Sistemele electronice utilizează o gamă largă de tipuri de forme de undă de semnal de la sinusoidale la cele create de generatoarele de forme de undă.

Știm că un oscilator este un circuit electronic folosit pentru a genera un semnal de ieșire continuu. În general, acest semnal de ieșire este sub forma unei sinusoide la o frecvență predeterminată sau lungime de undă stabilită de componentele rezonante ale circuitului. În general, toate oscilatoarele constau dintr-un amplificator și un circuit rezervor cu inductor-condensator (LC), sau rezistor-condensator (RC), utilizat pentru producerea unui semnal de ieșire de tip sinusoidal.

Dar, uneori, în circuitele electronice trebuie să producem mai multe tipuri, frecvențe și modele diferite de forme de undă de semnal, cum ar fi unde pătrate, dreptunghiulare, triunghiulare, dinți de fierăstrău și o varietate de impulsuri și vârfuri.

Aceste tipuri de forme de undă de semnal pot fi apoi folosite pentru semnale de sincronizare, pentru semnale de ceas sau pentru impulsuri de declanșare. Dar, înainte de a începe să ne uităm la cum sunt produse diferite tipuri de forme de undă, trebuie să înțelegem în primul rând caracteristicile de bază care formează forme de undă electrice.

Din punct de vedere tehnic, formele de undă electrice sunt reprezentări vizuale ale variației unei tensiuni sau a unui curent în timp. Aceasta înseamnă că, dacă am trasat aceste variații ale tensiunii sau curentului pe o bucată de hârtie de grafic funcție de o bază de timp (axa x), graficul sau desenul rezultat ar reprezenta forma de undă, așa cum este arătat. Există multe tipuri diferite de forme de undă electrice, dar, în general, ele pot fi împărțite în două grupuri distincte.

1. Forme de undă unidirecționale - aceste forme de undă electrice sunt întotdeauna pozitive sau negative, în natură, curgând într-o singură direcție înainte, deoarece nu traversează punctul axei zero. Formele de undă comune unidirecționale includ semnale de sincronizare a undelor pătrat, impulsuri de ceas și impulsuri de declanșare.

2. Forme de undă bi-direcționale - aceste forme de undă electrice sunt numite și forme de undă alternante, deoarece acestea alternează de la o direcție pozitivă la o direcție negativă traversând în mod constant punctul zero al axei. Formele de undă bi-direcționate trec prin modificări periodice ale amplitudinii, cele mai frecvente fiind, de departe, unda sinusoidală.

Indiferent dacă forma de undă este unidirecțională, bidirecțională, periodică, neperiodică, simetrică, nesimetrică, simplă sau complexă, toate formele de undă electrice includ următoarele trei caracteristici comune:

• Perioada: - Aceasta este durata de timp în secunde în care forma de undă trebuie să se repete de la început până la sfârșit. Această valoare poate fi numită și timpul perioadei (T) a formei de undă pentru undele sinusoidale sau Lățimea de impuls pentru undele pătrate.

• Frecvența: - Aceasta este numărul de câte ori se repetă forma de undă in interval de o secundă. Frecvența este inversa perioadei (ƒ= 1/T) cu unitatea standard de frecvență Hertz, (Hz).

• Amplitudinea: - Aceasta este magnitudinea sau intensitatea formei de undă a semnalului, măsurată în volți sau amperi.

Forme de undă periodice

Formele de undă periodice sunt cele mai frecvente dintre toate formele de undă electrice deoarece includ undele sinusoidale. Forma de undă a rețelei AC (curent alternativ) din casa dvs. este sinusoidală și care în mod constant alternează între o valoare maximă și o valoare minimă în timp.

Timpul necesar între fiecare repetiție individuală sau ciclul unei forme sinusoidale este cunoscut ca "timpul perioadei" sau pur și simplu Perioada formei de undă. Cu alte cuvinte, timpul necesar pentru ca forma de undă să se repete.

Atunci, această perioadă poate varia cu fiecare formă de undă, de la fracțiuni de secundă la mii de secunde, deoarece depinde de frecvența formei de undă. De exemplu, o formă de undă sinusoidală care durează o secundă pentru a termina ciclul va avea perioada de o secundă. De asemenea, o undă sinusoidală care durează cinci secunde pentru a se completa va avea perioada de cinci secunde și așa mai departe.

Deci, dacă durata de timp necesară pentru ca forma de undă să completeze un șablon sau un ciclu complet înainte de a se repeta se numește "perioada undei" și se măsoară în secunde, putem atunci să exprimăm forma de undă ca număr de perioade pe secundă marcat cu litera T, după cum se arată mai jos.

O formă de undă sinusoidală

Unități de perioadă (T) includ: secunde (s), milisecunde (ms) și microsecunde (μs).

Numai pentru forme de undă sinusoidală, putem exprima perioada formei de undă fie în grade, fie în radiani, deoarece un ciclu complet este egal cu 360⁰ (T = 360⁰) sau în Radiani ca 2pi (T = 2π) atunci putem spune că 2π radiani = 360⁰.

Acum știm că timpul necesar pentru ca formele de undă electrice să se repete este cunoscut ca perioadă sau timpul perioadei, care reprezintă o cantitate fixă ​​de timp. Dacă luăm inversa perioadei (1/T) ajungem la o valoare care dă numărul de repetări ale unei perioade sau ciclu într-o secundă sau cicluri pe secundă și acest lucru este cunoscut în mod frecvent ca Frecvență cu unități Hertz, (Hz). Atunci, Hertz poate fi definit ca "cicluri pe secundă" (cps) și 1Hz este exact egal cu 1 ciclu pe secundă.

Atât perioada, cât și frecvența, sunt inverse matematic una cu cealaltă, iar când perioada formei de undă scade, crește frecvența, și viceversa, cu relația dintre perioadă și frecvență dată de:

Relația dintre frecvență și timpul perioadei

unde: ƒ este în Hertz și T este în secunde.

Un Hertz este exact egal cu un ciclu pe secundă, dar un hertz este o unitate foarte mică, astfel încât se folosesc prefixele care dau ordinul de mărime a formei de undă, cum ar fi kHz , MHz și chiar GHz.

Forme pătrate de undă electrică

Formele de undă pătrate sunt folosite în mod extins în circuitele electronice și microelectronice pentru semnalele de control al tactului și sincronizării, acestea fiind forme de undă simetrice de durată egală și pătrată, reprezentând fiecare jumătate dintr-un ciclu și aproape toate circuitele logice digitale utilizează forme de undă pătrată la porțile lor de intrare și ieșire.

Spre deosebire de undele sinusoidale care au o formă de undă de creștere și coborâre netedă cu colțuri rotunjite la vârfurile lor pozitive și negative, undele pătrate au muchii foarte abrupte, aproape verticale, în sus și în jos, cu o parte superioară și inferioară plate, producând o formă de undă adecvată descrierii sale - "pătrată", ​​așa cum se arată mai jos.

O formă de undă pătrată

Știm că formele de undă electrice pătrate sunt de formă simetrică deoarece fiecare jumătate de ciclu este identică, deci timpul în care lățimea impulsului este pozitivă trebuie să fie egal cu timpul în care lățimea impulsului este negativă sau zero. Când formele de undă pătrate sunt folosite ca semnale "tact" în circuitele digitale, timpul lățimii pulsului pozitiv este cunoscut ca Duty Cycle (ciclul de sarcină) al perioadei.

Atunci, putem spune că pentru o formă de undă pătrată, timpul pozitiv sau "ON" este egal cu timpul negativ sau "OFF", astfel încât ciclul de sarcină trebuie să fie de 50% (jumătate din perioada sa). Deoarece frecvența este egală cu inversul perioadei (1/T) putem defini frecvența unei forme de undă pătrată ca:

Forme de undă electrică. Exemplul nr. 1

O formă de undă electrică pătrată are o lățime a impulsului de 10 ms, calculați-i frecvența (ƒ).

Pentru o formă de undă pătrată, ciclul de funcționare este dat ca 50%, prin urmare, perioada formei de undă trebuie să fie egală cu: 10 ms + 10 ms sau 20 ms:

Deci, pentru a rezuma un pic despre unde Square. O formă de undă pătrată este simetrică și are o lățime de impuls pozitivă egală cu lățimea impulsului negativ, rezultând un ciclu de sarcină de 50%. Formele de undă pătrate sunt utilizate în sistemele digitale pentru a reprezenta un nivel logic "1", amplitudine High și nivel logic "0", amplitudine Low. Dacă ciclul de sarcină al formei de undă este orice altă valoare decât 50% (jumătate ON jumătate OFF), forma de undă rezultată va fi atunci numită formă de undă dreptunghiulară.

Forme de undă dreptunghiulare

Formele de undă dreptunghiulare sunt similare celei de undă pătrată de mai sus, diferența fiind aceea că cele două lățimi de impuls ale formei de undă sunt de o perioadă de timp inegală. Formele de undă dreptunghiulare sunt, prin urmare, clasificate ca forme de undă "nesimetrice", după cum se arată mai jos.

Formă de undă dreptunghiulară

Exemplul de mai sus arată că lățimea impulsului pozitiv este mai scurtă în timp decât lățimea impulsului negativ. La fel, lățimea impulsului negativ ar putea fi mai scurtă decât lățimea impulsului pozitiv, oricare ar fi forma de undă care va rezulta în continuare va fi tot cea a unei forme de undă dreptunghiulare.

Aceste lățimi de impulsuri pozitive și negative sunt denumite uneori "Mark" și "Space", cu raportul dintre timpul Mark și timpul Space fiind cunoscut ca raportul "Mark-to-Space" al perioadei și pentru o formă de undă pătrată aceasta ar fi egal cu unu.

Forme de undă electrică. Exemplul nr. 2

O formă de undă dreptunghiulară are o lățime de impuls pozitiv (timp Mark) de 10 ms și un ciclu de sarcină de 25%, calculați-i frecvența.

Ciclul de sarcină este dat ca 25% sau 1/4 și este egal cu timpul Mark care este de 10 ms, atunci perioada formei de undă trebuie să fie egală cu: 10 ms (25%) + 30 ms (75%), care este egală cu 40 ms (100%) în total.

Formele de undă dreptunghiulare pot fi utilizate pentru a regla cantitatea de energie aplicată la o sarcină, cum ar fi o lampă sau un motor, prin modificarea ciclului de sarcină al formei de undă. Cu cât este mai mare ciclul de sarcină, cu atât este mai mare cantitatea medie de energie aplicată sarcinii și cu cât este mai mic ciclul de sarcină, cu atât este mai mică cantitatea medie de energie aplicată sarcinii și un exemplu excelent în acest sens este utilizarea modulației prin lățimea impulsului (Pulse Width Modulation) în controlerele de viteză.

Forme de undă triunghiulare

Formele de undă triunghiulare sunt în general forme de undă ne-sinusoidale bidirecționale care oscilează între o valoare maximă pozitivă și una negativă. Deși se numește o formă de undă triunghiulară, unda triunghiulară este de fapt mai mult o formă de undă rampă simetrică liniară, deoarece este pur și simplu un semnal de tensiune în creștere și în scădere lente la o frecvență sau rată constantă. Rata la care se schimbă tensiunea între fiecare direcție a rampei este egală în ambele jumătăți ale ciclului, după cum se arată mai jos.

O formă de undă triunghiulară

În general, pentru forma de undă triunghiulară, rampa sau panta pozitivă (creștere) are aceeași durată ca și rampa negativă (scădere), dând forma de undă triunghiulară un ciclu de sarcină de 50%. Atunci, la orice amplitudine de tensiune dată, frecvența formei de undă va determina nivelul mediu de tensiune al undei.

Deci, pentru timpi de creștere lentă și scădere lentă ai rampei va fi un nivel mediu de tensiune mai scăzut decât pentru o creștere și scădere mai rapide. Dar, putem produce forme de undă triunghiulare nesimetrice prin modificarea valorilor rampelor de creștere sau scădere pentru a ne da un alt tip de formă de undă, cunoscută în mod obișnuit ca o formă de undă Sawtooth (dinți de fierăstrău).

Forme de undă dinți de fierăstrău

Formele de undă wavewave sunt un alt tip de formă de undă periodică. După cum sugerează și numele, forma formei de undă seamănă cu dinții unei lame de fierăstrău. Aceste forme de undă pot avea o imagine oglindă a acestora, având fie o creștere lentă dar scădere extrem de abruptă, fie o creștere extrem de abruptă, aproape verticală, și o scădere lentă, după cum se arată mai jos.

Forme de undă dinte de fierăstrău

Rampa pozitivă a formei de undă Sawtooth este cea mai comună dintre cele două tipuri de forme de undă, iar porțiunea rampă a undei este aproape perfect liniară. Forma de undă Sawtooth este disponibilă în mod obișnuit de la majoritatea generatoarelor de funcții și constă dintr-o frecvență fundamentală (ƒ) și toate rapoartele întregi numai ale armonicilor pare, 1/2,1/4,1/6,1/8 ... 1/n etc. Acest lucru înseamnă practic că forma de undă Sawtooth este bogată în armonici și pentru sintetizatoarele de muzică și muzicieni dă calitatea sunetului sau culoarea tonului muzicii lor fără nici o distorsiune.

Declanșatoare (triggere) și impulsuri

Din punct de vedere tehnic, declanșatoarele și impulsurile sunt două forme de undă separate, dar le putem combina aici, deoarece un "trigger" este în esență doar un "impuls" foarte îngust. Diferența este că un trigger poate fi pozitiv sau negativ în direcție, în timp ce un impuls este doar pozitiv în direcție.

O formă de undă pulsată sau un "tren de impulsuri", așa cum se numește mai des, este un tip de undă nesinusoidală, similară cu forma de undă dreptunghiulară la care ne-am uitat mai devreme. Diferența constă în faptul că forma exactă a impulsului este determinată de raportul "Mark-to-Space" al perioadei și pentru o formă de undă impuls sau trigger, porțiunea Mark a undei este foarte scurtă cu o creștere și descreștere rapide, așa cum este arătat de mai jos.

O formă de undă impuls

Un impuls este o formă de undă sau un semnal în sine. Are un raport foarte diferit Mark-to-Space (ON-OFF) în comparație cu un semnal de tact al undei pătrate de înaltă frecvență sau chiar o formă de undă dreptunghiulară.

Scopul unui "impuls" și cel al unui trigger (declanșator) este de a produce un semnal foarte scurt pentru a controla timpul la care se întâmplă ceva, de exemplu, pentru a porni un cronometru, un contor, un monostabil sau un flip-flop etc. sau ca un declanșator pentru a comuta "ON" Tiristoare, Triacuri și alte dispozitive semiconductoare de putere.

Generator de funcții

Un generator de funcții sau uneori numit un generator de forme de undă este un dispozitiv sau un circuit care produce o varietate de forme de undă diferite la o frecvență dorită. Poate genera unde sinusoidale, unde pătrate, forme de undă triunghiulare și de tip Sawtooth, precum și alte tipuri de forme de undă de ieșire.

Există mai multe dispozitive IC de tip generator de undă "off-the-shelf" disponibile și toate pot fi încorporate într-un circuit pentru a produce diferite forme de undă periodice necesare.

Un astfel de dispozitiv este 8038 un IC generator de forme de undă de precizie capabil să producă forme de undă sinus, pătrate și triunghiulare, cu un număr minim de componente sau reglaje externe. Intervalul său de frecvență de operare poate fi selectat pe opt decade de frecvență, de la 0,001 Hz până la 300 kHz, prin alegerea corectă a componentelor R-C externe.

IC generator de forme de undă

Frecvența oscilațiilor este foarte stabilă pe o gamă largă de variație de temperatură și tensiune de alimentare, iar frecvențele de până la 1MHz sunt posibile. Fiecare dintre cele trei ieșiri principale de forme de undă, sinusoidale, triunghiulare și pătrate sunt disponibile simultan de la terminalele independente de ieșire. Intervalul de frecvență al lui 8038 este controlat de tensiune, dar nu este o funcție liniară. Simetria triunghiului și, prin urmare, distorsiunea undei sinusoidale sunt reglabile.

În următorul tutorial despre forme de undă, vom analiza multivibratoarele care sunt utilizate pentru a produce forme de undă de ieșire continue sau impulsuri individuale singulare. Un astfel de circuit multivibrator care este utilizat ca generator de impulsuri se numește multivibrator monostabil.