전기 파형

 

전기 파형

전자 시스템은 정현파부터 파형 발생기로 생성된 신호까지 매우 다양한 신호 파형 유형 및 모양을 사용합니다.

오실레이터 튜토리얼 에서  우리는 오실레이터가 연속적인 전기 파형의 출력을 생성하는 데 사용되는 전자 회로라는 것을 보았습니다. 일반적으로 이 출력 신호는 회로의 공진 구성 요소에 의해 설정된 미리 결정된 주파수 또는 파장에서 정현파 형태입니다.

또한 사용할 수 있는 다양한 유형의 발진기 회로가 있지만 일반적으로 모두 증폭기와 사인파 유형 출력 신호를 생성하는 데 사용되는 인덕터-커패시터(LC) 또는 저항기-커패시터(RC) 탱크 회로로 구성됩니다. .

일반적인 전기 파형

 

그러나 때로는 전자 회로에서 사각파, 직사각형파, 삼각파, 톱니파 및 다양한 펄스 및 스파이크와 같은 신호 파형 의 다양한 유형, 주파수 및 모양을 생성해야 하는 경우도 있습니다 .

이러한 유형의 신호 파형은 타이밍 신호, 클럭 신호 또는 트리거 펄스로 사용될 수 있습니다. 그러나 다양한 유형의 파형이 어떻게 생성되는지 살펴보기 전에 먼저 전기 파형을 구성하는 기본 특성을 이해해야 합니다 .

기술적으로 말하면 전기 파형은 기본적으로 시간에 따른 전압이나 전류의 변화를 시각적으로 표현한 것입니다. 쉽게 말하면 이는 시간의 기준(x축)( t ) 에 대해 그래프 용지에 이러한 전압 또는 전류 변화를 플롯한 경우 결과 플롯 또는 그림이 표시된 파형 의 모양을 나타냄을 의미합니다. 다양한 유형의 전기 파형을 사용할 수 있지만 일반적으로 두 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다.

• 1. 단방향 파형   – 이러한 전기 파형은 영점 축 지점을 교차하지 않기 때문에 한 방향으로만 흐르는 특성상 항상 양수 또는 음수입니다. 일반적인 단방향 파형에는 구형파 타이밍 신호, 클럭 펄스 및 트리거 펄스가 포함됩니다.
• 2. 양방향 파형   - 이러한 전기 파형은 양의 방향에서 음의 방향으로 지속적으로 0축 지점을 교차하므로 교번 파형이라고도 합니다. 양방향 파형은 진폭이 주기적으로 변화하며, 가장 일반적인 파형은 사인파입니다.

파형이 단방향, 양방향, 주기적, 비주기적, 대칭, 비대칭, 단순 또는 복합인지 여부에 관계없이 모든 전기 파형에는 다음 세 가지 공통 특성이 포함됩니다.

• 기간:  – 파형이 처음부터 끝까지 반복되는 데 걸리는 시간(초)입니다. 이 값은 사인파의 경우 파형의 주기 시간 ( T ), 구형파의 경우 펄스 폭 이라고도 합니다 .
• 주파수:  – 이는 1초 내에 파형이 반복되는 횟수입니다. 주파수는 기간(  f = 1/T  )의 역수이며 표준 주파수 단위는 헤르츠 (Hz)입니다.
• 진폭:  – 볼트 또는 암페어 단위로 측정된 신호 파형의 크기 또는 강도입니다.

주기적인 파형

주기적 파형은 사인파를 포함하므로 모든 전기 파형 중에서 가장 일반적입니다 . 가정의 AC(교류) 주전원 파형은 사인파이며 시간이 지남에 따라 최대값과 최소값이 지속적으로 번갈아 나타나는 파형입니다.

정현파의 각 개별 반복 또는 주기 사이에 걸리는 시간을 "주기적 시간" 또는 간단히 파형의 주기라고 합니다 . 즉, 파형이 반복되는 데 걸리는 시간입니다.

그런 다음 이 기간은 파형의 주파수에 따라 달라지므로 각 파형에 따라 1초 미만에서 수천 초까지 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 사이클을 완료하는 데 1초가 걸리는 정현파형의 주기 시간은 1초입니다. 마찬가지로 완료하는 데 5초가 걸리는 사인파는 5초의 주기적인 시간을 갖게 됩니다.

따라서 파형이 반복되기 전에 하나의 전체 패턴 또는 사이클을 완료하는 데 걸리는 시간을 "파동의 주기"라고 하며 초 단위로 측정하는 경우 파형을 주기 수로 표현할 수 있습니다. 초는 아래와 같이 문자 T 로 표시됩니다.

사인파 파형

주기 시간( T ) 의 단위에는   초(  s  ), 밀리초(  ms  ) 및 마이크로초(  μs  )가 포함됩니다.

사인파 파형의 경우에만 파형의 주기 시간을 도 또는 라디안으로 표현할 수도 있습니다. 하나의 전체 사이클은 360o ( T = 360o ) 또는 라디안으로 2pi, 2π( T = 2π )와 같기 때문입니다. 그러면 2π 라디안 = 360o – (이것을 기억하세요!) 라고 말할 수 있습니다   .

이제 우리는 전기 파형이 반복되는 데 걸리는 시간을 주기 시간 또는 고정된 시간을 나타내는 기간이라고 알고 있습니다. 주기의 역수(  1/T  )를 취하면 주기 또는 주기가 1초 동안 반복되는 횟수 또는 초당 주기를 나타내는 값이 되며, 이는 일반적으로 빈도(Frequency ) 단위 로 알려져 있습니다. 헤르츠(Hz) . 그러면 헤르츠는 "초당 사이클 수"(cps)로 정의할 수도 있으며 1Hz는 정확히 초당 1사이클과 같습니다.

 

주기와 주파수는 모두 서로 수학적 역수이며, 다음과 같이 주어진 주기 시간 과 주파수 사이의 관계에 따라 파형의 주기 시간이 감소하면 주파수가 증가하고 그 반대도 마찬가지입니다 .

주파수와 주기시간의 관계

여기서:   는 헤르츠 단위이고 T 는 초 단위입니다.

1 헤르츠 는 정확히 초당 1사이클과 동일하지만 1헤르츠는 매우 작은 단위이므로 kHz , MHz , 심지어 GHz 와 같은 파형의 크기 순서를 나타내는 접두어가 사용됩니다 .

접두사	정의	다음과 같이 작성됨	기간
킬로	천	kHz	1ms
메가	백만	MHz	1us
기가	10억	GHz	1ns
테라	일조	THz	1ps

구형파 전기 파형

구형파 파형은 사이클의 각 절반을 나타내는 동일 및 제곱 지속 시간의 대칭 파형이고 거의 모든 디지털 논리 회로가 입력 및 출력에 구형파 파형을 사용하므로 클록 및 타이밍 제어 신호용 전자 및 마이크로 전자 회로에서 광범위하게 사용됩니다. 게이트.

양수 및 음수 피크에 둥근 모서리가 있는 부드러운 상승 및 하강 파형을 갖는 사인파와 달리 구형파는 설명과 일치하는 파형을 생성하는 평평한 상단 및 하단과 함께 거의 수직에 가까운 매우 가파른 위아래 측면을 갖습니다. – 아래와 같이 “사각형”.

구형파 파형

우리는 정사각형 모양의 전기 파형이 주기의 각 절반이 동일하기 때문에 모양이 대칭이라는 것을 알고 있습니다. 따라서 펄스 폭이 양수인 시간은 펄스 폭이 음수이거나 0인 시간과 같아야 합니다. 구형파 파형이 디지털 회로에서 "클럭" 신호로 사용될 때 양의 펄스 폭의 시간을 해당 주기의 "듀티 사이클"이라고 합니다.

그러면 구형파 파형의 경우 양수 또는 "ON" 시간이 음수 또는 "OFF" 시간과 동일하므로 듀티 사이클은 50%(주기의 절반)여야 한다고 말할 수 있습니다. 주파수는 주기의 역수( 1/T ) 와 같으므로   구형파 파형의 주파수를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

전기 파형 예제 No1

구형파 전기 파형의 펄스 폭은 10ms입니다. 주파수(  f  )를 계산합니다.

구형파 모양의 파형의 경우 듀티 사이클은 50%로 제공되므로 파형의 주기는 10ms + 10ms 또는 20ms 와 같아야 합니다.

Square Waves에 대해 조금 요약해 보겠습니다. 구형파 파형은 모양이 대칭이며 음의 펄스 폭과 동일한 양의 펄스 폭을 가지므로 듀티 사이클은 50%입니다. 구형파 파형은 디지털 시스템에서 논리 레벨 "1", 높은 진폭 및 논리 레벨 "0", 낮은 진폭을 나타내는 데 사용됩니다. 파형의 듀티 사이클이 50%가 아닌 값인 경우(half-ON half-OFF) 결과 파형을 직사각형 파형 이라고 부르 거나 "ON" 시간이 매우 작은 경우 펄스 라고 합니다 .

직사각형 파형

직사각형 파형은 위의 구형파 파형과 유사하지만, 차이점은 파형의 두 펄스 폭이 동일하지 않은 기간이라는 점입니다. 따라서 직사각형 파형은 아래와 같이 "비대칭" 파형으로 분류됩니다.

직사각형 파형

위의 예는 양의 펄스 폭이 음의 펄스 폭보다 시간적으로 더 짧다는 것을 보여줍니다. 마찬가지로, 음의 펄스 폭은 양의 펄스 폭보다 짧을 수 있으며, 어느 쪽이든 결과 파형 모양은 여전히 ​​직사각형 파형입니다.

이러한 포지티브 및 네거티브 펄스 폭은 각각 "마크" 및 "스페이스"라고도 하며, 마크 시간과 공간 시간의 비율은 주기 및 구형파 파형의 "마크 대 공간" 비율로 알려져 있습니다. 이것은 1과 같습니다.

전기 파형 예 No2

직사각형 파형은 10ms의 양의 펄스 폭(마크 시간)과 25%의 듀티 사이클을 가지며 주파수를 계산합니다.

듀티 사이클은 10ms의 양의 펄스 폭과 동일한 전체 파형의 25% 또는 1/4로 제공됩니다. 25%가 10mS와 같으면 100%는 40mS와 같아야 하므로 파형의 주기는 10ms(25%) + 30ms(75%) , 즉 총 40ms(100%)와 같아야 합니다.

직사각형 파형은 파형의 듀티 사이클을 변경하여 램프나 모터와 같은 부하에 적용되는 전력량을 조절하는 데 사용할 수 있습니다. 듀티 사이클이 높을수록 부하에 인가되는 평균 전력량이 커지고, 듀티 사이클이 낮을수록 부하에 인가되는 평균 전력량이 적어지는 데, 이에 대한 좋은 예가 "Pulse"의 사용입니다. 폭 변조” 속도 컨트롤러.

삼각파형

삼각파는 일반적으로 양의 피크 값과 음의 피크 값 사이에서 진동하는 양방향 비정현파 파형입니다. 삼각파라고 부르기는 하지만 삼각파는 단순히 일정한 주파수 또는 속도에서 느리게 상승 및 하강하는 전압 신호이기 때문에 실제로는 대칭형 선형 램프 파형에 더 가깝습니다. 각 램프 방향 사이에서 전압이 변하는 비율은 아래 표시된 것처럼 사이클의 두 절반 동안 동일합니다.

삼각파

일반적으로 삼각파 의 경우 양의 방향 램프 또는 기울기(상승)는 삼각형 파형에 50% 듀티 사이클을 제공하는 음의 방향 램프(감쇠)와 지속 시간이 동일합니다. 그런 다음 주어진 전압 진폭, 파형의 주파수에 따라 시간 경과에 따른 파동의 평균 전압 레벨이 결정됩니다.

따라서 램프의 느린 상승 및 지연 시간은 빠른 상승 및 감쇠 시간보다 낮은 평균 전압 레벨을 제공합니다. 그러나 일반적으로 톱니파형 으로 알려진 또 다른 유형의 파형을 제공하기 위해 상승 또는 감쇠 램프 값을 변경하여 비대칭 삼각형 파형을 생성할 수 있습니다 .

톱니파형

톱니파형은 주기적인 파형의 또 다른 유형입니다. 이름에서 알 수 있듯이 파형의 모양은 톱날의 이빨과 유사합니다. 톱니파형은 아래 그림과 같이 느리게 상승하지만 극도로 가파른 감쇠 또는 거의 수직에 가까운 매우 가파른 상승과 느린 감쇠를 통해 자체적으로 거울 이미지를 가질 수 있습니다.

톱니파형

양의 램프 톱니파형은 두 가지 파형 유형 중 더 일반적이며, 파동의 램프 부분이 거의 완벽하게 선형입니다. 톱니파형은 일반적으로 대부분의 함수 발생기에서 사용할 수 있으며 기본 주파수( f )와 1/2, 1/4, 1/6 1/8 … 1/n 등과 같은 모든 정수 비율의 고조파 로 구성됩니다. 이것이 실용적인 측면에서 의미하는 바는 톱니파형이 고조파가 풍부하고 음악 신디사이저와 음악가가 왜곡 없이 음악에 사운드 품질이나 음색 색상을 제공한다는 것입니다.

트리거 및 펄스 전기 파형

기술적으로 트리거 와 펄스는 두 개의 별도 파형이지만 "트리거"는 기본적으로 매우 좁은 "펄스"이므로 여기서 함께 결합할 수 있습니다. 차이점은 트리거는 방향이 양수이거나 음수일 수 있는 반면 펄스는 방향이 양수일 뿐이라는 것입니다.

펄스 파형(Pulse Waveform) 또는 "펄스 트레인(Pulse-train)"이라고 더 일반적으로 불리는 것은 앞서 살펴본 직사각형 파형과 유사한 비정현파 파형의 일종입니다. 펄스의 정확한 모양은 주기의 "표시 대 공간" 비율에 의해 결정되며 펄스 또는 트리거 파형의 경우 파형의 표시 부분은 그림과 같이 빠른 상승 및 감쇠 모양으로 매우 짧습니다. 아래에.

펄스 전기 파형

펄스 는 그 자체로 파형 또는 신호입니다. 이는 고주파 구형파 클럭 신호 또는 직사각형 파형과 비교할 때 마크-공간 비율이 매우 다릅니다.

"펄스"와 트리거의 목적은 예를 들어 타이머, 카운터, 단안정 또는 플립플롭 등을 시작하거나 전환을 위한 트리거로 어떤 일이 발생하는 시간을 제어하기 위해 매우 짧은 신호를 생성하는 것입니다. "ON" 사이리스터 , 트라이액 및 기타 전력 반도체 장치.

함수 발생기

함수 발생기 (때때로 파형 발생기 라고도 함 )는 원하는 주파수에서 다양한 파형을 생성하는 장치 또는 회로입니다. 사인파, 구형파, 삼각파, 톱니파 및 기타 유형의 출력 파형을 생성할 수 있습니다.

사용할 수 있는 "기성품" 파형 발생기 IC가 많이 있으며 모두 회로에 통합하여 필요한 다양한 주기 파형을 생성할 수 있습니다.

그러한 장치 중 하나가 최소한의 외부 구성 요소 또는 조정으로 사인, 사각 및 삼각 출력 파형을 생성할 수 있는 8038 정밀 파형 발생기 IC입니다. 작동 주파수 범위는 외부 RC 구성 요소를 올바르게 선택하여 0.001Hz에서 300kHz까지 80년에 걸쳐 주파수를 선택할 수 있습니다.

전기 파형 발생기 IC

발진 주파수는 광범위한 온도 및 공급 전압 변화에 걸쳐 매우 안정적이며 최대 1MHz의 주파수가 가능합니다. 세 가지 기본 파형 출력(정현파, 삼각파, 사각파) 각각은 독립적인 출력 단자에서 동시에 사용할 수 있습니다. 8038의 주파수 범위는 전압 제어가 가능하지만 선형 함수는 아닙니다. 삼각형 대칭과 사인파 왜곡은 조정 가능합니다.

파형 에 대한 다음 튜토리얼에서는 연속 출력 파형 또는 단일 개별 펄스를 생성하는 데 사용되는 멀티바이브레이터를 살펴보겠습니다 . 펄스 발생기로 사용되는 멀티바이브레이터 회로 중 하나를 단안정 멀티바이브레이터라고 합니다.