jest odwrotnością okresu (f = 1/t).

4. Jakie są elementy przebiegu pulsu?

Fala pulsowa składa się z kilku komponentów:

Amplituda: maksymalna wartość impulsu powyżej lub poniżej jego wartości wyjściowej.

Czas trwania: czas impulsu jest maksymalna amplituda.

Czas wzrostu: czas potrzebny na przejście pulsu od jego niskiej wartości (często uziemienia lub zerowego napięcia) do jego wysokiej wartości.

Czas upadku: czas potrzebny na przejście pulsu z powrotem z wysokiej wartości do niskiej wartości.

Cykl pracy: reprezentuje odsetek jednego okresu, w którym sygnał jest aktywny lub wysoki.Jest to często wyrażane jako procent.

5. Jak mierzy się kształt fali pulsu?

Oto proces:

Podłącz sondy oscyloskopu ze źródłem sygnału lub urządzenie wyświetlające przebieg impulsu.

Dostosuj ustawienia oscyloskopu, takie jak czas/podział i wolty/podział, aby odpowiednio skalować przebieg na wyświetlaczu.

Uruchom oscyloskop, aby ustabilizować wyświetlacz przebiegu, zapewniając, że impuls jest czysto i stale wizualizowany.

Użyj narzędzi pomiarowych oscyloskopu do określenia amplitudy, okresu, cyklu pracy, czasu wzrostu i czasu upadku bezpośrednio z wyświetlanego przebiegu.