سیستم‌های الکترونیکی از طیف بسیار گسترده‌ای از انواع شکل موج سیگنال از سینوسی گرفته تا آنهایی که توسط مولدهای شکل موج ایجاد می‌شوند، استفاده می‌کنند.
در مقالات بخش نوسان‌سازها (اسیلاتورها) مشاهده کردیم که نوسان‌ساز یا اسیلاتور؛ یک مدار الکترونیکی است که برای تولید سیگنال خروجی پیوسته استفاده می‌شود. به طور کلی، این سیگنال خروجی به شکل یک سینوسی در فرکانس یا طول موج از پیش تعیین شده است که توسط اجزای تشدید مدار تنظیم می‌شود. همچنین مشاهده کردیم که انواع مختلفی از مدارهای نوسان‌ساز موجود است، و به طور کلی همه آنها از یک تقویت‌کننده و یک مدار مخزنی (مدار تانک) سلفی – خازنی (LC)، یا مقاومتی – خازنی (RC)، تشکیل شده‌اند که برای تولید سیگنال خروجی به شکل موج سینوسی استفاده می‌شوند.
اما گاهی اوقات در مدارهای الکترونیکی نیاز به تولید انواع، فرکانسها و اشکال مختلف شکل موج سیگنال مانند امواج مربعی، امواج مستطیلی، امواج مثلثی، شکل موج‌های دندانه‌دار و انواع پالس‌ها و ضربه‌ها داریم.
این نوع شکل موج سیگنال میتواند برای سیگنال‌های زمانبندی، سیگنال‌های ساعت (کلاک) و یا به عنوان پالس های فرمان (تریگر) استفاده شود. در عین حال، قبل از اینکه بتوانیم به نحوه تولید انواع مختلف شکل موج بپردازیم، ابتدا باید ویژگی‌های اساسی تشکیل‌دهنده شکل موج‌های الکتریکی را درک کنیم.
از نظر فنی، شکل موج‌های الکتریکی اساساً نمایش‌های بصری تغییرات یک ولتاژ یا جریان در طول زمان هستند. به زبان ساده، این بدان معنی است که اگر این تغییرات ولتاژ یا جریان را روی یک تکه کاغذ گراف در برابر یک پایه (محور x) زمانی (t) رسم کنیم، نمودار یا ترسیم حاصل یک شکل موج را نشان می‌دهد. انواع مختلفی از شکل موج‌های الکتریکی موجود است اما به طور کلی میتوان همه آنها را به دو گروه متمایز تقسیم کرد.
نمونه شکل موج الکتریکی
- شکل موج‌های یک طرفه: این شکل موج‌های الکتریکی همیشه مثبت یا منفی هستند و فقط در یک جهت رو به جلو جریان دارند به طوری که از محور صفر عبور نمیکنند. شکل موج‌های یک جهته متداول شامل سیگنال‌های زمانبندی موج مربعی، پالس‌های ساعت (کلاک) و پالس‌های فرمان (تریگر) هستند.
2. شکل موج‌های دو جهته: این شکل موج‌های الکتریکی را شکل موج متناوب نیز می‌نامند زیرا به صورت دایم از یک جهت مثبت به یک جهت منفی تغییر علامت داده و از محور صفر عبور می‌کنند. شکل موج‌های دو جهته تغییرات دورهای در دامنه دارند که رایجترین آنها موج سینوسی است. خواه شکل موج یک جهته، دو جهته، تناوبی، غیرتناوبی، متقارن، غیرمتقارن، ساده یا پیچیده باشد، همه‌ی شکل موج‌های الکتریکی شامل سه ویژگی مشترک زیر هستند:
دوره: مدت زمانی است برحسب ثانیه که شکل موج از ابتدا تا انتها تکرار می‌شود. این مقدار را میتوان دوره تناوب (T) شکل موج برای امواج سینوسی، یا عرض پالس برای امواج مربعی نامید.
فرکانس: تعداد دفعاتی است که شکل موج در بازه زمانی یک ثانیه تکرار می‌شود. فرکانس معکوس دوره زمانی (ƒ = 1/T) با واحد استاندارد هرتز (Hz) می‌باشد.
دامنه: مقدار یا شدت شکل موج سیگنال است که بر حسب ولت یا آمپر اندازه‌گیری می‌شود.
شکل موج‌های تناوبی
شکل موج‌های تناوبی رایجترین شکل موج‌های الکتریکی هستند زیرا شامل امواج سینوسی می‌شوند. شکل موج AC (جریان متناوب) در خانه شما یک موج سینوسی است و به طور مداوم بین یک مقدار حداکثر و یک مقدار حداقل در طول زمان نوسان می‌کند. مدت زمانی که بین هر تکرار یا چرخه یک شکل موج سینوسی طول می‌کشد به عنوان “زمان تناوب” یا به زبان ساده دوره شکل موج شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، مدت زمانی که طول می‌کشد تا شکل موج خود را تکرار کند.
این دوره میتواند برای هر شکل موج از کسری از ثانیه تا هزاران ثانیه متفاوت باشد زیرا به فرکانس شکل موج بستگی دارد. به عنوان مثال، یک شکل موج سینوسی که یک ثانیه طول می‌کشد تا چرخه خود را کامل کند، زمان تناوب یک ثانیه خواهد داشت. به همین ترتیب یک موج سینوسی که برای تکمیل آن پنج ثانیه طول می‌کشد، دوره تناوب پنج ثانیه خواهد داشت.
بنابراین، اگر مدت زمانی که طول می‌کشد تا شکل موج یک الگوی کامل یا چرخه کامل را قبل از تکرار خود انجام دهد به عنوان «دوره موج» شناخته شود و بر حسب ثانیه اندازه‌گیری شود، می‌توانیم شکل موج را به صورت عدد دوره در هر ثانیه، که با حرف T در زیر نشان داده شده است، بیان کنیم.
شکل موج سینوسی
واحدهای زمان تناوبی (T) عبارتند از: ثانیه (s)، میلی‌ثانیه (ms) و میکروثانیه (μs).
فقط برای شکل موج‌های سینوسی، می‌توانیم زمان تناوب شکل موج را به درجه یا رادیان بیان کنیم، زیرا یک سیکل کامل برابر با 360 درجه (T = 3600) یا بر حسب رادیان برابر 2π (T = 2π) است، پس میتوان گفت: 2π رادیان = 360 درجه (این را به خاطر بسپارید! ).
اکنون می‌دانیم که زمانی که طول می‌کشد تا شکل موج‌های الکتریکی خود را تکرار کنند، به عنوان زمان یا دوره تناوب شناخته می‌شود که نشان دهنده مقدار ثابتی از زمان است. اگر معکوس دوره تناوب (یک بر T) را در نظر بگیریم، مقداری بدست می‌آید که تعداد دفعات تکرار یک دوره یا چرخه در یک ثانیه یا چرخه‌ها در ثانیه را نشان می‌دهد، و معمولاً به عنوان فرکانس با واحد هرتز (Hz) شناخته می‌شود. بنابراین، هرتز را می توان به عنوان “چرخه در ثانیه” (cps) نیز تعریف کرد و 1 هرتز دقیقاً برابر با 1 چرخه در ثانیه است.
هر دوی دوره و فرکانس به صورت ریاضی معکوس یکدیگر هستند و با کاهش زمان تناوب شکل موج، فرکانس آن با توجه به رابطه داده شده برای زمان تناوب و فرکانس افزایش می‌یابد و بالعکس.
رابطه بین فرکانس و زمان تناوبی
در این رابطه، ƒ بر حسب هرتز و T بر حسب ثانیه است.
یک هرتز دقیقا برابر با یک سیکل در ثانیه است، اما یک هرتز یک واحد بسیار کوچک است، بنابراین از پیشوندهایی استفاده می‌شود که مرتبه بزرگی شکل موج را نشان می‌دهد مانند کیلوهرتز (KHz)، مگاهرتز (MHz) و حتی گیگاهرتز (GHz).
|
دوره زمانی
|
صورت نوشتاری
|
تعریف
|
پیشوند
|
|---|---|---|---|
|
1ms
|
kHz
|
کیلو
|
هزار
|
|
1us
|
MHz
|
میلیون
|
مگا
|
|
1ns
|
GHz
|
میلیارد
|
گیگا
|
|
1ps
|
THz
|
تریلیون
|
ترا
|
شکل موج‌های الکتریکی موج مربعی
شکل موج‌های مربعی به طور گسترده در مدارهای الکترونیکی و میکروالکترونیکی برای سیگنال‌های کنترلی زمانبندی و ساعت (کلاک) استفاده می‌شوند، چون شکل موج‌های متقارن با مدت زمان مساوی و مربعی هستند که هر یک نیمی از یک چرخه را نشان می‌دهند. تقریباً تمام مدارهای منطقی دیجیتال از شکل موج مربعی در دروازه‌های (گیت‌های) ورودی و خروجی خود استفاده می‌کنند.
برخلاف امواج سینوسی که شکل موج صعودی و نزولی صاف با گوشه‌های گرد در قله‌های مثبت و منفی خود دارند، امواج مربعی دارای اضلاع بالا و پایین تقریباً عمودی بسیار شیب دار با بالا و پایین صاف هستند و شکل موجی را ایجاد می‌کنند که با توصیف آن (مربع) ، همانطور که در زیر نشان داده شده است، مطابقت دارد.
شکل موج مربعی
می‌دانیم که شکل موج‌های الکتریکی مربع شکل، متقارن هستند زیرا هر نیمه از چرخه یکسان است. بنابراین، زمانی که عرض پالس مثبت می‌شود باید برابر با زمانی باشد که عرض پالس منفی یا صفر است. هنگامی که شکل موج مربعی به عنوان سیگنال “ساعت (کلاک)” در مدارهای دیجیتال استفاده می‌شود، زمان عرض پالس مثبت به عنوان “چرخه کار” دوره شناخته می‌شود.
بنابراین، میتوان گفت که برای شکل موج مربعی زمان مثبت یا روشن برابر با زمان منفی یا خاموش است، و چرخه کار باید 50٪ (نصف دوره آن) باشد. از آنجایی که فرکانس برابر با معکوس دوره (1 تقسیم بر T) است، میتوان فرکانس یک موج مربعی را به صورت زیر تعریف کرد:
شکل موج الکتریکی - مثال 1
یک شکل موج الکتریکی موج مربعی دارای عرض پالس 10 میلی‌ثانیه است، فرکانس آن (ƒ) را محاسبه کنید.
برای یک شکل موج مربع شکل، چرخه کار 50٪ داده می‌شود، بنابراین دوره شکل موج باید برابر باشد با 10میلی ثانیه + 10 میلی ثانیه یا 20 میلی ثانیه.
به طور خلاصه، شکل موج مربعی شکلی متقارن است که عرض پالس مثبت برابر با عرض پالس منفی آن است و در نتیجه چرخه کار آن 50 درصد می‌باشد. شکل موج‌های مربعی در سیستم‌های دیجیتال برای نشان دادن سطح منطقی “1” برای دامنه بالا و سطح منطقی “0” برای دامنه پایین استفاده می‌شوند. اگر چرخه کار شکل موج هر مقدار دیگری غیر از 50% (نیمه روشن نیمه خاموش) باشد، شکل موج حاصل را شکل موج مستطیلی می‌نامند یا اگر زمان «روشن» خیلی کوچک باشد پالس نامیده می‌شود.
شکل موج‌های مستطیلی
شکل موج‌های مستطیلی شبیه به شکل موج مربعی بالا هستند، با این تفاوت که دو عرض پالس شکل موج دارای یک دوره زمانی نابرابر هستند. بنابراین شکل موج‌های مستطیلی مطابق شکل زیر به عنوان شکل موج‌های “غیر متقارن” طبقه‌بندی می‌شوند.
شکل موج مستطیلی
مثال بالا نشان می‌دهد که عرض پالس مثبت کوتاه‌تر از عرض پالس منفی است. به همین ترتیب، عرض پالس منفی میتواند کوتاه‌تر از عرض پالس مثبت باشد، در هر صورت شکل موج حاصل همچنان شکل موج مستطیلی خواهد بود. عرض پالس‌های مثبت و منفی گاهی اوقات به ترتیب “علامت ” و “فاصله” نامیده می‌شوند، و نسبت زمان علامت به زمان فاصله به عنوان نسبت “علامت به فاصله” دوره شناخته می‌شود. برای شکل موج مربع این نسبت برابر با یک خواهد بود.
شکل موج الکتریکی - مثال 2
یک شکل موج مستطیلی دارای عرض پالس مثبت (زمان علامت) 10 میلی ثانیه و چرخه کاری 25 درصد است، فرکانس آن را محاسبه کنید.
چرخه کاری برابر 25٪ یا 1/4 از شکل موج کل داده می‌شود که برابر با عرض پالس مثبت 10 میلی ثانیه است. اگر 25% برابر با 10 میلی ثانیه باشد، 100% باید برابر با 40 میلی ثانیه باشد، پس دوره شکل موج باید برابر باشد با 10 میلی ثانیه + 30 میلی ثانیه که در کل برابر است با 40 میلی ثانیه.
شکل موج مستطیلی را میتوان برای تنظیم مقدار توان اعمال شده به بار مانند لامپ یا موتور با تغییر چرخه کار شکل موج استفاده کرد. هرچه چرخه کار بیشتر باشد، میانگین توان اعمال شده به بار بیشتر و هر چه چرخه کار کمتر، میانگین توان اعمال شده به بار کمتر می‌شود. یک مثال خوب، استفاده در “مدولاسیون عرض پالس” کنترل کننده‌های سرعت می‌باشد.
شکل موج‌های مثلثی
شکل موج‌های مثلثی معمولاً شکل موج‌های غیر سینوسی دو جهت‌های هستند که بین یک مقدار پیک مثبت و منفی در نوسان هستند. اگرچه شکل موج مثلثی نامیده می‌شود، اما در واقع بیشتر یک شکل موج شیبدار خطی متقارن است، چون به زبان ساده یک سیگنال ولتاژ با افزایش و کاهش آهسته با فرکانس یا نرخ ثابت است. نرخ تغییر ولتاژ بین هر جهت شیبدار در هر دو نیمه چرخه مطابق شکل زیر برابر است.
شکل موج مثلثی
به طور کلی، برای شکل‌های موج مثلثی، شیب مثبت (افزایش)، با مدت زمان شیبدار منفی (کاهش) برابر است که به شکل موج مثلثی یک چرخه کاری 50% می‌دهد. برای هر دامنه ولتاژ داده شده، فرکانس شکل موج سطح ولتاژ متوسط موج را تعیین می‌کند.
بنابراین، برای زمان افزایش و کاهش آهسته سطح شیبدار، سطح ولتاژ متوسط کمتری نسبت به زمان افزایش و کاهش سریعتر نتیجه می‌شود. با این حال، می‌توانیم با تغییر مقادیر شیب در حال افزایش یا کاهش، شکل موج‌های مثلثی غیرمتقارن تولید کنیم تا نوع دیگری از شکل موج را ارائه دهد که معمولاً به عنوان شکل موج دندانه اره‌ای شناخته می‌شود.
شکل موج‌های دندانه اره‌ای
شکل موج دندانه اره‌ای نوع دیگری از شکل موج متناوب است. همانطور که از نام آن پیداست، شکل موج شبیه دندانه‌های یک تیغ اره است. شکل موج‌های دندانه‌دار می‌توانند تصویری آینه‌ای از خود داشته باشند، با داشتن افزایش آهسته اما کاهش بسیار شیبدار، یا افزایش بسیار تند تقریبا عمودی و کاهش آهسته، همانطور که در زیر نشان داده شده است.
شکل موج دندانه اره‌ای
شکل موج دندانه اره‌ای شیب مثبت، رایج‌تر از دو نوع دیگر شکل موج است که بخش شیبدار موج تقریباً کاملاً خطی است. شکل موج دندانه اره‌ای معمولاً در اکثر مولدهای تابع در دسترس است و از یک فرکانس پایه (ƒ) و همه نسبت‌های عدد صحیح هارمونیک آن، مانند: 1/2، 1/4، 1/6، 1/8 … 1/n و غیره تشکیل شده است. به صورت عملی، این به معنای این است که شکل موج دندانه‌ای دارای هارمونیک‌های متعدد است و برای نوازندگان موسیقی، کیفیت صدا یا رنگ تونال را بدون هیچ گونه اعوجاج در موسیقی آنها فراهم می‌کند.
ضربه ها و پالس‌ها
اگرچه از نظر فنی ضربه‌ها و پالس‌ها دو شکل موج مجزا هستند، اما می‌توانیم آنها را در اینجا با هم ترکیب کنیم، زیرا “ضربه” اساساً فقط یک “پالس” بسیار باریک است. تفاوت در این است که یک ضربه میتواند در جهت مثبت یا منفی باشد در حالی که یک پالس فقط در جهت مثبت است.
شکل موج پالس که معمولاً به آنها “قطار پالس” گفته می‌شود، نوعی شکل موج غیر سینوسی است که شبیه به شکل موج مستطیلی است که قبلاً به آن پرداختیم. با این تفاوت که شکل دقیق پالس با نسبت “علامت به فاصله ” دوره تعیین می‌شود و برای شکل موج پالس یا ضربه، بخش علامت‌گذاری موج بسیار کوتاه است با یک شیب افزایش و کاهش سریع که در زیر نشان داده شده است.
شکل موج پالس یا ضربه
پالس در نوع خود یک شکل موج یا سیگنال است. این شکل موج نسبت علامت به فاصله بسیار متفاوت در مقایسه با سیگنال ساعت (کلاک) موج مربعی فرکانس بالا یا حتی شکل موج مستطیلی دارد.
هدف پالس و ضربه تولید یک سیگنال بسیار کوتاه برای کنترل زمانی است که در آن چیزی اتفاق می‌افتد، به عنوان مثال، برای شروع یک تایمر، شمارنده، تک‌پایا (مونوستابل) یا فلیپ فلاپ و غیره، یا به عنوان یک ضربه برای سوییچ کردن بر روی حالت روشن-تاری‌ستون‌ها، ترایاک‌ها و المان‌های نیمه‌هادی توان استفاده می‌شود.
مولد تابع چیست؟
مولد تابع که گاهی اوقات به آن مولد شکل موج نیز گفته می‌شود، دستگاه یا مداری است که انواع شکل موج‌های مختلف را در فرکانس دلخواه تولید می‌کند. این مولد میتواند امواج سینوسی، امواج مربعی، شکل موج‌های مثلثی و دندانه اره‌ای و همچنین انواع دیگر شکل موج‌های خروجی را تولید کند. آی سی‌های مولد شکل موج زیادی وجود دارند و همه آنها را میتوان در یک مدار گنجاند تا شکل موج‌های متناوب مختلف مورد نیاز را تولید کند.
یکی از این دستگاه‌ها، آی سی مولد شکل موج دقیق 8038 است که قادر به تولید شکل موج خروجی سینوسی، مربعی و مثلثی با حداقل تعداد اجزای خارجی یا تنظیمات است. محدوده فرکانس کاری آن را میتوان بیش از هشت دهه (Decade) فرکانس، از 0.001 هرتز تا 300 کیلوهرتز، با انتخاب صحیح اجزای RC خارجی انتخاب کرد.
آی سی مولد شکل موج
فرکانس نوسان در طیف وسیعی از تغییرات دما و ولتاژ تغذیه و فرکانس‌هایی تا حد 1 مگاهرتز بسیار پایدار است. هر یک از سه شکل موج پایه‌ی سینوسی، مثلثی و مربعی، به طور همزمان از پایانه‌های خروجی مستقل در دسترس هستند. محدوده فرکانس 8038 قابل کنترل با ولتاژ است اما تابع خطی نیست. تقارن مثلث و در نتیجه اعوجاج موج سینوسی قابل تنظیم است.
در مقاله بعدی در مورد شکل موج‌ها، به مولتی ویبراتورهایی می‌پردازیم که برای تولید شکل موج خروجی پیوسته یا تک پالس‌ها استفاده می‌شوند. یکی از این مدارهای مولتی ویبراتور که به عنوان تولیدکننده پالس استفاده می‌شود، مولتی ویبراتور مونوستابل نام دارد.
