Несинусоидальные формы волны: квадратные, прямоугольные и импульсные формы волны

В электронном инженерии генерирование и формирование электрических сигналов является важными задачами, используемыми во многих областях, включая системы связи и цифровую электронику.В этой статье обсуждаются три типа сигналов: квадратные волны, прямоугольные волны и импульсные волны, каждый с уникальными характеристиками и использованием.Симметрия квадратных волн и быстрые переходы между состояниями - это то, что делают их такими эффективными в переключении приложений.Гибкость прямоугольных волн полезна в таких задачах, как модуляция ширины импульса (ШИМ) и обработка сигнала, где требуется тонкая настройка формы волны.Импульсные волны являются нерегулярными и не повторяющими, создаются для ситуаций, когда изменения времени используются для отправки информации.

В этой статье рассматриваются физические характеристики этих форм волны, как они ведут себя в анализе Фурье, и их практическое использование.Понимание этих деталей помогает подчеркнуть, что отличает каждую форму волны в электронных приложениях.В нем также рассматривается, как генерируется каждая форма волны и общее использование для каждого, давая более четкую картину того, как они способствуют улучшению электронных конструкций.

Каталог

Рисунок 1: Квадратная форма волны

Характеристики квадратных волн

Квадратные волны - это сигналы, которые быстро переключаются между двумя уровнями напряжения, называемых «высоким» и «низким».Эти изменения происходят мгновенно, создавая резкий сдвиг между двумя состояниями.Однако в реальных системах такие факторы, как свойства схемы, замедляют переходы.Время, необходимое для подъема или падения напряжения, называется временем подъема (для подъема) и времени падения (для падения).Идеальная квадратная волна тратит равное время в высоких и низких состояниях, создавая сбалансированную форму волны.

Время, проведенное в высоких и низких состояниях, может отличаться, но волна все еще считается квадратной волной.Изменение этого баланса может быть полезным для разных задач.Однако, когда точность времени, как в системах связи, важно сохранить симметрию.В этих случаях могут потребоваться дополнительные корректировки дизайна.

Характеристики прямоугольных волн

Прямоугольные волны похожи на квадратные волны, но имеют неровные высокие и низкие фазы, что дает им большую гибкость.В то время как квадратные волны имеют одинаковое высокое и низкое время, прямоугольные волны позволяют отрегулировать это время отдельно.Это делает прямоугольные волны более полезными для ситуаций, когда строгая картина квадратных волн не требуется.

Одним из больших преимуществ прямоугольных волн является их гибкость.Регулируя высокое и низкое время, ширина каждого импульса можно контролировать, которая важна для модуляции ширины импульса (ШИМ).Шинь используется в таких вещах, как управление двигателями, коммуникационные и энергосистемы, где должно быть точное время.Прямоугольные волны также великолепны по обработке и срокам сигнала.Например, в цифровой электронике прямоугольные волны могут использоваться в качестве часов с регулируемыми временем, чтобы помочь координировать различные части системы.Прямоугольные волны являются более гибкими, чем квадратные волны, потому что их рабочее цикл можно отрегулировать.

Рисунок 2: прямоугольная форма волны

Характеристики пульсированных волн

Импульсные формы волны отличаются от периодических сигналов, потому что у них нет регулярного повторяющегося паттерна.Периодические формы волны повторяются в устойчивом цикле, но импульсные формы волны происходят в ответ на что -то вроде достижения определенного напряжения.Из -за этого импульсные сигналы могут выглядеть по -разному в зависимости от ситуации.

Одна важная вещь о импульсных формах волны заключается в том, что они могут нести информацию, изменяя свою форму и время.Периодические формы волны более предсказуемы, но импульсные сигналы могут быть скорректированы в режиме реального времени, чтобы показать различные виды данных.Поскольку импульсные сигналы могут измениться на основе различных условий, они являются хорошим инструментом для обработки сложной информации.Их способность быстро адаптироваться делает их важными для технологий, которые нуждаются в быстрой реакции и гибкости.

Рисунок 3: Форма волны пульса

Звук квадратных, прямоугольных и импульсных волн

Квадратные волны: квадратные волны имеют смелый, острый звук, который выделяется.Они создают этот сильный звук, потому что у них много странных гармоник, давая им гул.Волна быстро переключается между высокими и низкими уровнями, что делает его звук «острым» и способным прорезать другие звуки в миксе.Квадратные волны используются в электронной музыке и синтезаторе, потому что они могут сделать как глубокий бас, так и острые, привлекающие внимание лиды.

Прямоугольные волны: прямоугольные волны более гибки, чем квадратные волны, потому что вы можете изменить их тон, регулируя, как долго они остаются в «высоком» положении.Когда время, проведенное высоким, составляет около половины, они звучат как квадратные волны с ярким и богатым тоном.Но если время в высоком состоянии становится короче, звук становится тоньше и более носовым.Эта гибкость позволяет прямоугольным волнам создавать широкий спектр звуков от сильных и резких до света и пустых.

Импульсные волны: импульсные волны имеют быстрый, острый звук, что делает их отличными для ритмичных или коротких, ударных эффектов.Они хороши в создании быстрых всплесков звука, таких как клики или звуковые сигналы, и хорошо работают в музыке, которая нуждается в сильных, ритмичных элементах.Быстро рост и падение пульсированных волн дает им агрессивное чувство, поэтому они часто используются для синтезатора.

Анализ Фурье квадратных, прямоугольных и импульсных волн

Квадратные волны

Квадратная волна - это форма волны, которая быстро переключается между высоким и низким значением, тратя равное время на каждом уровне.Используя серию Фурье, мы можем выразить его как сумму синусоидальных волн.Для квадратной волны с амплитудой A и периодом T серия Фурье:

Здесь N представляет только странные целые числа и частота волны.Серия начинается с частоты (когда ) и включает в себя более высокие нечетные гармоники.Каждая последовательная гармоника уменьшается в амплитуде, после обратного гармонического числа.

Рисунок 4: квадратные волны в серии Фурье

Прямоугольные волны

Прямоугольные волны похожи на квадратные волны, но время, проведенное в высоких и низких состояниях, неравное.В этом случае серия Фурье должна учитывать «рабочее цикл», что является доли того, что волна остается в высоком состоянии.Серия Фурье для прямоугольной волны:

Эта формула корректирует различные длины высоких и низких состояний, включая в себя рабочее цикл D в компоненты синусоидальной волны.

Рисунок 5: прямоугольные волны в серии Фурье

Пульсированные волны

Импульсные волны, или импульсные поезда, состоят из повторных импульсов, разделенных интервалами, когда сигнал равен нулю.Анализ Фурье импульсных поездов более сложный, потому что он зависит от формы импульсов и времени между ними.Общая серия Фурье для поездки прямоугольных импульсов выглядит как:

В этом выражении Δ - ширина каждого импульса, t - период между импульсами, это базовая частота пульсной поезда.А функция, определенная как , описывает, как форма импульса влияет на частотные компоненты.

Рисунок 6: Фурье -анализ импульсных поездов

Примеры электрических сигналов

Квадратная волна

Квадратная волна является одним из самых простых типов сигналов.Он чередуется между двумя уровнями, высоким и низким расходом в каждом состоянии.Это равное разделение называется 50% -ным рабочим циклом.

Вот что это значит:

• Волна остается «на» в течение определенного периода времени (высокий уровень).

• Затем он остается «отключенным» в течение равного периода времени (низкий уровень).

Например, если ширина импульса составляет 10 миллисекунд (мс) как для состояний «on», так и для «выкл.», То общее время для одного полного цикла (один период) составляет:

Частота волны говорит нам, сколько циклов происходит в секунду.Чтобы найти частоту, используйте формулу:

В этом случае:

Итак, волна повторяется 50 раз в секунду.

Рисунок 7: 3-фазный инвертор источника напряжения с квадратной волной

Прямоугольная волна

Теперь давайте рассмотрим прямоугольные формы волны, которые похожи на квадратные волны, но не имеют равных времен и выключения.Время, когда сигнал остается высоким, называется положительной шириной импульса, а отношение этого времени к общему периоду называется рабочим циклом.

Если положительная ширина импульса составляет 10 мс, но рабочее цикл составляет 25%, это означает, что волна «на» только для 25% от общего цикла.

Чтобы найти общий период, разделите положительную ширину импульса на рабочее цикл:

Чтобы найти частоту, используйте ту же формулу, что и раньше:

Таким образом, эта форма волны повторялась бы 25 раз в секунду с «ON», когда будет короче по сравнению со временем «выключение».

Сравнение квадратных волн, прямоугольных волн и импульсных форм волн

Характеристика	Квадратные волны	Прямоугольные волны	Импульсные сигналы
Форма	Симметричный, равный высокий и низкий время	Асимметричный, изменяющийся рабочий цикл	Резкие, резкие импульсы разной ширины
Амплитуда	Постоянный	Постоянный	Постоянный
Частота	Исправлена ​​на основе приложения	Регулируемый	Ниже базовой частоты
Пульс Ширина	Половина периода (при дипломе 50%)	В зависимости от цикла наступления	Очень короткий или умеренный, определяет пульс
Повторение Ставка	Определяется частотой	Определяется частотой	От низкого до очень высокого
Долг Цикл	50% (фиксировано)	Любой процент, а не 50%	Варьируется широко, менее 50%
Гармоник Содержание	Богатый в странных гармониках	Богатый гармониками	В зависимости от формы пульса и ширины
Поколение Метод	Осцилляторы, шлепанцы	Регулируемые генераторы, генераторы сигналов	Импульсные генераторы, специализированные схемы
Приложения	Схемы синхронизации, цифровые часы	Переключение источников питания, модуляторов	Радар, общение, медицинская визуализация

Рисунок 8: квадратная и прямоугольная волна

Заключение

В этой статье объясняется важность различных типов сигналов в проектировании электронных систем.Каждая форма волны имеет свои собственные свойства и преимущества, которые полезны в конкретных ситуациях.Квадратные волны полезны для цифровых систем.Они обеспечивают плавные и точные переходы между бинарными состояниями, которые хороши для обработки данных и связи.Прямоугольные волны расширяют эту концепцию, предоставляя регулируемые служебные циклы, что позволяет получить более точный контроль в приложениях, где необходимо настроить время сигнала.Импульсные волны неоценимы в ситуациях, которые требуют высокой гибкости и отзывчивости, таких как радар или медицинская визуализация.Они передают информацию через изменения в форме и времени импульса, что делает их идеальными для передачи данных.Анализ Фурье этих сигналов дает четкое, математическое понимание их поведения.Эта статья дает четкий обзор как теории, так и практического использования этих сигналов, что делает его ценным руководством для тех, кто работает в электронном дизайне.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Каковы преимущества квадратных волн?

Квадратные волны ценятся, потому что они просты и полезны во многих задачах обработки электроники и обработки сигналов.Одним из больших преимуществ является их резкий переключение между высокими и низкими уровнями, что делает их идеальными для синхронизации и цифровых часов в компьютерах и других цифровых устройствах.Эти быстрые изменения помогают избежать путаницы в сигналах чтения.Кроме того, квадратные волны имеют только странные гармоники, которые облегчают их работу в приложениях, связанных с гармониками, такими как синтезаторы и аудио технологии, где важны четкие звуки.

2. Как делаются квадратные волны?

Квадратные волны генерируются с использованием электронных осцилляторов, таких как триггеры Шмитта или схемы триггера, которые переключаются между двумя уровнями напряжения.Эти генераторы переключают выходы, когда их вход пересекает определенные пороговые значения, создавая острые переходы, характерные для квадратных волн.Функциональные генераторы, которые используются в лабораториях, также могут быть запрограммированы на создание квадратных волн желаемой частоты и амплитуды путем быстрого переключения между состояниями высокого и низкого напряжения.

3. Какой период прямоугольного импульса?

Период прямоугольного импульса относится к продолжительности одного полного цикла импульса, охватывающего одно высокое состояние и одно низкое состояние.Это количественно определяется как время, которое необходимо, чтобы импульс вернулся в свое начальное состояние.Период Т -импульса представляет собой сумму продолжительности высокого состояния (tThigh) и низкого состояния (TLOW), выраженной как t = бедра+tlow.С практической точки зрения этот период определяет частоту формы импульсного волны, а частота является взаимной периодом (F = 1/T).

4. Каковы компоненты формы волны импульсной волны?

Форма волны пульса состоит из нескольких компонентов:

Амплитуда: максимальное значение импульса выше или ниже его базовой линии.

Продолжительность: продолжительность времени для импульса находится на максимальной амплитуде.

Время подъема: время, необходимое для перехода от его низкого значения (часто наземного или нулевого напряжения) к его высокой стоимости.

Время падения: время, потраченное на импульс, для перехода от его высокого значения к его низкому значению.

Рабочее цикл: представляет собой долю одного периода, в котором сигнал активен или высокий.Это часто выражается в процентах.

5. Как измеряется форма пульса?

Вот процесс:

Подключите датчики осциллографа к источнику сигнала или устройству, выводящему форму импульсного волны.

Отрегулируйте настройки осциллографа, такие как время/деление и вольт/деление, чтобы надлежащим образом масштабировать форму волны на дисплее.

Запустите осциллограф, чтобы стабилизировать отображение формы сигнала, гарантируя, что импульс чисто и неуклонно визуализируется.

Используйте инструменты измерения осциллографа, чтобы определить амплитуду импульса, периода, рабочего цикла, времени подъема и времени падения непосредственно из отображаемой формы волны.