على 27/08/2024 16,903

الطول الموجي غير المتصاعد: أشكال موجية مربعة ومستطيل ونبض

في الهندسة الإلكترونية ، تعد توليد وتشكيل الأشكال الموجية الكهربائية مهام مهمة تستخدم في العديد من المجالات بما في ذلك أنظمة الاتصالات والإلكترونيات الرقمية.تناقش هذه المقالة ثلاثة أنواع من الأشكال الموجية: الأمواج المربعة والأمواج المستطيلة والأمواج النبضية ، ولكل منها خصائص واستخدامات فريدة.تماثل الأمواج المربعة والتحولات السريعة بين الحالات هي التي تجعلها فعالة للغاية في تبديل التطبيقات.مرونة الموجات المستطيلة مفيدة في مهام مثل تعديل عرض النبض (PWM) ومعالجة الإشارات ، حيث يلزم ضبط الشكل الموجي.الموجات النبضية غير منتظمة وغير متكررة ، مصنوعة للحالات التي يتم فيها استخدام تغييرات التوقيت لإرسال المعلومات.

تستكشف هذه المقالة الخصائص الفيزيائية لهذه الأشكال الموجية ، وكيف تتصرف في تحليل فورييه ، واستخداماتها العملية.يساعد فهم هذه التفاصيل في تسليط الضوء على ما يميز كل شكل موجي في التطبيقات الإلكترونية.كما أنه يبحث في كيفية إنشاء كل شكل موجة والاستخدامات الشائعة لكل منها ، مما يوفر صورة أوضح عن كيفية المساهمة في تحسين التصميمات الإلكترونية.

كتالوج

الشكل 1: شكل موجة مربعة

خصائص الأمواج المربعة

الموجات المربعة هي أشكال موجية تتحول بسرعة بين مستويين من الجهد يسمى "High" و "Low".تحدث هذه التغييرات على الفور ، مما يخلق تحولًا حادًا بين الدولتين.ومع ذلك ، في الأنظمة الحقيقية ، تبطئ عوامل مثل خصائص الدائرة التحولات.يسمى الوقت الذي يستغرقه الجهد أو السقوط وقت الصعود (للارتقاء) ووقت السقوط (للانخفاض).تقضي موجة مربعة مثالية وقتًا متساويًا في الحالات العالية والمنخفضة ، مما يخلق شكل موجة متوازنة.

يمكن أن يختلف الوقت الذي تقضيه في الحالات المرتفعة والمنخفضة ولكن لا تزال الموجة موجة مربعة.يمكن أن يكون تغيير هذا التوازن مفيدًا للمهام المختلفة.ومع ذلك ، عند دقة التوقيت كما هو الحال في أنظمة الاتصالات ، من المهم الحفاظ على التماثل.في هذه الحالات ، قد تكون هناك حاجة إلى تعديلات تصميم إضافية.

خصائص الأمواج المستطيلة

تشبه الموجات المستطيلة الأمواج المربعة ولكن لها مراحل عالية ومنخفضة ، مما يمنحها مزيدًا من المرونة.في حين أن الأمواج المربعة لها أوقات عالية ومنخفضة ، تتيح لك الموجات المستطيلة ضبط هذه الأوقات بشكل منفصل.هذا يجعل الموجات المستطيلة أكثر فائدة للمواقف التي لا يلزم فيها النمط الصارم للموجات المربعة.

فائدة واحدة كبيرة من الأمواج المستطيلة هي مرونتها.عن طريق ضبط الأوقات العالية والمنخفضة ، يمكن التحكم في عرض كل نبضة وهو أمر مهم في تعديل عرض النبض (PWM).يتم استخدام PWM في أشياء مثل التحكم في المحرك والاتصالات والطاقة ، حيث يجب أن يكون التوقيت دقيقًا.الموجات المستطيلة هي أيضا كبيرة في معالجة الإشارات وتوقيتها.على سبيل المثال ، في الإلكترونيات الرقمية ، يمكن استخدام الموجات المستطيلة كإشارات على مدار الساعة مع توقيت قابل للتعديل للمساعدة في تنسيق أجزاء مختلفة من النظام.الموجات المستطيلة أكثر مرونة من الموجات المربعة لأنه يمكن ضبط دورة عملها.

الشكل 2: شكل موجة مستطيلة

خصائص الأمواج النبضية

تختلف أشكال الموجات النبضية عن الأشكال الموجية الدورية لأنها لا تملك نمطًا منتظمًا وتكرارًا.تتكرر الأشكال الموجية الدورية في دورة ثابتة ولكن الأشكال الموجية النبضية تحدث كرد فعل لشيء مثل الوصول إلى جهد معين.لهذا السبب ، يمكن أن تبدو أشكال الموجات النبضية مختلفة اعتمادًا على الموقف.

أحد الأشياء المهمة حول الأشكال الموجية النبضية هو أنه يمكنهم حمل المعلومات عن طريق تغيير شكلها وتوقيتها.تكون الأشكال الموجية الدورية أكثر قابلية للتنبؤ ولكن يمكن تعديل الأشكال الموجية النبضية في الوقت الفعلي لإظهار أنواع مختلفة من البيانات.نظرًا لأن الأشكال الموجية النبضية يمكن أن تتغير بناءً على ظروف مختلفة ، فهي أداة جيدة للتعامل مع المعلومات المعقدة.إن قدرتهم على التكيف بسرعة تجعلها مهمة للتقنيات التي تحتاج إلى استجابات سريعة ومرونة.

الشكل 3: شكل موجة النبض

الصوت من الأمواج المربعة والمستطيلات والنبض

الأمواج المربعة: الأمواج المربعة لها صوت جريء وحاد يبرز.أنها تخلق هذا الصوت القوي لأن لديهم الكثير من التوافقيات الغريبة ، مما يمنحهم لهجة صاخبة.تتحول الموجة بسرعة بين المستويات العالية والمنخفضة التي تجعل صوتها "منفعلًا" وقادرًا على قطع الأصوات الأخرى في المزيج.تُستخدم الموجات المربعة في الموسيقى الإلكترونية والمواد المائية لأنها يمكن أن تصنع كل من الباص العميق والقيادة الحادة التي تجذب الانتباه.

الموجات المستطيلة: الأمواج المستطيلة أكثر مرونة من الموجات المربعة لأنه يمكنك تغيير لهجتها عن طريق ضبط المدة التي تظل فيها في الموضع "العالي".عندما يكون الوقت الذي يقضيه ارتفاعًا في النصف تقريبًا ، فإنها تبدو مثل الأمواج المربعة مع نغمة مشرقة وغنية.ولكن إذا أصبح الوقت في الحالة العالية أقصر ، يصبح الصوت أرق وأكثر الأنف.تتيح هذه المرونة للأمواج المستطيلة إنشاء مجموعة واسعة من الأصوات من القوي والضخمة إلى الخفيفة والجوفاء.

الموجات النبضية: الأمواج النبضية لها صوت سريع أو حاد ، مما يجعلها رائعة للتأثيرات الإيقاعية أو القصيرة.إنها جيدة في إنشاء رشقات سريعة من الصوت مثل النقرات أو الصفير ، وتعمل بشكل جيد في الموسيقى التي تحتاج إلى عناصر قوية والإيقاعية.يمنحهم الارتفاع السريع وسقوط الأمواج النبضية شعورًا عدوانيًا ، لذلك غالبًا ما يتم استخدامهم في طعنات التوليف.

تحليل فورييه من الأمواج المربعة والمستطيلات والنبض

موجات مربعة

الموجة المربعة هي شكل موجة يتحول بسرعة بين القيمة العالية والمنخفضة ، حيث تقضي وقتًا متساويًا في كل مستوى.باستخدام سلسلة فورييه ، يمكننا التعبير عنها كمجموع من موجات الجيب.لموجة مربعة ذات سعة A وفترة T ، سلسلة فورييه هي:

هنا ، لا يمثل n فقط الأعداد الصحيحة الفردية ، و هو تواتر الموجة.تبدأ السلسلة بالتردد (متى ) ويشمل التوافقيات الغريبة العليا.كل التوافقي المتتالي يتناقص في السعة ، بعد عكس الرقم التوافقي.

الشكل 4: موجات مربعة في سلسلة فورييه

موجات مستطيلة

تشبه الموجات المستطيلة الأمواج المربعة ، لكن الوقت الذي تقضيه في الحالات العالية والمنخفضة غير متكافئ.في هذه الحالة ، يجب أن تفسر سلسلة فورييه "دورة العمل" D ، وهي جزء الفترة التي تظل فيها الموجة في الحالة العليا.سلسلة فورييه لموجة مستطيلة هي:

تقوم هذه الصيغة بضبط الأطوال المختلفة للحالات العالية والمنخفضة ، والتي تضم دورة العمل D في مكونات الموجة الجيبية.

الشكل 5: موجات مستطيلة في سلسلة فورييه

موجات نابضة

تتكون الموجات النبضية ، أو قطارات النبض ، من نبضات متكررة مفصولة بفواصل حيث تكون الإشارة صفراً.تحليل فورييه لقطارات النبض أكثر تعقيدًا لأنه يعتمد على شكل النبضات والتوقيت بينهما.تبدو سلسلة فورييه الشائعة لقطار من نبضات مستطيلة:

في هذا التعبير ، Δ هو عرض كل نبضة ، T هي الفترة بين النبضات ، هو التردد الأساسي لقطار النبض.ال وظيفة ، محددة على أنها ، يصف كيف يؤثر شكل النبض على مكونات التردد.

الشكل 6: تحليل فورييه لقطارات النبض

أمثلة موجة كهربائية

موجة مربعة

الموجة المربعة هي واحدة من أبسط أنواع الطول الموجي.يتناوب بين مستويين ، الإنفاق العالي والمنخفض على قدم المساواة في كل ولاية.يسمى هذا الانقسام المتساوي دورة عمل بنسبة 50 ٪.

هذا ما يعنيه هذا:

• تبقى الموجة "على" لفترة معينة من الزمن (مستوى عال).

• ثم يبقى "قبالة" لفترة متساوية من الوقت (مستوى منخفض).

على سبيل المثال ، إذا كان عرض النبض 10 مللي ثانية (MS) لكل من الحالات "ON" و "Off" ، فإن الوقت الإجمالي لدورة كاملة (فترة واحدة) هو:

يخبرنا تواتر الموجة عدد الدورات التي تحدث في الثانية.للعثور على التردد ، استخدم الصيغة:

في هذه الحالة:

لذلك ، تكرر الموجة 50 مرة في الثانية.

الشكل 7: عاكس مصدر الجهد 3 مرحلة مع إخراج الموجة المربعة

موجة مستطيلة

الآن ، دعونا نستكشف أشكال الموجات المستطيلة ، التي تشبه الموجات المربعة ولكن ليس لدينا أوقات متساوية.يسمى الوقت الذي تظل فيه الإشارة عالية عرض النبض الإيجابي ، وتسمى نسبة ذلك الوقت إلى الفترة الإجمالية دورة العمل.

إذا كان عرض النبض الإيجابي 10 مللي ثانية ولكن دورة العمل هي 25 ٪ ، فهذا يعني أن الموجة "على" مقابل 25 ٪ فقط من إجمالي الدورة.

للعثور على الفترة الإجمالية ، قسّم عرض النبض الإيجابي على دورة العمل:

للعثور على التردد ، استخدم نفس الصيغة كما كان من قبل:

لذلك ، سيكرر هذا الشكل الموجي 25 مرة في الثانية مع أن يكون "On" وقتًا أقصر مقارنةً بوقت "Off".

مقارنة بين الأمواج المربعة والأمواج المستطيلة والأشكال الموجية النبضية

خاصية	موجات مربعة	موجات مستطيلة	أشكال موجية نبضية
شكل	متناظرة ، أوقات عالية ومنخفضة	غير متماثل ، تغيير دورة العمل	نبضات حادة مفاجئة ذات عرض مختلف
السعة	ثابت	ثابت	ثابت
تكرار	ثابت بناء على التطبيق	قابل للتعديل	أقل من التردد الأساسي
نبض عرض	نصف الفترة (بنسبة 50 ٪ من دورة العمل)	يعتمد على دورة العمل	قصير جدا إلى متوسط ​​، يحدد النبض
تكرار معدل	محددة بواسطة التردد	محددة بواسطة التردد	منخفضة جدا جدا
واجب دورة	50 ٪ (ثابت)	أي نسبة ، وليس 50 ٪	يختلف على نطاق واسع ، أقل من 50 ٪
متناسق محتوى	غني في التوافقيات الغريبة	غنية بالتوافقيات	يعتمد على شكل النبض وعرضه
جيل طريقة	المذبذبات ، الوجه	مذبذبات قابلة للتعديل ، مولدات الإشارة	مولدات النبض ، دوائر متخصصة
التطبيقات	دوائر التوقيت والساعات الرقمية	تبديل إمدادات الطاقة ، المعدلات	الرادار والاتصالات والتصوير الطبي

الشكل 8: موجة مربعة ومستطيل

خاتمة

تشرح هذه المقالة أهمية أنواع مختلفة من الأشكال الموجية في تصميم الأنظمة الإلكترونية.كل شكل موجي له خصائصه وفوائدها المفيدة في مواقف محددة.الأمواج المربعة مفيدة للأنظمة الرقمية.أنها تضمن انتقالات سلسة ودقيقة بين الحالات الثنائية التي هي جيدة لمعالجة البيانات والتواصل.تتوسع الموجات المستطيلة في هذا المفهوم من خلال توفير دورات عمل قابلة للتعديل ، مما يتيح تحكمًا أكثر دقة في التطبيقات التي يجب تخصيص توقيت الإشارة.الأمواج النبضية لا تقدر بثمن في المواقف التي تتطلب مرونة عالية واستجابة ، مثل الرادار أو التصوير الطبي.ينقلون المعلومات من خلال تغييرات في شكل النبض والتوقيت ، مما يجعلها مثالية لنقل البيانات.يوفر تحليل فورييه لهذه الأشكال الموجية فهمًا واضحًا ورياضيًا لسلوكهم.تقدم هذه المقالة نظرة عامة واضحة على كل من النظرية والاستخدامات العملية لهذه الأشكال الموجية ، مما يجعلها دليلًا قيمًا لأي شخص يعمل في التصميم الإلكتروني.

الأسئلة المتداولة [الأسئلة الشائعة]

1. ما هي مزايا الأمواج المربعة؟

يتم تقدير الموجات المربعة لأنها بسيطة ومفيدة في العديد من مهام معالجة الإلكترونات وتجهيز الإشارات.تتمثل إحدى الفوائد الكبيرة في مفتاحها الحاد بين المستويات العالية والمنخفضة ، مما يجعلها مثالية لتوقيت الإشارات على مدار الساعة في أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الرقمية الأخرى.تساعد هذه التغييرات السريعة على تجنب الالتباس في إشارات القراءة.أيضًا ، تحتوي الموجات المربعة على التوافقيات الفردية التي تجعلها أسهل في العمل في التطبيقات التي تنطوي على التوافقيات ، مثل المخلفات وتكنولوجيا الصوت ، حيث تكون الأصوات الواضحة مهمة.

2. كيف تصنع الأمواج المربعة؟

يتم إنشاء موجات مربعة باستخدام مذبذبات إلكترونية ، مثل مشغلات Schmitt أو دوائر Flip-Flop ، التي تبديل بين مستويين من الجهد.تقوم هذه المذبذبات بتبديل مخرجات عندما يعبر إدخالها قيم عتبة معينة ، مما يخلق التحولات الحادة المميزة للموجات المربعة.يمكن أيضًا برمجة مولدات الوظائف المستخدمة في المختبرات لإنتاج موجات مربعة من التردد المطلوب والسعة عن طريق التبديل السريع بين حالات الجهد العالي والمنخفض.

3. ما هي فترة النبض المستطيلة؟

تشير فترة النبض المستطيل إلى مدة دورة كاملة من النبض ، والتي تشمل حالة واحدة عالية وحالة واحدة منخفضة.يتم قياس هذا كميا حيث يستغرق النبض للعودة إلى حالته الأولية.الفترة t من النبض هي مجموع مدة الحالة العليا (tthegh) والحالة المنخفضة (tlow) ، معبراً عنها كـ t = fit+tlow.من الناحية العملية ، تحدد هذه الفترة تواتر الشكل الموجي للنبض مع التردد المتبادل للفترة (F = 1/T).

4. ما هي مكونات شكل الموجة النبض؟

يتكون شكل موجة النبض من عدة مكونات:

السعة: الحد الأقصى لقيمة النبض أعلى أو أقل من خط الأساس.

المدة: طول الوقت للنبض هو في الحد الأقصى للسعة.

وقت الارتفاع: الوقت المستغرق للنبض في الانتقال من قيمته المنخفضة (غالبًا ما يكون الجهد الأرضي أو الصفر) إلى قيمته العالية.

وقت الخريف: الوقت المستغرق للنبض للانتقال من قيمته العالية إلى قيمته المنخفضة.

دورة العمل: تمثل نسبة فترة واحدة تكون فيها الإشارة نشطة أو عالية.غالبًا ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية.

5. كيف يتم قياس شكل موجة النبض؟

ها هي العملية:

قم بتوصيل تحقيقات الذبذبات بمصدر الإشارة أو إخراج الجهاز من شكل موجة النبض.

اضبط إعدادات الذبذبات مثل الوقت/التقسيم وفولت/التقسيم لتوسيع نطاق الموجي على الشاشة بشكل مناسب.

قم بتشغيل الذبذبات لتحقيق الاستقرار في شاشة الموجة ، مما يضمن أن يتم تصور النبض بشكل نظيف وثبات.

استخدم أدوات قياس الذبذبات لتحديد سعة النبض والفترة ودورة العمل ووقت الارتفاع ووقت الخريف مباشرة من الشكل الموجي المعروض.