Απλός μετατροπέας τετραγωνικών κυμάτων σε ημιτονοειδές κύμα

Το κύκλωμα μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων σε ημιτονοειδές κύμα είναι ένα σημαντικό αναλογικό κύκλωμα που μετατρέπει τετραγωνικές κυματομορφές σε κυματομορφές ημιτονοειδούς. Έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε πολλούς διαφορετικούς τομείς ηλεκτρονικών, όπως σε μαθηματικές λειτουργίες, ακουστική, εφαρμογή ήχου, μετατροπείς, πηγή ισχύος, γεννήτρια λειτουργιών κ.λπ.

Σε αυτό το έργο, θα συζητήσουμε πώς λειτουργεί ένα κύκλωμα μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων σε ημιτονοειδές κύμα και πώς μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας απλά παθητικά ηλεκτρονικά. Μπορείτε επίσης να δείτε άλλα κυκλώματα γεννήτριας κυματομορφής που αναφέρονται παρακάτω.

• Κύκλωμα γεννήτριας τετραγωνικού κύματος
• Κύκλωμα γεννήτριας ημιτονοειδούς κυκλώματος
• Κύκλωμα γεννήτριας τριγώνου
• Κύκλωμα γεννήτριας Sawtooth

Μετατροπέας Square to Sine Wave χρησιμοποιώντας RC Network

Ένας μετατροπέας τετραγωνικού κύματος σε ημιτονοειδές κύμα μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας 6 παθητικά εξαρτήματα, δηλαδή πυκνωτές και τρεις αντιστάσεις. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους τρεις πυκνωτές και τρεις αντιστάσεις, μπορεί να δημιουργηθεί ένα δίκτυο RC 3 σταδίων που παίρνει ένα τετράγωνο κύμα ως είσοδο και ημιτονοειδές κύμα ως έξοδο. Ένα απλό κύκλωμα δικτύου απλού σταδίου εμφανίζεται παρακάτω.

Στο παραπάνω κύκλωμα, εμφανίζεται ένα φίλτρο RC ενός σταδίου όπου χρησιμοποιείται μία αντίσταση και ένας πυκνωτής. Το παραπάνω κύκλωμα είναι πολύ απλό. Ο πυκνωτής φορτίζεται ανάλογα με την κατάσταση του τετραγωνικού κύματος. Εάν το τετράγωνο κύμα στην είσοδο είναι σε υψηλή θέση, ο πυκνωτής θα φορτιστεί και εάν το τετράγωνο κύμα είναι σε χαμηλή θέση, ο πυκνωτής αποφορτίζεται.

Ένα μεταβαλλόμενο κύμα σήματος όπως ένα τετραγωνικό κύμα έχει μια συχνότητα, ανάλογα με αυτήν τη συχνότητα, η έξοδος των κυκλωμάτων αλλάζει. Λόγω αυτής της συμπεριφοράς του κυκλώματος, το φίλτρο RC ονομάζεται κύκλωμα ολοκληρωτή RC. Ένα κύκλωμα ολοκληρωτή RC αλλάζει την έξοδο σήματος ανάλογα με τη συχνότητα και θα μπορούσε να αλλάξει το τετράγωνο κύμα σε τριγωνικό κύμα ή τριγωνικό κύμα σε ημιτονοειδές κύμα.

Διάγραμμα κυκλώματος μετατροπέα τετραγώνου σε ημιτονοειδές κύμα

Σε αυτό το σεμινάριο, χρησιμοποιούμε αυτά τα κυκλώματα ολοκληρωτή RC (δίκτυα φίλτρων RC) για να μετατρέψουμε τετράγωνο κύμα σε ημιτονοειδές κύμα. Το πλήρες διάγραμμα κυκλώματος μετατροπέα δίνεται παρακάτω, και όπως μπορείτε να δείτε, έχει μόνο πολύ λίγα παθητικά στοιχεία.

Το κύκλωμα αποτελείται από τρία στάδια κυκλωμάτων φίλτρου RC. Κάθε στάδιο έχει τη δική του σημασία μετατροπής, ας κατανοήσουμε τη λειτουργία κάθε σταδίου και πώς συμβάλλει στη μετατροπή του τετραγωνικού κύματος σε ημιτονοειδές κύμα κοιτάζοντας την προσομοίωση κυματομορφής

Αρχή λειτουργίας του μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων

Για να μάθετε πώς λειτουργεί το μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων σε ημιτονοειδές κύμα, πρέπει να καταλάβετε τι συμβαίνει σε κάθε στάδιο φίλτρου RC.

Πρώτο στάδιο:

Στο πρώτο στάδιο του δικτύου RC, έχει αντίσταση εν σειρά και πυκνωτή παράλληλα. Η έξοδος είναι διαθέσιμη στον πυκνωτή. Ο πυκνωτής φορτίζεται μέσω της αντίστασης σε σειρά. Όμως, καθώς ο πυκνωτής είναι εξαρτώμενο από τη συχνότητα, απαιτείται χρόνος για να φορτιστεί. Ωστόσο, αυτός ο ρυθμός φόρτισης μπορεί να προσδιοριστεί από τη σταθερά χρόνου RC του φίλτρου. Με τη φόρτιση και την εκφόρτιση του πυκνωτή, και δεδομένου ότι η έξοδος προέρχεται από τον πυκνωτή, η κυματομορφή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τάση φόρτισης του πυκνωτή. Η τάση του πυκνωτή κατά τη διάρκεια του χρόνου φόρτισης μπορεί να προσδιοριστεί από τον παρακάτω τύπο-

V _C = V (1 - e ^{- (t / RC)})

Και η τάση εκφόρτισης μπορεί να προσδιοριστεί με-

V _C = V (e ^{- (t / RC)})

Επομένως, από τους δύο παραπάνω τύπους, η σταθερά χρόνου RC είναι ένας σημαντικός παράγοντας για τον προσδιορισμό της φόρτισης που αποθηκεύει ο πυκνωτής καθώς και πόση εκφόρτιση γίνεται για τον πυκνωτή κατά τη διάρκεια μιας σταθεράς χρόνου RC. Εάν επιλέξουμε την τιμή του πυκνωτή ως 0,1uF και την αντίσταση ως 100 k-ohms όπως η παρακάτω εικόνα, θα έχει σταθερά χρόνου 10 mili-sec.

Τώρα, εάν παρέχονται 10ms σταθερού τετραγωνικού κύματος σε αυτό το φίλτρο RC, η κυματομορφή εξόδου θα είναι έτσι λόγω της φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή στη σταθερά χρόνου RC των 10ms.

Το κύμα είναι η εκθετική κυματομορφή παραβολικού σχήματος.

Δεύτερο επίπεδο:

Τώρα η έξοδος του πρώτου σταδίου δικτύου RC είναι η είσοδος του δεύτερου σταδίου δικτύου RC. Αυτό το δίκτυο RC λαμβάνει την εκθετική κυματομορφή παραβολικού σχήματος και την καθιστά τριγωνική κυματομορφή. Χρησιμοποιώντας το ίδιο σενάριο συνεχούς φόρτισης και εκφόρτισης RC, τα φίλτρα RC δεύτερου σταδίου παρέχουν μια ευθεία ανοδική κλίση όταν ο πυκνωτής φορτίζεται και μια ευθεία καθοδική κλίση όταν ο πυκνωτής αποφορτίζεται.

Η έξοδος αυτού του σταδίου είναι έξοδος ράμπας, ένα κατάλληλο τριγωνικό κύμα.

Τρίτο στάδιο:

Σε αυτό το τρίτο στάδιο δικτύου RC, η έξοδος του δεύτερου δικτύου RC είναι η είσοδος του τρίτου σταδίου δικτύου RC. Παίρνει το τριγωνικό κύμα ράμπας ως είσοδο και μετά αλλάζει τα σχήματα των τριγωνικών κυμάτων. Παρέχει ημιτονοειδές κύμα όπου το άνω και κάτω τμήμα του τριγωνικού κύματος εξομαλύνει κάνοντάς τα καμπυλωτά. Η έξοδος είναι πολύ κοντά σε έξοδο ημιτονοειδούς κύματος.

Επιλογή τιμών R και C για κύκλωμα μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων

Η τιμή του πυκνωτή και της αντίστασης είναι η πιο σημαντική παράμετρος αυτού του κυκλώματος. Διότι, χωρίς την κατάλληλη τιμή πυκνωτή και αντίστασης, η σταθερά χρόνου RC δεν θα ταιριάζει με μια συγκεκριμένη συχνότητα και ο πυκνωτής δεν θα έχει αρκετό χρόνο για φόρτιση ή εκφόρτιση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια παραμορφωμένη έξοδο ή ακόμη και σε υψηλή συχνότητα, η αντίσταση θα λειτουργεί ως μια μοναδική αντίσταση και θα μπορούσε να παράγει την ίδια κυματομορφή με αυτή που δόθηκε σε όλη την είσοδο. Έτσι, οι τιμές πυκνωτή και αντίστασης πρέπει να επιλέγονται σωστά.

Εάν η συχνότητα εισόδου μπορεί να αλλάξει, τότε μπορεί κανείς να επιλέξει μια τυχαία τιμή πυκνωτή και αντίστασης και να αλλάξει τη συχνότητα σύμφωνα με τον συνδυασμό. Είναι καλό να χρησιμοποιείτε την ίδια τιμή πυκνωτή και αντίστασης για όλα τα στάδια φίλτρου.

Για μια γρήγορη αναφορά, σε χαμηλές συχνότητες, χρησιμοποιήστε πυκνωτή υψηλότερης τιμής και για υψηλές συχνότητες, επιλέξτε πυκνωτή χαμηλότερης τιμής Ωστόσο, εάν όλα τα εξαρτήματα, R1, R2 και R3 έχουν την ίδια τιμή και όλοι οι πυκνωτές C1, C2, C3 είναι οι ίδιες τιμές, ο πυκνωτής και η αντίσταση μπορούν να επιλεγούν χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο–

f = 1 / (2π x R x C)

Όπου το F είναι η συχνότητα, το R είναι η τιμή αντίστασης σε Ohms, το C είναι η χωρητικότητα στο Farad.

Παρακάτω σχηματικό είναι ένα κύκλωμα ολοκληρωτή RC τριών σταδίων που περιγράφεται προηγουμένως. Ωστόσο, το κύκλωμα χρησιμοποιεί πυκνωτές 4,7nF και αντιστάσεις 1 kilo-ohms. Αυτό δημιουργεί ένα αποδεκτό εύρος συχνοτήτων στο εύρος 33 kHz.

Δοκιμή του κυκλώματος μετατροπέα Square to Sine Wave

Το σχήμα σχηματίζεται σε ένα breadboard και χρησιμοποιείται μια γεννήτρια λειτουργίας μαζί με έναν παλμογράφο για τον έλεγχο του κύματος εξόδου. Εάν δεν διαθέτετε μια γεννήτρια λειτουργιών για τη δημιουργία του τετραγωνικού κύματος, μπορείτε είτε να δημιουργήσετε τη δική σας γεννήτρια τετραγωνικών κυμάτων είτε ακόμα και μια γεννήτρια Arduino Waveform που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για όλα τα έργα που σχετίζονται με κυματομορφή. Το κύκλωμα είναι πολύ απλό και, ως εκ τούτου, είναι χτισμένο εύκολα στο breadboard όπως μπορείτε να δείτε παρακάτω.

Για αυτήν την επίδειξη, χρησιμοποιούμε μια γεννήτρια λειτουργιών και όπως μπορείτε να δείτε στην παρακάτω εικόνα, η γεννήτρια λειτουργίας έχει ρυθμιστεί στην επιθυμητή έξοδο τετραγωνικού κύματος 33 kHz.

Η έξοδος μπορεί να παρατηρηθεί σε παλμογράφο, ένα στιγμιότυπο της εξόδου από το εύρος δίνεται παρακάτω. Το τετράγωνο κύμα εισόδου εμφανίζεται σε κίτρινο χρώμα και το ημιτονοειδές κύμα εξόδου εμφανίζεται σε κόκκινο χρώμα.

Το κύκλωμα λειτούργησε όπως αναμενόταν για μια συχνότητα εισόδου από 20kHz έως 40kHz, μπορείτε να ανατρέξετε στο παρακάτω βίντεο για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας του κυκλώματος. Ελπίζω να απολαύσατε το σεμινάριο και να μάθετε κάτι χρήσιμο. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις, αφήστε τις στην παρακάτω ενότητα σχολίων. Ή μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τα φόρουμ μας για να δημοσιεύσετε άλλες τεχνικές ερωτήσεις.