شکل موجهای الکتریکی 

سیستم های الکترونیکی از انواع شکل موج  و سطوح سیگنال بسیار گسترده از سینوسی تا آنها که توسط مولد شکل موج بوجود آمده اند، بهره مند می‌شوند.

شکل موجهای الکتریکی

در آموزش نوسان سازها دیدیم که یک نوسان ساز یک مدار الکترونیکی بکاررفته برای تولید یک سیگنال خروجی پیوسته است. عموما این سیگنال خروجی در شکل سینوسی در بعضی فرکانس از پیش تعیین شده یا طول موج است که توسط قطعات تشدید کننده مدار تنظیم می شود. همچنین دیدیم که انواع بسیار گوناگونی از مدارهای نوسان ساز وجود دارد اما عموما همه آنها شمامل یک تقویت کننده ومدار تانک سلف- خازن  (LC) یا مقاومت- خازن  (RC) هستند که برای تولید یک سیگنال خروجی در نوع موج سینوسی بکار می‌روند.

اما گاهی اوقات در مدارهای الکترونیکی، نیاز به تولید انواع مختلفی از فرکانس ها و سطوح شکل موج های سیگنال مانند موج های مربعی، مستطیلی، مثلثی، اره ای و تنوعی از پالس ها و قله ها است.

شکل موج الکتریکی

این انواع شکل موج سیگنال بعد می‌تواند برای سیگنالهای زمانی، سیگنالهای ساعت یا به عنوان پالس های تریگر بکار روند. اگرچه، قبل از پرداختن بر چگونگی تولید انواع شکل موج های مختلف، در ابتدا ما نیازمند دانستن مشخصه های پایه که شکل موج های الکتریکی را می‌سازند هستیم.

از نظر فنی، شکل موج های الکتریکی اساسا نمایش بصری از تغییرات ولتاژ یا جریان در طول زمان هستند. به این معنا که اگر ما تغییرات ولتاژ و جریان را در کاغذی در برابر زمان (t)(محور x ) رسم کنیم، ترسیم حاصل سطوحی از شکل موج ها را نشان خواهد داد که در شکل بالا نشان داده شده است. انواع بسیار مختلفی از شکل موج های الکتریکی موجود است اما عموما آنها می توانند در دو گروه متمایز به شرح زیر قرار بگیرند:

• شکل موج های تک جهته- این شکل موج های الکتریکی بصورت ذاتی همیشه مثبت یا منفی هستند که در یک جهت مستقیم ادامه می‌یابند زیرا که آنها نقطه محوری صفر را هیچ وقت قطع نمی‌کنند. شکل موج های تک جهته رایج شامل سیگنالهای زمانی موج مربعی، پالس های ساعت و تریگر هستند.
• شکل موج های دوجهته- این شکل موج های الکتریکی همچنین شکل موج های تغییر کننده نامیده می‌شوند زیرا که آنها بصورت ثابت از یک جهت مثبت به یک جهت منفی تغییر می‌کنند و نقطه صفر محوری را قطع می‌کنند. شکل موج های دو جهته در تغییرات تناوبی در دامنه اتفاق می افتند که رایج ترین آنها موج سینوسی است.

شکل موج های الکتریکی

چه شکل موج تک جهته باشد و چه دو جهته، متناوب باشد یا غیر متناوب، متقارن باشد یا نا متقارن، ساده باشد یا پیچیده، تمام شکل موج های الکتریکی شامل سه مشخصه زیر هستند:

تناوب: این طول زمان است که شکل موج می گیرد تا خودش را از آغاز تا پایان تکرار کند. این مقدار می‌تواند زمان تناوبی(T)  شکل موج سینوسی یا پهنای پالس برای موج های مربعی خوانده شود.

فرکانس: این تعداد زمانهایی است که شکل موج خودش را در داخل یک ثانیه زمان تناوب تکرار می‌کند. فرکانس عکس زمان تناوب (f=1/t ) با واحد استاندارد فرکانس است که در واحد هرتز (Hz) بیان می‌شود.

دامنه: این اندازه یا شدت شکل موج سیگنال اندازه گیری شده در ولت یا آمپر است.

شکل موج های تناوبی

شکل موج های تناوبی رایج ترین شکل موجهای الکتریکی هستند، که شامل موج های سینوسی است. شکل موج اصلی AC (جریان متناوب) در خانه شما موج سینوسی است که بصورت ثابت بین یک مقدار ماکزیمم و مینیمم با گذشت زمان تغییر می‌کند.

مقدار زمانی که صرف هر تکرار مستقل یا چرخه شکل موج سینوسی می‌شود به عنوان “زمان تناوبی” آن یا بصورت ساده تناوب شکل موج شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، زمانی که آن برای شکل موج در نظر می‌گیرد تا خودش را تکرار کند.

بعد این تناوب می‌تواند با هر شکل موج از کسری از ثانیه تا هزاران ثانیه تغییر کند زیرا که آن به فرکانس شکل موج بستگی دارد. برای مثال، یک شکل موج سینوسی که یک ثانیه صرف کامل کردن چرخه اش می‌کند، زمان تناوبی یک ثانیه خواهد داشت.  به همین شکل، یک موج سینوسی که 5 ثانیه زمان نیاز دارد، زمان تناوب 5 ثانیه خواهد داشت و به همین ترتیب ادامه دارد.

در نتیجه طول زمانی که آن برا کامل کردن یک الگوی کامل یا چرخه شکل موج  قبل از تکرار کردن خودش می‌گیرد  بصورت ” تناوب موج” شناخته شده و در ثانیه اندازه گیری می‌شود، سپس می‌توانیم شکل موج را به عنوان یک شماره تناوب در هر ثانیه که با T بیان می‌شود، نشان دهیم، که در زیر نشان داده شده است.

شکل موج سینوسی

واحد زمان تناوبی (T) شامل : ثانیه (s)، میلی ثانیه (ms) و میکرو ثانیه (µs)  است.

تنها برای شکل موج سینوسی، همچنین می‌توانیم زمان تناوبی شکل موج را هم در درجه و هم در رادیان نشان دهیم، بطوریکه یک چرخه کامل معادل با [latex] 360^{circ} [/latex]  ([latex] T=360^{circ} [/latex]) یا در رادیان برابر 2پی، 2π  ([latex] T=2Pi [/latex]) است، سپس میتوان گفت که رادیان[latex] 360^{circ}=2Pi [/latex]  (این را بخاطر بسپارید).

اکنون می‌دانیم که زمان صرف شده برای شکل موج های الکتریکی برای تکرار خودشان بصورت زمان تناوبی یا تناوب  شناخته می‌شود که یک مقدار زمان ثابت را نشان می‌دهد. اگر ما برعکس تناوب را بصورت([latex] 1/T [/latex]) در نظر بگیریم، ما با مقداری خاتمه می دهیم که تعداد دفعات زمان را یک تناوب یا چرخه می نامد و خودش را در یک ثانیه یا چرخه در ثانیه تکرار می کند، و این معمولاً به عنوان فرکانس با واحد های هرتز (Hz) شناخته می شود. سپس هرتز همچنین می‌تواند بصورت ” چرخه ها در هر ثانیه” cps)¹) تعریف شود و 1Hz دقیقا برابر با 1 چرخه در هر ثانیه است.

تناوب و فرکانس هر دو تقابل ریاضی یکدیگر هستند، و هرچه زمان تناوب شکل موج کاهش می‌یابد، فرکانس آن افزایش می‌یابد و بر عکس، رابطه بین زمان تناوب و فرکانس به شرح زیر است.

رابطه بین فرکانس و زمان تناوب

[latex] A=(frac{1}{B}) [/latex] یا  [latex] f=(frac{1}{T}) Hz [/latex]

[latex] B=(frac{1}{A}) [/latex]  یا  [latex] T=(frac{1}{f}) sec [/latex]

A= فرکانس   و B= زمان تناوب

بطوریکه : f در واحد هرتز و Tدر واحد ثانیه بیان می‌ ‌شود.

یک هرتز دقیقا برابر با یک چرخه در هر ثانیه است، اما یک هرتز یک واحد خیلی کوچک است در نتیجه پیشوندها استفاده می‌شوند تا مرتبه دامنه شکل موج را بدهند مانند kHz, MHz و حتی GHz .

شکل موج های الکتریکی موج مربعی

شکل موج های موج مربعی بطور گسترده در مدارهای الکترونیکی و میکرو الکترونیکی برای سیگنال های کنترل ساعت و زمان بندی استفاده می‌شوند زیرا آنها شکل موجهای متقارن برابر و مربعی هستند که هر نیم چرخه را نشان می‌دهند و  تقریباً در تمام مدارهای منطقی دیجیتال از شکل موج های  موج مربعی در گیت های  ورودی و خروجی خود استفاده می کنند.

برخلاف امواج سینوسی که دارای یک موج  افتان و خیزان با گوشه های گرد در قله های مثبت و منفی خود هستند، از طرف دیگر امواج مربع دارای شیب خیلی تند تقریباً عمودی رو به بالا و پایین با یک سطح صاف در  بالا و پایین هستند که  شکل موجی را ایجاد می‌کنند که با توضیحات اش “مربعی”  مطابقت دارد، که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل موج مربعی

می دانیم که شکل موجهای الکتریکی مربعی از نظر شکل متقارن هستند زیرا هر نصف چرخه یکسان هستند، بنابراین زمانی که عرض پالس مثبت است باید برابر با زمانی باشد که عرض پالس منفی یا صفر است. هنگامی که از شکل موج موج مربعی به عنوان سیگنال های “ساعت” در مدارهای دیجیتال استفاده می شود، زمان عرض پالس مثبت به عنوان “سیکل کاری” تناوب شناخته می شود.

سپس می توان گفت که برای یک شکل موج مربعی زمان مثبت یا “روشن” برابر با زمان منفی یا “خاموش” است، بنابراین سیکل کاری باید 50٪ باشد (نیمی از دوره آن). از آنجا که فرکانس برابر با عکس تناوب ([latex] (frac{1}{T}) [/latex]) است، میتوانیم فرکانس شکل موج مربعی را بصورت زیر تعریف کنیم:

[latex] f=(frac{1}{c}) [/latex]

c= زمان روشن +زمان خاموش

مثال شماره 1 شکل موج های الکتریکی

یک شکل موج الکتریکی موج مربعی  دارای پهنای پالس 10msاست،  فرکانس  آن را حساب کنید.

برای شکل موج مربعی، سیکل کاری 50% داده شده است، درنتیجه تناوب شکل موج باید برابر با : 10ms+10msیا    20msباشد.

[latex] f=(frac{1}{T})=(frac{1}{10ms+10ms})=50Hz [/latex]

بیایید شکل موج های مربعی را خلاصه کنیم. یک شکل موج مربعی از نظر شکل متقارن است و دارای یک عرض پالس مثبت برابر با عرض پالس منفی است که منجر به سیکل کاری50٪ می شود. شکل موج موج مربعی در سیستم های دیجیتال برای نشان دادن سطح منطقی “1” ، دامنه بالا و سطح منطق “0” ، دامنه پایین استفاده می شود. اگر سیکل کاری شکل موج مقدار دیگری از 50٪ باشد، (نصف روشن، نصف خاموش) شکل موج حاصل یک شکل موج مستطیلی نامیده می‌شود یا اگر زمان “روشن” واقعاً کوچک باشد، یک پالس می‌شود.

شکل موج های مستطیلی

شکل موج های مستطیلی مشابه شکل موج های مربعی در فوق هستند، تفاوت این است که دو عرض پالس شکل موج از یک دوره زمانی، نابرابر هستند. بنابراین، شکل موج های مستطیلی شکل به عنوان شکل های موج “غیر متقارن” طبقه بندی می شوند.

شکل موج مستطیلی

مثال بالا نشان می دهد که عرض پالس مثبت نسبت به عرض پالس منفی در زمان کوتاه تر است. به طور مساوی، عرض پالس منفی می تواند کوتاهتر از عرض پالس مثبت باشد، یا به هر صورت شکل موج حاصل همچنان از یک شکل موج مستطیل شکل می باشد.

این پهناهای  پالس های مثبت و منفی گاهی به ترتیب “علامت” و “فضا” خوانده می شوند، با نسبت زمان علامت به زمان فضا به عنوان نسبت “علامت – به- فضا” تناوب شناخته می‌شوند و برای یک شکل موج مربعی این برابر با یک خواهد بود.

مثال شماره 2 شکل موج های الکتریکی

یک شکل موج مستطیلی دارای عرض پالس مثبت (زمان علامت) 10ms و یک سیکل کاری 25% است، فرکانس آن را محاسبه کنید.

سیکل کاری بصورت 25% یا [latex] 1/4 [/latex] داده شده است و این برابر با زمان علامت است که 10ms است، سپس تناوب شکل موج باید برابر با : (10ms(25%)+30ms(75% که جمعا برابر با  (40ms(100% است.

[latex] f=(frac{1}{T})=(frac{1}{10ms+30ms})=25Hz [/latex]

شکل موج های مستطیلی شکل  می توانند برای تنظیم میزان توان اعمال شده در بار مانند لامپ یا موتور با تغییر سیکل کاری استفاده شوند. هرچه سیکل کاری بالاتر باشد، میانگین توان مصرفی در بار بیشتر می شود و سیکل کاری نیز کمتر می شود، میانگین میزان مصرف انرژی بر روی بار کمتر می شود و یک مثال عالی از این، استفاده از “مدولاسیون پهنای پالس”  در کنترل کننده های  سرعت است.

شکل موج های مثلثی

موجهای مثلثی به طور کلی شکل موجهای غیر سینوسی دو جهته ای هستند که بین یک مقدار اوج مثبت و منفی نوسان می کنند. اگرچه یک شکل موج مثلثی نامیده می شوند، موج مثلثی در واقع چیزی بیشتر از یک شکل موج شیب دار خطی متقارن است زیرا به سادگی یک سیگنال ولتاژ در حال افزایش و افت در یک فرکانس یا نرخ ثابت است. نرخی که در آن ولتاژ بین هر جهت شیب دار تغییر می‌کند در هر دو نیمه از چرخه مطابق شکل زیر برابر است.

به طور کلی برای شکل موجهای مثلثی، سطح شیب دار یا شیب رو به مثبت (بالا آمدن)، دارای مدت زمان مشابه با شیب رو به منفی (افت) است که یک شکل موج مثلثی با سیکل کاری 50٪ را می دهد. سپس در هر دامنه ولتاژ داده شده، فرکانس شکل موج سطح ولتاژ متوسط موج را تعیین خواهد کرد.

بنابراین برای افزایش آهسته و زمان تاخیر آهسته، سطح شیب دار یک سطح ولتاژ متوسط کمتری نسبت به زمان افزایش سریعتر و افت سریعتر خواهد داشت. با این حال، می توانیم شکل های موج مثلثی غیر متقارن را با تغییر مقدار سطح شیب رو به افزایش یا افت تولید کنیم تا نوع دیگری از شکل موج را که معمولاً به عنوان یک شکل موج دندان اره ای شناخته می شود به ما بدهد.

شکل موج های دندان اره ای

شکل موج های دندان اره ای  نوع دیگری از شکل موج تناوبی است. همانطور که از نام آن پیداست، فرم شکل موج شبیه دندانهای تیغه اره است. شکل موج های دندان اره ای می توانند با داشتن صعود آهسته اما یک افت شدید، یا افزایش  عمودی شدید و افت آهسته همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود، دارای یک تصویر آینه از خود باشند.

شکل موج های دندان اره ای

شکل موج اره ای شیب مثبت متشکل از دو نوع شکل موج متداول است که بخش شیب موج تقریباً کاملاً خطی است. شکل موج اره ای معمولاً از بیشتر ژنراتورهای تابعی موجود است و از یک فرکانس اساسی (ƒ) و کلیه نسبت های عدد صحیح آن از هارمونیک ها ، مانند: [latex] 1/2 [/latex] ، [latex] 1/4 [/latex] ، [latex] 1/6 [/latex] [latex] 1/8 [/latex] … [latex] 1/n [/latex] و غیره تشکیل شده است. معنای عملی این است که شکل موج دندان اره ای از نظر هارمونیک وافر است و برای آهنگسازان موسیقی و نوازندگان، کیفیت صدا یا شدت رنگ را بدون هیچ گونه انحرافی به موسیقی خود می دهند.

پالس ها و تریگر ها

اگرچه از نظر فنی، تریگرها و پالس ها دو شکل موج جداگانه هستند، می‌توانیم آنها را در اینجا با هم ترکیب کنیم، زیرا که “تریگر” اساسا تنها یک “پالس” خیلی  باریک  است. تفاوت این است که تریگر می تواند مثبت یا منفی باشد در حالی که یک پالس فقط در یک جهت مثبت است.

شکل موج پالس یا “قطار پالس” که بیشتر به این نام شناخته می‌شوند، نوعی شکل موج غیر سینوسی است که شبیه به شکل موج مستطیل است که قبلاً به آن پرداختیم. تفاوت این است که شکل دقیق پالس با نسبت “علامت به فضا” تناوب تعیین شده است و برای یک پالس یا شکل موج تریگر قسمت علامت موج با افزایش سریع و شکل افت بسیار کوتاه است که در زیر نشان داده شده است.

یک پالس به خودی خود یک شکل موج یا سیگنال است. آن نسبت علامت به فضا خیلی متفاوت در مقایسه با یک سیگنال ساعت مربع با فرکانس بالا و یا حتی یک شکل موج مستطیلی دارد.

هدف از یک “پالس” و تریگر تولید یک سیگنال بسیار كوتاه برای كنترل زمان وقوع چیزی برای مثال، شروع به كار تایمر، شمارنده ، مونواستابل یا فلیپ فلاپ و غیره است یا به عنوان یک تریگر برای تغییر از تریستورهای  “روشن ” ، تریاک  و دیگر دستگاه های نیمه رسانای توان استفاده می‌شود.

مولد تابع

یک مولد تابع یا که بعضاً یک مولد شکل موج نامیده می شود، دستگاه یا مداری است که انواع مختلفی از شکل موج های مختلف را در فرکانس مورد نظر تولید می کند. می تواند موجهای سینوسی، امواج مربعی، شکل موجهای مثلثی و اره ای و انواع دیگر از شکل موج های خروجی را ایجاد کند.

تعداد  زیادی آی سی های مولد شکل موج ” آماده ” موجود است  و همه آنها می توانند در یک مدار برای تولید شکل موج های تناوبی مختلف مورد نیاز قرار بگیرند.

یکی از این دستگاه ها، 8038 است که  یک آی سی مولد شکل موج دقیق است که قادر به تولید شکل موجهای خروجی سینوسی ، مربعی و مثلثی و دارای حداقل تعداد اجزای خارجی یا تنظیمات است. دامنه فرکانس عملکردی آن می تواند بیش از هشت دهه فرکانس، از[latex] 0.001Hz[/latex] تا 300kHz با انتخاب صحیح از اجزای R-C خارجی انتخاب شود.

آی سی مولد شکل موج

فرکانس نوسان در طیف وسیعی از دما بسیار پایدار است و تغییرات ولتاژ تغذیه و فرکانس به بزرگی 1 مگاهرتز امکان پذیر است. هر یک از سه خروجی اصلی شکل موج  سینوسی، مثلثی و مربعی به طور همزمان از پایانه های خروجی مستقل در دسترس هستند. دامنه فرکانسی 8038 ولتاژ کنترل کننده ولتاژ است اما عملکرد خطی  ندارد. تقارن مثلثی و از این رو انحراف موج سینوسی قابل تنظیم است.

در آموزش بعدی درباره شکل موج ها، به مولتی ویبراتورهایی که برای تولید شکل موج های خروجی پیوسته یا پالسهای مستقل منفرد استفاده می شوند، خواهیم پرداخت. یکی از چنین مدارهای مولتی ویبراتوری که به عنوان مولد پالس استفاده می شود، مولتی ویبراتور مونو استابل نام دارد.

1. cycles per second