Nicht-sinusoide Wellenformen: quadratische, rechteckige und gepulste Wellenformen

In der Elektronik -Engineering sind die Erzeugung und Gestaltung von elektrischen Wellenformen wichtige Aufgaben, die in vielen Bereichen einschließlich Kommunikationssystemen und digitalen Elektronik verwendet werden.In diesem Artikel werden drei Arten von Wellenformen erörtert: Quadratwellen, rechteckige Wellen und gepulste Wellen mit jeweils einzigartigen Eigenschaften und Verwendungen.Quadratwellen -Symmetrie und schnelle Übergänge zwischen den Zuständen machen sie beim Schalten von Anwendungen so effektiv.Rechteckige Wellen Die Flexibilität ist bei Aufgaben wie der Pulsbreitenmodulation (PWM) und der Signalverarbeitung nützlich, bei denen die Feinabstimmung der Wellenform erforderlich ist.Pulsierte Wellen sind unregelmäßig und nicht wiederholt und für Situationen, in denen Timing-Änderungen zum Senden von Informationen verwendet werden.

In diesem Artikel werden die physikalischen Eigenschaften dieser Wellenformen, die Verhalten von Fourier -Analysen und ihre praktischen Verwendungen untersucht.Das Verständnis dieser Details hilft hervorzuheben, was jede Wellenform in elektronischen Anwendungen aufteilt.Es wird auch untersucht, wie jede Wellenform erzeugt wird, und die gemeinsamen Verwendungen für jede Verwendung ein klareres Bild davon, wie sie zur Verbesserung der elektronischen Designs beitragen.

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Abbildung 1: Quadratwellenform

Eigenschaften von Quadratwellen

Quadratwellen sind Wellenformen, die schnell zwischen zwei Spannungsniveaus als "hoch" und "niedrig" wechseln.Diese Änderungen erfolgen sofort und erzeugen eine scharfe Verschiebung zwischen den beiden Zuständen.In realen Systemen verlangsamen jedoch Faktoren wie Schaltungseigenschaften die Übergänge.Die Zeit, die es braucht, bis die Spannung aufsteigt oder fällt, wird als Rise -Zeit (zum Aufsteigen) und zum Sturzzeit (zum Absteigen) bezeichnet.Eine perfekte Quadratwelle verbringt die gleiche Zeit in den hohen und niedrigen Zuständen und erzeugt eine ausgewogene Wellenform.

Die Zeit in hohen und niedrigen Zuständen kann sich unterscheiden, aber die Welle wird immer noch als Quadratwelle angesehen.Das Ändern dieses Gleichgewichts kann für verschiedene Aufgaben nützlich sein.Wenn die Zeitgenauigkeit wie in Kommunikationssystemen jedoch wichtig ist, ist es wichtig, die Symmetrie zu halten.In diesen Fällen können zusätzliche Entwurfsanpassungen erforderlich sein.

Eigenschaften rechteckiger Wellen

Rechteckige Wellen ähneln quadratische Wellen, haben jedoch ungleiche hohe und niedrige Phasen, was ihnen mehr Flexibilität verleiht.Während quadratische Wellen gleich hohe und niedrige Zeiten aufweisen, können Sie diese Zeiten mit rechteckigen Wellen separat einstellen.Dies macht rechteckige Wellen nützlicher für Situationen, in denen das strenge Muster von Quadratwellen nicht erforderlich ist.

Ein großer Vorteil rechteckiger Wellen ist ihre Flexibilität.Durch Einstellen der hohen und niedrigen Zeiten kann die Breite jedes Impulses gesteuert werden, was bei der Pulsbreitenmodulation (PWM) wichtig ist.PWM wird in Dingen wie Motorsteuerung, Kommunikation und Stromversorgungssystemen verwendet, bei denen das Timing genau sein muss.Rechteckige Wellen eignen sich auch hervorragend bei der Signalverarbeitung und -zeitung.In der digitalen Elektronik können beispielsweise rechteckige Wellen als Taktsignale mit einstellbaren Zeiten verwendet werden, um verschiedene Teile eines Systems zu koordinieren.Rechteckige Wellen sind flexibler als quadratische Wellen, da ihr Arbeitszyklus eingestellt werden kann.

Abbildung 2: rechteckige Wellenform

Eigenschaften von gepulsten Wellen

Impulste Wellenformen unterscheiden sich von periodischen Wellenformen, da sie kein regelmäßiges, wiederholendes Muster haben.Periodische Wellenformen wiederholen sich in einem stetigen Zyklus, aber gepulste Wellenformen treten auf, um so etwas wie das Erreichen einer bestimmten Spannung zu erreichen.Aus diesem Grund können gepulste Wellenformen je nach Situation anders aussehen.

Eine wichtige Sache bei gepulsten Wellenformen ist, dass sie Informationen durch Ändern ihrer Form und des Timings tragen können.Periodische Wellenformen sind vorhersehbarer, aber gepulste Wellenformen können in Echtzeit eingestellt werden, um verschiedene Arten von Daten anzuzeigen.Da gepulste Wellenformen basierend auf unterschiedlichen Bedingungen verändern können, sind sie ein gutes Werkzeug für die Behandlung komplexer Informationen.Ihre Fähigkeit, sich schnell anzupassen, macht sie für Technologien wichtig, die schnelle Reaktionen und Flexibilität benötigen.

Abbildung 3: Impulswellenform

Geräusch eines quadratischen, rechteckigen und gepulsten Wellen

Quadratwellen: Quadratwellen haben einen kräftigen, scharfen Klang, der auffällt.Sie erzeugen diesen starken Klang, weil sie viele seltsame Harmonische haben und ihnen einen mühsamen Ton geben.Die Welle wechselt schnell zwischen hohen und niedrigen Pegeln, wodurch der Klang "nervös" und in der Lage ist, andere Geräusche in einer Mischung zu durchschneiden.Quadratwellen werden in elektronischer Musik und Synthesizer verwendet, da sie sowohl tiefe Bass als auch scharfe, aufmerksamkeitsstarke Leitungen herstellen können.

Rechteckige Wellen: Rechteckige Wellen sind flexibler als quadratische Wellen, da Sie ihren Ton ändern können, indem Sie anpassen, wie lange sie in der "hohen" Position bleiben.Wenn die Hochzeit etwa halb halb ist, klingen sie wie quadratische Wellen mit einem hellen und reichen Ton.Aber wenn die Zeit im hohen Zustand kürzer wird, wird der Klang dünner und naser.Mit dieser Flexibilität können rechteckige Wellen eine breite Palette von Geräuschen erzeugen, von stark und druckvoll bis hell und hohl.

Pulsierte Wellen: Pulsierte Wellen haben einen schnellen, scharfen Klang, was sie für rhythmische oder kurze, perkussive Effekte hervorragend macht.Sie sind gut darin, schnelle Klicks wie Klicks oder Piepe zu erstellen, und eignen sich gut in Musik, die starke, rhythmische Elemente benötigt.Der schnelle Aufstieg und Fall gepulster Wellen verleiht ihnen ein aggressives Gefühl, so dass sie häufig für Synthesizer -Stiche verwendet werden.

Fourier -Analyse von quadratischen, rechteckigen und gepulsten Wellen

Quadratwellen

Eine Quadratwelle ist eine Wellenform, die schnell zwischen einem hohen und niedrigen Wert wechselt und die gleiche Zeit auf jeder Ebene verbringt.Durch die Verwendung von Fourier -Serien können wir sie als Summe von Sinuswellen ausdrücken.Für eine quadratische Welle mit Amplitude A und Periode T lautet die Fourier -Serie:

Hier repräsentiert N nur die ungeraden Ganzzahlen, und ist die Frequenz der Welle.Die Serie beginnt mit der Frequenz (wenn ) und umfasst höhere seltsame Harmonische.Jede aufeinanderfolgende Harmonische Amplitude verringert sich nach der Umkehrung der harmonischen Zahl.

Abbildung 4: Quadratwellen in der Fourier -Serie

Rechteckige Wellen

Rechteckige Wellen ähneln quadratischen Wellen, aber die Zeit, die in den hohen und niedrigen Zuständen verbracht wird, ist ungleich.In diesem Fall muss die Fourier -Serie den "Dienstzyklus" D berücksichtigen, der der Bruch der Zeit ist, in der die Welle im hohen Zustand bleibt.Die Fourier -Serie für eine rechteckige Welle lautet:

Diese Formel passt sich an die unterschiedlichen Längen der hohen und niedrigen Zustände an, wobei der Arbeitszyklus D in die Sinuswellenkomponenten einbezieht.

Abbildung 5: Rechteckwellen in der Fourier -Serie

Gepulste Wellen

Pulsierte Wellen oder Impulszüge bestehen aus wiederholten Impulsen, die durch Intervalle getrennt sind, in denen das Signal Null ist.Die Fourier -Analyse von Pulszügen ist komplizierter, da sie von der Form der Impulse und dem Zeitpunkt zwischen ihnen abhängt.Eine gemeinsame Fourier -Serie für einen Zug rechteckiger Impulse sieht aus wie:

In diesem Ausdruck ist δ die Breite jedes Impulses, t ist die Periode zwischen Impulsen, ist die Grundfrequenz des Pulszugs.Der Funktion, definiert als , beschreibt, wie sich die Impulsform auf die Frequenzkomponenten auswirkt.

Abbildung 6: Fourier -Analyse von Pulszügen

Beispiele für elektrische Wellenformen

Quadratwelle

Eine Quadratwelle ist eine der einfachsten Arten von Wellenformen.Es wechselt zwischen zwei Ebenen, hohe und niedrige Ausgaben in gleicher Zeit in jedem Zustand.Diese gleiche Aufteilung wird als 50% -Abreitzyklus bezeichnet.

Hier ist das, was das bedeutet:

• Die Welle bleibt für einen bestimmten Zeitraum (hohes Niveau) "eingeschaltet".

• Es bleibt dann für eine gleiche Zeit (niedrig).

Wenn die Pulsbreite beispielsweise 10 Millisekunden (MS) sowohl für die "ON "- als auch für" Aus "-Staaten beträgt, beträgt die Gesamtzeit für einen vollständigen Zyklus (ein Zeitraum):

Die Frequenz der Welle sagt uns, wie viele Zyklen pro Sekunde stattfinden.Um die Frequenz zu finden, verwenden Sie die Formel:

In diesem Fall:

Die Welle wiederholt sich also 50 Mal pro Sekunde.

Abbildung 7: 3-Phasen-Spannungsquelle Wechselrichter mit Quadratwellenausgang

Rechteckige Welle

Lassen Sie uns nun rechteckige Wellenformen untersuchen, die den Quadratwellen ähnlich sind, aber nicht gleich in den Zeiten sind.Die Zeit, die das Signal hoch bleibt, wird als positive Impulsbreite bezeichnet, und das Verhältnis dieser Zeit zu der Gesamtzeit wird als Arbeitszyklus bezeichnet.

Wenn die positive Impulsbreite 10 ms beträgt, der Arbeitszyklus jedoch 25% beträgt, bedeutet dies, dass die Welle für nur 25% des Gesamtzyklus "eingeschaltet" ist.

Um die Gesamtdauer zu ermitteln, teilen Sie die positive Pulsbreite durch den Arbeitszyklus auf:

Verwenden Sie die gleiche Formel wie zuvor, um die Frequenz zu finden:

Diese Wellenform würde sich also 25 Mal pro Sekunde wiederholen, wobei die "On" -Time kürzer im Vergleich zur "Aus" -Zeitzeit ist.

Vergleich von Quadratwellen, rechteckigen Wellen und gepulsten Wellenformen

Merkmal	Quadratwellen	Rechteckige Wellen	Gepulste Wellenformen
Form	Symmetrische, gleiche und niedrige Zeiten	Asymmetrischer, wechselnder Arbeitszyklus	Scharfe, abrupte Impulse unterschiedlicher Breite
Amplitude	Konstante	Konstante	Konstante
Frequenz	Basierend auf der Anwendung behoben	Einstellbar	Niedriger als die Basisfrequenz
Impuls Breite	Hälfte des Zeitraums (bei 50% Dienstzyklus)	Abhängig vom Arbeitszyklus	Sehr kurz bis moderat definiert Pulse
Wiederholung Rate	Definiert durch Frequenz	Definiert durch Frequenz	Niedrig bis sehr hoch
Pflicht Zyklus	50% (fest)	An einem Prozentsatz, nicht 50%	Variiert stark, weniger als 50%
Harmonisch Inhalt	Reich an seltsamen Harmonischen	Reich an Harmonischen	Abhängig von der Pulsform und der Breite
Generation Verfahren	Oszillatoren, Flip-Flops	Einstellbare Oszillatoren, Signalgeneratoren	Pulsgeneratoren, Spezialkreise
Anwendungen	Timing -Schaltungen, digitale Uhren	Stromversorgungen, Modulatoren wechseln	Radar, Kommunikation, medizinische Bildgebung

Abbildung 8: Quadratische und rechteckige Welle

Abschluss

In diesem Artikel wird die Bedeutung verschiedener Arten von Wellenformen für die Gestaltung elektronischer Systeme erläutert.Jede Wellenform hat ihre eigenen Eigenschaften und Vorteile, die in bestimmten Situationen nützlich sind.Quadratwellen sind für digitale Systeme nützlich.Sie gewährleisten reibungslose und genaue Übergänge zwischen binären Zuständen, die für die Datenverarbeitung und Kommunikation gut sind.Rechteckige Wellen erweitern dieses Konzept, indem sie einstellbare Arbeitszyklen bereitstellen und eine genauere Kontrolle in Anwendungen ermöglichen, bei denen das Signalzeitpunkt angepasst werden muss.Pulsierte Wellen sind in Situationen, die eine hohe Flexibilität und Reaktionsfähigkeit erfordern, wie Radar- oder medizinischer Bildgebung von unschätzbarem Wert.Sie vermitteln Informationen durch Änderungen der Impulsform und des Timings, wodurch sie ideal für die Übertragung von Daten.Die Fourier -Analyse dieser Wellenformen bietet ein klares, mathematisches Verständnis ihres Verhaltens.Dieser Artikel gibt einen klaren Überblick über die Theorie und die praktischen Verwendungen dieser Wellenformen und macht ihn zu einem wertvollen Leitfaden für alle, die im elektronischen Design arbeiten.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was sind die Vorteile von Quadratwellen?

Quadratwellen werden geschätzt, da sie in vielen Aufgaben der Elektronik- und Signalverarbeitungsaufgaben einfach und nützlich sind.Ein großer Vorteil ist ihr scharfer Wechsel zwischen hohen und niedrigen Ebenen, wodurch sie perfekt für das Timing und die digitalen Taktsignale in Computern und anderen digitalen Geräten perfekt sind.Diese schnellen Änderungen helfen zu vermeiden, dass Verwirrung bei den Lesen von Signalen vermieden wird.Außerdem haben Square -Wellen nur ungerade Harmonische, die es einfacher machen, in Anwendungen mit Harmonischen wie Synthesizern und Audio -Technologie zu arbeiten, bei denen klare Geräusche wichtig sind.

2. Wie werden quadratische Wellen gemacht?

Quadratwellen werden unter Verwendung elektronischer Oszillatoren erzeugt, wie z. B. Schmitt-Trigger oder Flip-Flop-Schaltungen, die zwischen zwei Spannungsniveaus umschalten.Diese Oszillatoren wechseln die Ausgänge, wenn ihr Eingang bestimmte Schwellenwerte überschreitet und die für quadratische Wellen charakteristischen scharfen Übergänge erzeugen.Funktionsgeneratoren, die in Laboratorien verwendet werden, können auch programmiert werden, um quadratische Wellen der gewünschten Frequenz und Amplitude zu erzeugen, indem schnell zwischen hohen und niedrigen Spannungszuständen wechselt.

3. Was ist die rechteckige Pulszeit?

Die Periode eines rechteckigen Impulses bezieht sich auf die Dauer eines vollständigen Zyklus des Impulses, der einen hohen Zustand und einen niedrigen Zustand umfasst.Dies wird als Zeit quantifiziert, die der Puls benötigt, um in seinen Ausgangszustand zurückzukehren.Die Periode t des Impulses ist die Summe der Dauer des hohen Zustands (tHigh) und des niedrigen Zustands (Tlow), ausgedrückt als T = Oberschenkel+Tlow.In praktischer Hinsicht bestimmt dieser Zeitraum die Frequenz der Impulswellenform, wobei die Frequenz der Gegenstand des Zeitraums ist (F = 1/t).

4. Was sind die Komponenten der Impulswellenform?

Eine Impulswellenform besteht aus mehreren Komponenten:

Amplitude: Der Maximalwert des Impulses über oder unter seiner Grundlinie.

Dauer: Die Zeitspanne für den Impuls liegt in seiner maximalen Amplitude.

Anstiegszeit: Die Zeit, die für den Impuls benötigt wird, um von seinem niedrigen Wert (oft gemahlen oder null Spannung) auf seinen hohen Wert zu übergehen.

Fallzeit: Die Zeit, die der Impuls benötigt, um von seinem hohen Wert auf seinen niedrigen Wert zu wechseln.

Arbeitszyklus: Repräsentiert den Anteil einer Periode, in der das Signal aktiv oder hoch ist.Es wird oft als Prozentsatz ausgedrückt.

5. Wie wird die Pulswellenform gemessen?

Hier ist der Prozess:

Schließen Sie die Oszilloskopsonden an die Signalquelle oder das Gerät an, das die Impulswellenform ausgibt.

Passen Sie die Oszilloskopeinstellungen wie Zeit/Division und Volt/Division an, um die Wellenform auf der Anzeige angemessen zu skalieren.

Lösen Sie das Oszilloskop aus, um die Wellenformanzeige zu stabilisieren und sicherzustellen, dass der Impuls sauber und stetig sichtbar ist.

Verwenden Sie die Messwerkzeuge des Oszilloskops, um die Amplitude, Periode, den Arbeitszyklus, die Anstiegszeit und die Sturzzeit des Impulses direkt aus der angezeigten Wellenform zu bestimmen.