Formes d'onde non sinusoïdales: Formes d'onde carrées, rectangulaires et pulsées

Dans l'ingénierie électronique, la génération et la mise en forme des formes d'onde électriques sont des tâches importantes utilisées dans de nombreux domaines, notamment des systèmes de communication et de l'électronique numérique.Cet article discute de trois types de formes d'onde: ondes carrées, ondes rectangulaires et vagues pulsées, chacune avec des caractéristiques et des utilisations uniques.La symétrie des ondes carrées et les transitions rapides entre les états sont ce qui les rend si efficaces dans les applications de commutation.La flexibilité des ondes rectangulaires est utile dans les tâches telles que la modulation de la largeur d'impulsion (PWM) et le traitement du signal, où la forme d'onde finale est requise.Les vagues pulsées sont irrégulières et non répétées, faites pour des situations où les modifications de synchronisation sont utilisées pour envoyer des informations.

Cet article explore les caractéristiques physiques de ces formes d'onde, comment elles se comportent dans l'analyse de Fourier et leurs utilisations pratiques.Comprendre ces détails aide à mettre en évidence ce qui distingue chaque forme d'onde dans les applications électroniques.Il examine également comment chaque forme d'onde est générée et les utilisations courantes pour chacune, fournissant une image plus claire de la façon dont ils contribuent à l'amélioration des conceptions électroniques.

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Figure 1: Forme d'onde carrée

Caractéristiques des vagues carrées

Les vagues carrées sont des formes d'onde qui basculent rapidement entre deux niveaux de tension appelés "élevés" et "bas".Ces changements se produisent instantanément, créant un changement net entre les deux états.Cependant, dans les systèmes réels, des facteurs tels que les propriétés du circuit ralentissent les transitions.Le temps qu'il faut pour que la tension augmente ou tombe est appelée le temps de montée (pour augmenter) et le temps de chute (pour descendre).Une onde carrée parfaite passe un temps égal dans les états élevés et bas, créant une forme d'onde équilibrée.

Le temps passé dans les états élevés et bas peut différer, mais l'onde est toujours considérée comme une onde carrée.La modification de cet équilibre peut être utile pour différentes tâches.Cependant, lorsque la précision du synchronisation comme dans les systèmes de communication, il est important de maintenir la symétrie.Dans ces cas, des ajustements de conception supplémentaires peuvent être nécessaires.

Caractéristiques des ondes rectangulaires

Les ondes rectangulaires sont similaires aux ondes carrées mais ont des phases élevées et faibles, ce qui leur donne plus de flexibilité.Alors que les ondes carrées ont des moments élevés et bas, les ondes rectangulaires vous permettent de régler ces temps séparément.Cela rend les ondes rectangulaires plus utiles pour les situations où le modèle strict des ondes carrés n'est pas nécessaire.

Un grand avantage des ondes rectangulaires est leur flexibilité.En ajustant les temps élevés et bas, la largeur de chaque impulsion peut être contrôlée qui est importante dans la modulation de la largeur d'impulsion (PWM).PWM est utilisé dans des choses comme le contrôle moteur, la communication et les systèmes d'alimentation, où le timing doit être précis.Les ondes rectangulaires sont également excellentes dans le traitement du signal et le calendrier.Par exemple, dans l'électronique numérique, les ondes rectangulaires peuvent être utilisées comme signaux d'horloge avec des calendriers réglables pour aider à coordonner différentes parties d'un système.Les ondes rectangulaires sont plus flexibles que les ondes carrées car leur cycle de service peut être ajusté.

Figure 2: Forme d'onde rectangulaire

Caractéristiques des vagues pulsées

Les formes d'onde pulsées sont différentes des formes d'onde périodiques car elles n'ont pas de modèle régulier et répétitif.Les formes d'onde périodiques se répètent dans un cycle régulier, mais les formes d'onde pulsées se produisent en réaction à quelque chose comme atteindre une certaine tension.Pour cette raison, les formes d'onde pulsées peuvent être différentes en fonction de la situation.

Une chose importante à propos des formes d'onde pulsées est qu'ils peuvent transporter des informations en modifiant leur forme et leur timing.Les formes d'onde périodiques sont plus prévisibles mais les formes d'onde pulsées peuvent être ajustées en temps réel pour montrer différents types de données.Étant donné que les formes d'onde pulsées peuvent changer en fonction de différentes conditions, ils sont un bon outil pour gérer des informations complexes.Leur capacité à s'adapter rapidement les rend importantes pour les technologies qui ont besoin de réponses rapides et de flexibilité.

Figure 3: Forme d'onde d'impulsion

Sound d'une vague carrée, rectangulaire et pulsée

Vagues carrées: les vagues carrées ont un son audacieux et pointu qui se démarque.Ils créent ce son fort parce qu'ils ont beaucoup d'harmoniques étranges, leur donnant un ton bourdonnant.La vague bascule rapidement entre les niveaux élevés et bas qui rend son son "énervé" et capable de couper d'autres sons dans un mélange.Les vagues carrées sont utilisées dans la musique et les synthés électroniques car ils peuvent faire à la fois des basses profondes et des leads nets et accrocheurs de l'attention.

Ondes rectangulaires: les ondes rectangulaires sont plus flexibles que les ondes carrées car vous pouvez changer leur ton en ajustant combien de temps ils restent dans la position "élevée".Lorsque le temps passé élevé est environ la moitié, ils sonnent comme des vagues carrées avec un ton brillant et riche.Mais si le temps à l'état élevé devient plus court, le son devient plus mince et plus nasal.Cette flexibilité permet aux ondes rectangulaires de créer un large éventail de sons de fort et punchy à léger et creux.

Vagues pulsées: les vagues pulsées ont un son rapide et net, ce qui les rend idéaux pour les effets rythmiques ou courts et percussifs.Ils sont doués pour créer des éclats rapides de sons comme des clics ou des bips, et fonctionnent bien dans la musique qui a besoin d'éléments forts et rythmiques.La montée et la chute rapide des vagues pulsées leur donnent une sensation agressive, de sorte qu'elles sont souvent utilisées pour les coups de synthé.

Analyse de Fourier des vagues carrées, rectangulaires et pulsées

Vagues carrées

Une onde carrée est une forme d'onde qui bascule rapidement entre une valeur élevée et faible, passant un temps égal à chaque niveau.En utilisant des séries Fourier, nous pouvons l'exprimer comme une somme d'ondes sinusoïdales.Pour une onde carrée avec amplitude A et période T, la série Fourier est:

Ici, n ne représente que les entiers étranges, et est la fréquence de l'onde.La série commence par la fréquence (quand ) et comprend des harmoniques étranges plus élevées.Chaque harmonique successive diminue l'amplitude, après l'inverse du nombre harmonique.

Figure 4: Square Waves in Fourier Series

Ondes rectangulaires

Les ondes rectangulaires sont similaires aux ondes carrées, mais le temps passé dans les états élevés et bas est inégal.Dans ce cas, la série Fourier doit tenir compte du «cycle de service» D, qui est la fraction de la période où la vague reste à l'état élevé.La série Fourier pour une vague rectangulaire est:

Cette formule s'ajuste pour les différentes longueurs des états élevés et bas, incorporant le cycle de service D dans les composants d'onde sinusoïdale.

Figure 5: Series rectangulaires dans les séries de Fourier

Vagues pulsées

Les ondes pulsées, ou trains d'impulsions, sont constituées d'impulsions répétées séparées par des intervalles où le signal est nul.L'analyse de Fourier des trains d'impulsions est plus complexe car elle dépend de la forme des impulsions et du timing entre elles.Une série de Fourier commune pour un train d'impulsions rectangulaires ressemble:

Dans cette expression, δ est la largeur de chaque impulsion, t est la période entre les impulsions, est la fréquence de base du train d'impulsions.Le fonction, définie comme , décrit comment la forme d'impulsion affecte les composants de fréquence.

Figure 6: Analyse de Fourier des trains de pouls

Exemples de formes d'onde électrique

Onde carrée

Une onde carrée est l'un des types les plus simples de formes d'onde.Il alterne entre deux niveaux, les dépenses élevées et faibles une quantité égale de temps dans chaque état.Cette division égale est appelée un cycle de service de 50%.

Voici ce que cela signifie:

• La vague reste "sur" pendant une certaine période (niveau élevé).

• Il reste ensuite "désactivé" pendant une période de temps égale (niveau bas).

Par exemple, si la largeur d'impulsion est de 10 millisecondes (MS) pour les états "ON" et "OFF", le temps total pour un cycle complet (une période) est:

La fréquence de la vague nous indique combien de cycles se produisent par seconde.Pour trouver la fréquence, utilisez la formule:

Dans ce cas:

Ainsi, la vague se répète 50 fois par seconde.

Figure 7: onduleur de source de tension à 3 phases avec sortie d'onde carrée

Vague rectangulaire

Maintenant, explorons les formes d'onde rectangulaires, qui sont similaires aux ondes carrées mais qui n'ont pas de temps sur et hors de l'égalité.Le temps que le signal reste élevé est appelé la largeur d'impulsion positive, et le rapport de ce temps à la période totale est appelé le cycle de service.

Si la largeur d'impulsion positive est de 10 ms mais que le cycle de service est de 25%, cela signifie que la vague est "ON" pour seulement 25% du cycle total.

Pour trouver la période totale, divisez la largeur d'impulsion positive par le cycle de service:

Pour trouver la fréquence, utilisez la même formule qu'auparavant:

Ainsi, cette forme d'onde se répéterait 25 fois par seconde avec le temps "ON" étant plus court par rapport au temps "OFF".

Comparaison des ondes carrées, des ondes rectangulaires et des formes d'onde pulsées

Caractéristiques	Vagues carrées	Ondes rectangulaires	Formes d'onde pulsées
Forme	Temps symétriques, égaux et basses	Asymétrique et cycle de service changeant	Impulsions nettes et brusques de largeur différente
Amplitude	Constante	Constante	Constante
Fréquence	Fixe en fonction de l'application	Réglable	Fréquence inférieure à la base
Impulsion Largeur	La moitié de la période (à 50% du cycle de service)	En fonction du cycle de service	Très court à modéré, définit le pouls
Répétition Taux	Défini par la fréquence	Défini par la fréquence	Bas à très haut
Devoir Faire du vélo	50% (fixe)	Tout pourcentage, pas 50%	Varie considérablement, moins de 50%
Harmonique Contenu	Riche en harmoniques étranges	Riche en harmoniques	En fonction de la forme et de la largeur des impulsions
Génération Méthode	Oscillateurs, tongs	Oscillateurs réglables, générateurs de signaux	Générateurs d'impulsions, circuits spécialisés
Applications	Circuits de synchronisation, horloges numériques	Commutation d'alimentation, modulateurs	Radar, communication, imagerie médicale

Figure 8: vague carrée et rectangulaire

Conclusion

Cet article explique l'importance de différents types de formes d'onde dans la conception des systèmes électroniques.Chaque forme d'onde a ses propres propriétés et avantages utiles dans des situations spécifiques.Les vagues carrées sont utiles aux systèmes numériques.Ils garantissent des transitions lisses et précises entre les états binaires qui sont bons pour le traitement et la communication des données.Les ondes rectangulaires se développent sur ce concept en fournissant des cycles de service réglables, permettant un contrôle plus précis dans les applications où la synchronisation du signal doit être personnalisée.Les vagues pulsées sont inestimables dans des situations qui exigent une forte flexibilité et une réactivité, comme l'imagerie radar ou médicale.Ils transmettent des informations grâce à des changements dans la forme et le synchronisation des impulsions, ce qui les rend idéaux pour transmettre des données.L'analyse de Fourier de ces formes d'onde offre une compréhension claire et mathématique de leur comportement.Cet article donne un aperçu clair de la théorie et des utilisations pratiques de ces formes d'onde, ce qui en fait un guide précieux pour toute personne travaillant dans la conception électronique.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Quels sont les avantages des vagues carrées?

Les vagues carrées sont appréciées car elles sont simples et utiles dans de nombreuses tâches d'électronique et de traitement du signal.Un grand avantage est leur changement net entre les niveaux élevés et les niveaux faibles, ce qui les rend parfaits pour la synchronisation et les signaux d'horloge numérique dans les ordinateurs et autres appareils numériques.Ces changements rapides aident à éviter la confusion dans les signaux de lecture.De plus, les ondes carrées n'ont que des harmoniques étranges qui les rend plus faciles à travailler dans des applications impliquant des harmoniques, comme les synthétiseurs et la technologie audio, où des sons clairs sont importants.

2. Comment sont fabriquées les vagues carrées?

Les ondes carrées sont générées à l'aide d'oscillateurs électroniques, tels que les déclencheurs de Schmitt ou les circuits de bascule, qui basculent entre deux niveaux de tension.Ces oscillateurs changent de sortie lorsque leur entrée traverse certaines valeurs de seuil, créant les transitions nettes caractéristiques des ondes carrées.Les générateurs de fonctions utilisés dans les laboratoires peuvent également être programmés pour produire des ondes carrées de fréquence et d'amplitude souhaitées en basculant rapidement entre les états à haute tension.

3. Quelle est la période d'impulsion rectangulaire?

La période d'une impulsion rectangulaire fait référence à la durée d'un cycle complet de l'impulsion, englobant un état élevé et un état bas.Ceci est quantifié comme le temps nécessaire pour que l'impulsion revienne à son état initial.La période t de l'impulsion est la somme de la durée de l'état élevé (thigh) et de l'état bas (tlow), exprimé en t = cuisse + tlow.En termes pratiques, cette période détermine la fréquence de la forme d'onde d'impulsion avec la fréquence étant la réciproque de la période (f = 1 / t).

4. Quelles sont les composants de la forme d'onde d'impulsion?

Une forme d'onde d'impulsion se compose de plusieurs composants:

Amplitude: la valeur maximale de l'impulsion au-dessus ou en dessous de sa ligne de base.

Durée: La durée de la pouls est à son amplitude maximale.

Temps de montée: le temps pris pour que l'impulsion passe de sa faible valeur (souvent terre ou zéro tension) à sa valeur élevée.

Temps d'automne: le temps pris pour que l'impulsion remonte de sa valeur élevée à sa faible valeur.

Cycle de service: représente la proportion d'une période au cours de laquelle le signal est actif ou élevé.Il est souvent exprimé en pourcentage.

5. Comment la forme d'onde d'impulsion est-elle mesurée?

Voici le processus:

Connectez les sondes de l'oscilloscope à la source de signal ou à l'appareil sortant la forme d'onde d'impulsion.

Ajustez les paramètres de l'oscilloscope tels que le temps / la division et les volts / division pour mettre à l'échelle de manière appropriée la forme d'onde sur l'écran.

Déclenchez l'oscilloscope pour stabiliser l'écran de la forme d'onde, garantissant que l'impulsion est visualisée proprement et régulièrement.

Utilisez les outils de mesure de l'oscilloscope pour déterminer l'amplitude de l'impulsion, la période, le cycle de service, le temps de montée et le temps de chute directement à partir de la forme d'onde affichée.