خانه » مفاهیم پایه الکترونیک » مولد شکل موج » شکل موج های الکتریکی
  1. خانه
  2. »
  3. مفاهیم پایه الکترونیک
  4. »
  5. شکل موج های الکتریکی

شکل موج های الکتریکی

بازدید: 130

فهرست مطالب

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.

1. شکل موج الکتریکی معمولی

نمونه شکل موج الکتریکی

  1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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.

7. شکل موج پالس یا ضربه

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

8. 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.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 4 نظر

5 4
شکل موج های الکتریکی

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

فروشگاه
علاقه مندی
0 محصول سبد خرید
حساب کاربری من