2024/08/27'te 414

Sinüsoidal olmayan dalga formları: kare, dikdörtgen ve darbeli dalga formları

Elektronik mühendisliğinde, elektrik dalga formlarının üretilmesi ve şekillendirilmesi, iletişim sistemleri ve dijital elektronikler de dahil olmak üzere birçok alanda kullanılan önemli görevlerdir.Bu makalede üç tür dalga formu tartışılması: Kare dalgalar, dikdörtgen dalgalar ve her biri benzersiz özelliklere ve kullanımlara sahip darbeli dalgalar.Kare dalgalar simetrisi ve durumlar arasındaki hızlı geçişler, bunları anahtarlamada bu kadar etkili kılan şeydir.Dikdörtgen dalgalar esnekliği, dalga formunun ince ayarlanması gereken nabız genişliği modülasyonu (PWM) ve sinyal işleme gibi görevlerde yararlıdır.Darbeli dalgalar, bilgi göndermek için zamanlama değişikliklerinin kullanıldığı durumlar için yapılmış düzensiz ve tekrarlayıcı değildir.

Bu makale, bu dalga formlarının fiziksel özelliklerini, Fourier analizinde nasıl davrandıklarını ve pratik kullanımlarını araştırmaktadır.Bu ayrıntıları anlamak, her bir dalga formunu elektronik uygulamalarda neyin birbirine ayırdığını vurgulamaya yardımcı olur.Ayrıca, her dalga formunun nasıl üretildiğini ve her biri için ortak kullanımları inceler ve elektronik tasarımların iyileştirilmesine nasıl katkıda bulunduklarının daha net bir resmini sağlar.

Katalog

Şekil 1: Kare dalga formu

Kare dalgaların özellikleri

Kare dalgalar, "yüksek" ve "düşük" adı verilen iki voltaj seviyesi arasında hızlı bir şekilde geçiş yapan dalga formlarıdır.Bu değişiklikler anında gerçekleşir ve iki durum arasında keskin bir değişim yaratır.Bununla birlikte, gerçek sistemlerde, devre özellikleri gibi faktörler geçişleri yavaşlatır.Voltajın yükselmesi veya düşmesi için geçen süreye yükselme süresi (yükselmek için) ve düşme süresi (aşağı inmek için) denir.Mükemmel bir kare dalga, yüksek ve düşük durumlarda eşit zaman harcar ve dengeli bir dalga formu oluşturur.

Yüksek ve düşük durumlarda geçirilen süre farklı olabilir, ancak dalga hala kare bir dalga olarak kabul edilir.Bu dengeyi değiştirmek farklı görevler için yararlı olabilir.Bununla birlikte, iletişim sistemlerinde olduğu gibi doğruluğu zamanlama sırasında simetriyi korumak önemlidir.Bu durumlarda, ekstra tasarım ayarlamaları gerekebilir.

Dikdörtgen dalgaların özellikleri

Dikdörtgen dalgalar kare dalgalara benzer, ancak eşit olmayan yüksek ve düşük fazlara sahiptir, bu da onlara daha fazla esneklik sağlar.Kare dalgalar eşit yüksek ve düşük zamanlara sahipken, dikdörtgen dalgalar bu süreleri ayrı ayrı ayarlamanıza izin verir.Bu, dikdörtgen dalgaları, kare dalgaların katı modelinin gerekli olmadığı durumlar için daha kullanışlı hale getirir.

Dikdörtgen dalgaların büyük bir yararı esnekliğidir.Yüksek ve düşük zamanları ayarlayarak, nabız genişliği modülasyonunda (PWM) önemli olan her darbenin genişliği kontrol edilebilir.PWM, zamanlamanın kesin olması gereken motor kontrolü, iletişim ve güç sistemleri gibi şeylerde kullanılır.Dikdörtgen dalgalar da sinyal işleme ve zamanlamada mükemmeldir.Örneğin, dijital elektroniklerde, dikdörtgen dalgalar, bir sistemin farklı bölümlerini koordine etmeye yardımcı olmak için ayarlanabilir zamanlamalara sahip saat sinyalleri olarak kullanılabilir.Dikdörtgen dalgalar kare dalgalardan daha esnektir, çünkü görev döngüsü ayarlanabilir.

Şekil 2: Dikdörtgen dalga formu

Darbeli dalgaların özellikleri

Darbeli dalga formları düzenli, tekrarlayan bir desenleri olmadığı için periyodik dalga formlarından farklıdır.Periyodik dalga formları sabit bir döngüde tekrarlanır, ancak belirli bir voltaja ulaşmak gibi bir şeye tepki olarak darbeli dalga formları meydana gelir.Bu nedenle, darbeli dalga formları duruma bağlı olarak farklı görünebilir.

Darbeli dalga formları hakkında önemli bir şey, şekillerini ve zamanlamalarını değiştirerek bilgi taşıyabilmeleridir.Periyodik dalga formları daha öngörülebilirdir, ancak darbeli dalga formları farklı türde veri göstermek için gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir.Darbeli dalga formları farklı koşullara göre değişebildiğinden, karmaşık bilgileri işlemek için iyi bir araçtır.Hızlı yanıtlara ve esnekliğe ihtiyaç duyan teknolojiler için onları hızlı bir şekilde adapte etme yetenekleri onları önemli kılar.

Şekil 3: Nabız dalga formu

Bir kare, dikdörtgen ve darbeli dalgaların sesi

Kare Dalgalar: Kare dalgalar göze çarpan cesur, keskin bir sese sahiptir.Bu güçlü sesi yaratıyorlar çünkü çok fazla garip harmonikleri var ve onlara buzzy bir ton veriyorlar.Dalga, sesini "sinirli" yapan ve bir karışımdaki diğer sesleri kesebilen yüksek ve düşük seviyeler arasında hızlı bir şekilde geçer.Kare dalgalar elektronik müzik ve synth'lerde kullanılır, çünkü hem derin bas hem de keskin, dikkat çekici kurşunlar yapabilirler.

Dikdörtgen dalgalar: Dikdörtgen dalgalar kare dalgalardan daha esnektir, çünkü "yüksek" pozisyonda ne kadar kaldıklarını ayarlayarak tonlarını değiştirebilirsiniz.Yüksek geçirilen zaman yaklaşık yarısı olduğunda, parlak ve zengin bir tona sahip kare dalgalar gibi geliyorlar.Ancak yüksek durumdaki zaman kısalırsa, ses daha ince ve burun haline gelir.Bu esneklik, dikdörtgen dalgaların güçlü ve yumrukludan ışığa ve oyuklara çok çeşitli sesler yaratmasını sağlar.

Darbeli Dalgalar: Darbeli dalgalar hızlı, keskin bir sese sahiptir, bu da onları ritmik veya kısa, vurmalı efektler için harika hale getirir.Tıklamalar veya bip sesi gibi hızlı ses patlamaları yaratmada iyidirler ve güçlü, ritmik unsurlara ihtiyaç duyan müzikte iyi çalışırlar.Darbeli dalgaların hızlı yükselişi ve düşüşü onlara agresif bir his verir, bu nedenle genellikle synth bıçakları için kullanılırlar.

Kare, dikdörtgen ve darbeli dalgaların Fourier analizi

Kare dalgalar

Kare dalga, yüksek ve düşük değer arasında hızla geçiş yapan ve her seviyede eşit zaman harcayan bir dalga formudur.Fourier serisini kullanarak, bunu sinüs dalgalarının toplamı olarak ifade edebiliriz.A genliği ve T dönemine sahip bir kare dalga için, Fourier serisi:

Burada, n sadece garip tamsayıları temsil eder ve dalganın sıklığıdır.Seri frekansla başlar (ne zaman ) ve daha yüksek garip harmonikler içerir.Her ardışık harmonik, harmonik sayının tersini takiben genlikte azalır.

Şekil 4: Fourier serisinde kare dalgalar

Dikdörtgen dalgalar

Dikdörtgen dalgalar kare dalgalara benzer, ancak yüksek ve düşük durumlarda geçirilen süre eşit değildir.Bu durumda, Fourier serisi, dalganın yüksek durumda kaldığı dönemin bir kısmı olan "görev döngüsü" D'yi açıklamalıdır.Dikdörtgen bir dalga için Fourier serisi:

Bu formül, yüksek ve düşük durumların farklı uzunlukları için ayarlanır ve D görev döngüsünü sinüs dalgası bileşenlerine dahil eder.

Şekil 5: Fourier serisinde dikdörtgen dalgalar

Darbeli dalgalar

Darbeli dalgalar veya nabız trenleri, sinyalin sıfır olduğu aralıklarla ayrılmış tekrarlanan darbelerden oluşur.Nabız trenlerinin Fourier analizi daha karmaşıktır, çünkü darbelerin şekline ve aralarındaki zamanlamaya bağlıdır.Dikdörtgen darbelerin bir treni için ortak bir Fourier serisi:

Bu ifadede, Δ her nabzın genişliğidir, t darbeler arasındaki dönemdir, nabız treninin temel frekansıdır.. işlev, olarak tanımlanan , nabız şeklinin frekans bileşenlerini nasıl etkilediğini açıklar.

Şekil 6: Darbe trenlerinin Fourier analizi

Elektrik Dalga Formları Örnekleri

Kare dalga

Kare dalga en basit dalga formlarından biridir.Her eyalette eşit miktarda zaman olan yüksek ve düşük harcama olmak üzere iki seviye arasında değişir.Bu eşit bölmeye% 50 görev döngüsü denir.

İşte ne anlama geliyor:

• Dalga belirli bir süre (yüksek seviye) "açık" kalır.

• Daha sonra eşit bir süre (düşük seviye) "kapalı" kalır.

Örneğin, nabız genişliği hem "açık" hem de "kapalı" durumlar için 10 milisaniye (MS) ise, bir tam döngü (bir periyot) için toplam süre:

Dalganın sıklığı bize saniyede kaç döngü olduğunu söyler.Frekansı bulmak için formülü kullanın:

Bu durumda:

Böylece, dalga saniyede 50 kez tekrarlanır.

Şekil 7: Kare dalga çıkışlı 3 fazlı voltaj kaynak invertör

Dikdörtgen dalga

Şimdi, kare dalgalara benzer ancak eşit ve kapalı zamanları olmayan dikdörtgen dalga formlarını keşfedelim.Sinyalin yüksek kaldığı süreye pozitif nabız genişliği denir ve o zamanın toplam süreye oranı görev döngüsü olarak adlandırılır.

Pozitif nabız genişliği 10 ms ise, ancak görev döngüsü% 25 ise, bu, toplam döngünün sadece% 25'i için dalganın "açık" olduğu anlamına gelir.

Toplam süreyi bulmak için, pozitif nabız genişliğini görev döngüsüne bölün:

Frekansı bulmak için daha önce olduğu gibi aynı formülü kullanın:

Böylece, bu dalga formu "kapalı" zamana kıyasla "on" zaman daha kısa olan saniyede 25 kez tekrarlayacaktır.

Kare dalgaların, dikdörtgen dalgaların ve darbeli dalga formlarının karşılaştırılması

Karakteristik	Kare dalgalar	Dikdörtgen dalgalar	Darbeli dalga formları
Şekil	Simetrik, eşit yüksek ve düşük zamanlar	Asimetrik, değişen görev döngüsü	Farklı genişliğe sahip keskin, ani darbeler
Genlik	Devamlı	Devamlı	Devamlı
Sıklık	Uygulamaya göre düzeltildi	Ayarlanabilir	Taban frekansından daha düşük
Darbe Genişlik	Dönemin yarısı (% 50 görev döngüsünde)	Görev döngüsüne bağımlı	Çok kısa ila orta derecede, nabzı tanımlar
Tekrarlama Oran	Frekansla tanımlanır	Frekansla tanımlanır	Düşük ila çok yüksek
Görev Döngü	% 50 (sabit)	Herhangi bir yüzde,% 50 değil	Geniş bir şekilde değişir,% 50'den az
Harmonik İçerik	Garip harmonik bakımından zengin	Harmonik bakımından zengin	Nabız şekline ve genişliğine bağlı
Nesil Yöntem	Osilatörler, parmak arası terlik	Ayarlanabilir osilatörler, sinyal jeneratörleri	Nabız jeneratörleri, özel devreler
Başvuru	Zamanlama devreleri, dijital saatler	Güç kaynaklarını değiştirme, modülatörler	Radar, iletişim, tıbbi görüntüleme

Şekil 8: Kare ve dikdörtgen dalga

Çözüm

Bu makale, elektronik sistemlerin tasarımında farklı dalga formlarının önemini açıklamaktadır.Her dalga formunun belirli durumlarda yararlı olan kendi özellikleri ve faydaları vardır.Kare dalgalar dijital sistemler için yararlıdır.Veri işleme ve iletişim için iyi olan ikili durumlar arasında pürüzsüz ve doğru geçişler sağlarlar.Dikdörtgen dalgalar, ayarlanabilir görev döngüleri sağlayarak bu kavram üzerinde genişler ve sinyal zamanlamasının özelleştirilmesi gereken uygulamalarda daha hassas kontrol sağlar.Darbeli dalgalar, radar veya tıbbi görüntüleme gibi yüksek esneklik ve yanıt verebilirlik gerektiren durumlarda paha biçilmezdir.Nabız şekli ve zamanlamasındaki değişiklikler yoluyla bilgi aktarırlar, bu da onları veri aktarmak için ideal hale getirir.Bu dalga formlarının Fourier analizi, davranışlarının net, matematiksel bir anlayışını sunar.Bu makale, bu dalga formlarının hem teorisi hem de pratik kullanımları hakkında net bir bakış sunarak elektronik tasarımda çalışan herkes için değerli bir rehber haline getiriyor.

Sık sorulan sorular [SSS]

1. Kare dalgaların avantajları nelerdir?

Kare dalgalar değerlidir, çünkü birçok elektronik ve sinyal işleme görevlerinde basit ve kullanışlıdırlar.Büyük bir avantaj, yüksek ve düşük seviyeler arasındaki keskin anahtarlarıdır, bu da onları bilgisayarlarda ve diğer dijital cihazlarda zamanlama ve dijital saat sinyalleri için mükemmel hale getirir.Bu hızlı değişiklikler okuma sinyallerinde karışıklığı önlemeye yardımcı olur.Ayrıca, kare dalgalar sadece net seslerin önemli olduğu sentezleyiciler ve ses teknolojisi gibi harmonikleri içeren uygulamalarda çalışmayı kolaylaştıran garip harmoniklere sahiptir.

2. Kare dalgalar nasıl yapılır?

Kare dalgalar, iki voltaj seviyesi arasında geçiş yapan Schmitt tetikleyicileri veya flip-flop devreleri gibi elektronik osilatörler kullanılarak üretilir.Bu osilatörler, girdileri belirli eşik değerlerini geçtiğinde çıkışları değiştirerek kare dalgaların keskin geçiş karakteristiğini oluşturur.Laboratuvarlarda kullanılan fonksiyon jeneratörleri, yüksek ve düşük voltaj durumları arasında hızla geçiş yaparak istenen frekans ve genlik kare dalgaları üretecek şekilde programlanabilir.

3. Dikdörtgen nabız periyodu nedir?

Dikdörtgen bir darbe süresi, bir yüksek durumu ve bir düşük durumu kapsayan nabızın bir tam döngüsü süresini ifade eder.Bu, nabzın başlangıç ​​durumuna dönmesi için geçen süre olarak ölçülür.Nabzın T dönemi, T = uyluk+tlow olarak ifade edilen yüksek durum (Tthigh) ve düşük durumun (TLOW) süresinin toplamıdır.Pratik terimlerle, bu dönem nabız dalga formunun sıklığını belirler ve frekans dönemin karşılıklıdır (F = 1/T).

4. Darbe dalga formunun bileşenleri nelerdir?

Bir darbe dalga formu birkaç bileşenden oluşur:

Genlik: taban çizgisinin üstünde veya altında nabzın maksimum değeri.

Süre: Darbe için sürenin uzunluğu maksimum genliğindedir.

Yükselme Süresi: Darbenin düşük değerinden (genellikle öğütülmüş veya sıfır voltaj) yüksek değerine geçmesi için geçen süre.

Sonbahar Süresi: Darbenin yüksek değerinden düşük değerine geçmesi için geçen süre.

Görev Döngüsü: Sinyalin aktif veya yüksek olduğu bir dönemin oranını temsil eder.Genellikle yüzde olarak ifade edilir.

5. Darbe dalga formu nasıl ölçülür?

İşte süreç:

Osiloskop problarını sinyal kaynağına veya nabız dalga formunu çıkaran cihaza bağlayın.

Dalga formunu ekrandaki uygun şekilde ölçeklendirmek için zaman/bölünme ve volt/bölüm gibi osiloskop ayarlarını ayarlayın.

Dalga formu ekranını stabilize etmek için osiloskopu tetikleyerek nabzın temiz ve istikrarlı bir şekilde görselleştirilmesini sağlar.

Nabzın genliğini, periyodunu, görev döngüsünü, yükselme süresini ve düşme süresini doğrudan görüntülenen dalga formundan belirlemek için osiloskopun ölçüm araçlarını kullanın.