电波及频率与周期时间的关系和案例

电子系统使用各种各样的信号波形类型和形状，从正弦波到波形发生器产生的信号

在振荡器教程中，我们看到了一个振荡器是用于产生连续输出信号的电子电路。通常，该输出信号是由电路的谐振分量设定的某个预定频率或波长的正弦波形式。我们还看到有许多不同类型的振荡器电路可用，但通常它们都包括一个放大器和一个电感器 - 电容器，（LC）或电阻器 - 电容器，（RC）槽路电路，用于产生正弦波型输出信号。

典型电气波形

但有时在电子电路中我们需要产生许多不同类型，频率和形状的信号波形，如方波，矩形波，三角波，锯齿波和各种脉冲和尖峰。

这些类型的信号波形可用于任何一种定时信号，时钟信号或作为触发脉冲。然而，在我们开始研究如何产生不同类型的波形之前，我们首先需要了解构成电波形的基本特性。

从技术上讲，电波形基本上是电压或电流随时间变化的直观表示。简单来说，这意味着如果我们在一张方格纸上绘制这些电压或电流变化与时间的基数（x轴），（ t ），结果绘图或绘图将代表形状如图所示，波形。有许多不同类型的电波形可用，但通常它们都可以分为两个不同的组。

1。单向波形 - 这些电气波形在一个正向流动时总是正或负，因为它们不会穿过零轴点。常见的单向波形包括方波定时信号，时钟脉冲和触发脉冲。

2。双向波形 - 这些电气波形也称为交替波形，因为它们从正方向交替到负方向，不断地越过零轴点。双向波形经历幅度的周期性变化，最常见的是正弦波。

波形是单向的，双向的，周期性的，非周期性，对称性，非对称性，简单或复杂，所有电气波形包括以下三个共同特征：

周期： - 这是波形从开始到结束重复自身的时间长度（以秒为单位）。此值也可以称为正弦波波形的周期时间，（ T ），或方波的脉冲宽度。 / li>

频率： - 这是波形在一秒钟内重复的次数。频率是时间段的倒数，（ƒ= 1 / T ），标准频率单位为赫兹，（Hz）。

幅度： - 这是以伏特或安培为单位测量的信号波形的幅度或强度。

周期波形

周期波形是所有电气波形中最常见的，因为它包括正弦波。您家中的AC（交流）电源波形是一个正弦波，并且随着时间的推移不断在最大值和最小值之间交替。

每个单独重复或正弦波形周期之间所需的时间称为“周期时间”或简称波形的周期。换句话说，波形重复自身所需的时间。

然后，这个周期可以随着每秒波形从几分之一秒到数千秒而变化，因为它取决于波形的频率。例如，需要一秒钟来完成其循环的正弦波形将具有一秒的周期时间。同样，需要五秒钟才能完成的正弦波将具有五秒的周期时间，依此类推。

因此，如果波形完成一个完整模式或循环之前所需的时间长度重复本身被称为“波浪的周期”并以秒为单位进行测量，然后我们可以将波形表示为每秒的周期数，用字母 T 表示，如下所示。

正弦波波形

周期时间单位，（ T ）include：秒（ s ），毫秒（ ms ）和微秒（μs）。

对于正弦波波形只有，我们还可以用度或弧度表示波形的周期时间，因为一个完整周期等于360 o （ T = 360 o ）或Radians为2pi，2π（ T =2π），那么我们可以说2π弧度= 360 o - （记住这个！）。

我们现在知道电波形重复自身所需的时间称为周期时间或周期，表示固定的时间量。如果我们取周期的倒数（ 1 / T ），我们最终会得到一个值，表示一个周期或周期在一秒或每秒周期内重复的次数，这是通常称为频率，单位为赫兹，（Hz）。那么赫兹也可以被定义为“每秒周期数”（cps），1Hz恰好等于每秒1个周期。

周期和频率都是彼此的数学倒数，并且是周期时间。波形减小，频率增加，反之亦然，周期时间和频率之间的关系为。

频率与周期时间的关系

其中：ƒ以赫兹为单位， T 为秒。

一个赫兹正好等于每秒一个周期，但是一个赫兹是一个非常小的单位，因此使用的前缀表示波形的数量级，如kHz，MHz，甚至GHz。

前缀	定义	写为	时间段
Kilo	千	kHz	1ms
兆	百万	兆赫	1微秒
千兆	亿	GHz的	1ns的
的Tera	兆	太赫兹	1ps

方波电波

方波波形广泛用于电子用于时钟和定时控制信号的微电子电路，因为它们是等长和平方持续时间的对称波形，代表一个周期的每一半，几乎所有数字逻辑电路都在其输入和输出门上使用方波波形。

与正波和负波峰具有平滑上升和下降波形的正弦波不同，另一方面，方波具有非常陡峭的几乎垂直的上下两侧，顶部和底部平坦，产生与其描述相符的波形， - “Square”如下图所示。

方波波形

我们知道方形电气波形是sym因为周期的每一半都是相同的，所以脉冲宽度为正的时间必须等于脉冲宽度为负或零的时间。当方波波形在数字电路中用作“时钟”信号时，正脉冲宽度的时间称为周期的“占空比”。

然后我们可以说对于方波波形正或“开”时间等于负或“关”时间，因此占空比必须为50％（其周期的一半）。由于频率等于周期的倒数（ 1 / T ），我们可以将方波波形的频率定义为：

电波形示例No1

方波电波形的脉冲宽度为10ms，计算其频率，（ƒ）。

对于方波形波形，占空比为50％，因此波形周期必须等于： 10ms + 10ms 或 20ms

所以总结一下Square Waves。方波波形在形状上是对称的，并且具有等于其负脉冲宽度的正脉冲宽度，从而产生50％的占空比。在数字系统中使用方波波形来表示逻辑电平“1”，高幅度和逻辑电平“0”，低幅度。如果波形的占空比是50％以外的任何其他值，（半开半关 - 关），则结果波形将被称为矩形波形或者如果“开启”时间非常小a脉冲。

矩形波形

矩形波形类似于上面的方波波形，区别在于两者波形的脉冲宽度是不相等的时间周期。因此，矩形波形被归类为“非对称”波形，如下所示。

矩形波形

上面的例子表明，正脉冲宽度的时间比负脉冲宽度短。同样，负脉冲宽度可能短于正脉冲宽度，无论哪种方式，所得波形仍然是矩形波形。

这些正负脉冲宽度有时称为“Mark”和“空间”分别与标记时间与空间时间的比率被称为周期的“标记 - 空间”比率，对于方波波形，它将等于1。

电气波形示例No2

矩形波形的正脉冲宽度（标记时间）为10ms，占空比为25％，计算其频率。

给出占空比如果为25％或1/4并且这等于10ms的标记时间，那么波形的周期必须等于： 10ms（25％）+ 30ms（75％）等于 40ms（100％）总计。

矩形波形可用于通过va调节施加到诸如灯或电动机的负载的功率量占用波形的占空比。占空比越高，施加到负载的平均功率越大，占空比越低，施加到负载的平均功率越小，这就是使用“脉冲”的一个很好的例子。宽度调制“速度控制器。

三角波形

三角波形通常是双向非正弦波形，在正峰值和负峰值之间振荡。尽管称为三角波，但三角波实际上更像是对称的线性斜坡波形，因为它只是一个恒定频率或速率的缓慢上升和下降电压信号。在每个斜坡方向之间电压变化的速率在周期的两半期间相等，如下所示。

三角波形

通常，对于三角波形，正向斜坡或斜率（上升）与负向斜坡（衰减）的持续时间相同给三角波形一个50％的占空比。然后任何给定的电压幅度，波形的频率将决定波的平均电压电平。

因此对于缓慢上升和缓慢的延迟时间斜率将给出比更快的更低的平均电压电平上升和衰减时间。但是，我们可以通过改变上升或下降斜坡值来产生非对称三角波形，从而为我们提供另一种通常称为锯齿波波形的波形

锯齿波形

锯齿波形是另一种类型的周期波形。顾名思义，波形的形状类似于锯片的齿。锯齿状波形可以具有自身的镜像，具有缓慢上升但非常陡峭的衰减，或者几乎垂直上升和缓慢衰减，如下所示。

锯齿波形

正斜坡锯齿波形更常见两种波形类型中，波的斜坡部分几乎是完全线性的。 Sawtooth波形通常可从大多数函数发生器获得，由基频（ƒ）和偶数谐波的所有整数比组成，1 / 2,1 / 4,1 / 6 1/8 ...... 1 / n等。实际上这意味着锯齿波形富含谐波，音乐合成器和音乐家为音乐提供音质或音调色彩，没有任何失真。

触发和脉冲

虽然技术上触发和脉冲是两个独立的波形，但我们可以将它们组合在一起， “触发器”基本上只是一个非常狭窄的“脉冲”。不同之处在于触发器在方向上可以是正的或负的，而脉冲在方向上只是正的。

A脉冲波形或“脉冲序列”，因为它们是更常见的是，一种非正弦波形，类似于我们之前看到的矩形波形。不同之处在于脉冲的确切形状由周期的“标记 - 空间”比率确定，对于脉冲或触发波形，波形的标记部分非常短，具有快速上升和衰减形状，如图所示下面。

脉冲波形

A脉冲是一个波形或信号本身。与高频方波时钟信号甚至矩形波形相比，它具有非常不同的标记 - 空间比。

“脉冲”和触发器的目的是产生非常短的信号来控制发生某些事情的时间，例如，启动定时器，计数器，单稳态触发器或触发器等，或作为触发器来切换“开启”晶闸管，三端双向可控硅开关和其他功率半导体器件。

函数发生器

A函数发生器或有时称为波形发生器是一种器件或者以所需频率产生各种不同波形的电路。它可以生成正弦波，方波，三角波形和锯齿波形以及其他类型的输出波形。

有许多“现成的”波形发生器IC可用，所有这些都可以合并到一个用于产生所需的不同周期波形的电路。

一个这样的器件是 8038 精密波形发生器IC，能够产生正弦波，方波和三角波输出波形，最小数量为外部组件或调整。通过正确选择外部RC元件，可以选择工作频率范围超过八十年的频率，从0.001Hz到300kHz。

波形发生器IC

振荡频率在很宽的温度和电源电压范围内都非常稳定，频率可高达1MHz。三个基本波形输出（正弦波，三角波和方波）中的每一个都可以从独立的输出端子同时获得。 8038的频率范围是电压可控的，但不是线性函数。三角对称性和正弦波失真是可调的。

在下一个关于波形的教程中，我们将看一下用于生成的多谐振荡器连续输出波形或单个脉冲。用作脉冲发生器的一个这样的多谐振荡器电路称为单稳态多谐振荡器。