Formas de onda no sinusoidales: forma de onda cuadrada, rectangular y pulsada

En ingeniería electrónica, la generación y la configuración de las formas de onda eléctricas son tareas importantes utilizadas en muchos campos, incluidos los sistemas de comunicación y la electrónica digital.Este artículo discute tres tipos de formas de onda: ondas cuadradas, ondas rectangulares y ondas pulsadas, cada una con características y usos únicos.La simetría de las ondas cuadradas y las transiciones rápidas entre los estados son los que los hacen tan efectivos para cambiar de aplicaciones.La flexibilidad de las ondas rectangulares es útil en tareas como la modulación de ancho de pulso (PWM) y el procesamiento de señales, donde se requiere ajuste de la forma de onda.Las ondas pulsadas son irregulares y no repetidas, hechas para situaciones en las que se utilizan cambios de tiempo para enviar información.

Este artículo explora las características físicas de estas formas de onda, cómo se comportan en el análisis de Fourier y sus usos prácticos.Comprender estos detalles ayuda a resaltar lo que distingue a cada forma de onda en aplicaciones electrónicas.También examina cómo se genera cada forma de onda y los usos comunes para cada uno, proporcionando una imagen más clara de cómo contribuyen a mejorar los diseños electrónicos.

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Figura 1: forma de onda cuadrada

Características de las ondas cuadradas

Las ondas cuadradas son formas de onda que cambian rápidamente entre dos niveles de voltaje llamados "altos" y "bajos".Estos cambios ocurren instantáneamente, creando un cambio brusco entre los dos estados.Sin embargo, en sistemas reales, factores como las propiedades del circuito ralentizan las transiciones.El tiempo que le toma al voltaje aumentar o caer se llama tiempo de aumento (para subir) y caer en el tiempo (para bajar).Una onda cuadrada perfecta pasa el mismo tiempo en los estados altos y bajos, creando una forma de onda equilibrada.

El tiempo dedicado a los estados altos y bajos puede diferir, pero la onda todavía se considera una onda cuadrada.Cambiar este equilibrio puede ser útil para diferentes tareas.Sin embargo, cuando la precisión de tiempo como en los sistemas de comunicación, es importante mantener la simetría.En esos casos, se pueden requerir ajustes de diseño adicionales.

Características de las ondas rectangulares

Las ondas rectangulares son similares a las ondas cuadradas pero tienen fases desiguales altas y bajas, lo que les da más flexibilidad.Mientras que las ondas cuadradas tienen tiempos iguales y bajos, las ondas rectangulares le permiten ajustar estos tiempos por separado.Esto hace que las ondas rectangulares sean más útiles para situaciones en las que no se requiere el patrón estricto de las ondas cuadradas.

Un gran beneficio de las ondas rectangulares es su flexibilidad.Al ajustar los tiempos altos y bajos, el ancho de cada pulso se puede controlar que es importante en la modulación de ancho de pulso (PWM).PWM se usa en cosas como el control del motor, la comunicación y los sistemas de energía, donde el tiempo debe ser preciso.Las ondas rectangulares también son excelentes en el procesamiento y el momento de la señal.Por ejemplo, en la electrónica digital, las ondas rectangulares se pueden usar como señales de reloj con horarios ajustables para ayudar a coordinar diferentes partes de un sistema.Las ondas rectangulares son más flexibles que las ondas cuadradas porque su ciclo de trabajo se puede ajustar.

Figura 2: forma de onda rectangular

Características de las ondas pulsadas

Las formas de onda pulsadas son diferentes de las formas de onda periódicas porque no tienen un patrón de repetición regular.Las formas de onda periódicas se repiten en un ciclo estable, pero las formas de onda pulsadas ocurren en reacción a algo como alcanzar un cierto voltaje.Debido a esto, las formas de onda pulsadas pueden verse diferentes según la situación.

Una cosa importante de las formas de onda pulsadas es que pueden transportar información cambiando su forma y tiempo.Las formas de onda periódicas son más predecibles, pero las formas de onda pulsadas se pueden ajustar en tiempo real para mostrar diferentes tipos de datos.Dado que las formas de onda pulsadas pueden cambiar en función de diferentes condiciones, son una buena herramienta para manejar información compleja.Su capacidad para adaptarse rápidamente los hace importantes para las tecnologías que necesitan respuestas rápidas y flexibilidad.

Figura 3: forma de onda de pulso

Sonido de ondas cuadradas, rectangulares y pulsadas

Ondas cuadradas: las ondas cuadradas tienen un sonido audaz y agudo que se destaca.Crean este sonido fuerte porque tienen muchos armónicos extraños, dándoles un tono zumbido.La onda cambia rápidamente entre niveles altos y bajos que hace que su sonido sea "vanguardista" y capaz de cortar otros sonidos en una mezcla.Las ondas cuadradas se usan en música electrónica y sintetizadores porque pueden hacer bajos profundos y clientes potenciales afilados y llamativos.

Ondas rectangulares: las ondas rectangulares son más flexibles que las ondas cuadradas porque puede cambiar su tono ajustando cuánto tiempo permanecen en la posición "alta".Cuando el tiempo que pasa alto es aproximadamente la mitad, suenan como olas cuadradas con un tono brillante y rico.Pero si el tiempo en el estado alto se acorta, el sonido se vuelve más delgado y más nasal.Esta flexibilidad permite que las ondas rectangulares creen una amplia gama de sonidos, desde fuertes y fuertes hasta ligeros y huecos.

Ondas pulsadas: las ondas pulsadas tienen un sonido rápido y agudo, lo que las hace excelentes para los efectos rítmicos o cortos de percusión.Son buenos para crear ráfagas rápidas de sonido como clics o pitidos, y funcionan bien en la música que necesita elementos fuertes y rítmicos.El rápido aumento y la caída de las ondas pulsadas les dan una sensación agresiva, por lo que a menudo se usan para las puñaladas de sintetizador.

Análisis de Fourier de ondas cuadradas, rectangulares y pulsadas

Olas cuadradas

Una onda cuadrada es una forma de onda que cambia rápidamente entre un valor alto y bajo, pasando el mismo tiempo en cada nivel.Al usar la serie Fourier, podemos expresarlo como una suma de ondas sinusoidales.Para una onda cuadrada con amplitud A y período T, la serie Fourier es:

Aquí, N representa solo los enteros impares, y es la frecuencia de la onda.La serie comienza con la frecuencia (cuando ) e incluye armónicos impares más altos.Cada sucesivo armónico disminuye en la amplitud, siguiendo el inverso del número armónico.

Figura 4: Ondas cuadradas en la serie Fourier

Olas rectangulares

Las ondas rectangulares son similares a las ondas cuadradas, pero el tiempo dedicado a los estados altos y bajos es desigual.En este caso, la serie de Fourier debe tener en cuenta el "ciclo de trabajo" D, que es la fracción del período que la onda permanece en el estado alto.La serie de Fourier para una onda rectangular es:

Esta fórmula se ajusta a las diferentes longitudes de los estados altos y bajos, incorporando el ciclo de trabajo D en los componentes de onda sinusoidal.

Figura 5: Ondas rectangulares en la serie Fourier

Ondas pulsadas

Las ondas pulsadas, o los trenes de pulso, consisten en pulsos repetidos separados por intervalos donde la señal es cero.El análisis de Fourier de los trenes de pulso es más complejo porque depende de la forma de los pulsos y el momento entre ellos.Se parece una serie común de Fourier para un tren de pulsos rectangulares:

En esta expresión, δ es el ancho de cada pulso, t es el período entre pulsos, es la frecuencia base del tren de pulso.El función, definida como , describe cómo la forma del pulso afecta los componentes de frecuencia.

Figura 6: Análisis de Fourier de trenes de pulso

Ejemplos de formas de onda eléctricas

Onda cuadrada

Una onda cuadrada es uno de los tipos más simples de formas de onda.Alterna entre dos niveles, altos y bajos, pasando una cantidad igual de tiempo en cada estado.Esta división igual se llama un ciclo de trabajo del 50%.

Esto es lo que eso significa:

• La ola permanece "encendida" por un cierto período de tiempo (alto nivel).

• Luego permanece "apagado" por un período de tiempo igual (bajo nivel).

Por ejemplo, si el ancho del pulso es de 10 milisegundos (MS) para los estados "ON" y "OFF", entonces el tiempo total para un ciclo completo (un período) es:

La frecuencia de la onda nos dice cuántos ciclos ocurren por segundo.Para encontrar la frecuencia, use la fórmula:

En este caso:

Entonces, la onda se repite 50 veces por segundo.

Figura 7: inversor de fuente de voltaje 3 fases con salida de onda cuadrada

Onda rectangular

Ahora, exploremos las formas de onda rectangulares, que son similares a las ondas cuadradas pero no tienen tiempos de encendido y apagado.El tiempo que la señal se mantiene alta se llama ancho de pulso positivo, y la relación de ese tiempo hasta el período total se llama ciclo de trabajo.

Si el ancho de pulso positivo es de 10 ms, pero el ciclo de trabajo es del 25%, significa que la onda está "encendida" por solo el 25% del ciclo total.

Para encontrar el período total, divida el ancho de pulso positivo por el ciclo de trabajo:

Para encontrar la frecuencia, use la misma fórmula que antes:

Entonces, esta forma de onda se repetiría 25 veces por segundo con el tiempo "en" más corto en comparación con el tiempo "apagado".

Comparación de ondas cuadradas, ondas rectangulares y formas de onda pulsadas

Característica	Olas cuadradas	Olas rectangulares	Formas de onda pulsadas
Forma	Times simétricos, iguales altos y bajos	Ciclo de trabajo asimétrico y cambiante	Pulsos agudos y abruptos de diferente ancho
Amplitud	Constante	Constante	Constante
Frecuencia	Fijo basado en la aplicación	Ajustable	Frecuencia más baja que la base
Legumbres Ancho	La mitad del período (al 50% del ciclo de trabajo)	Dependiente del ciclo de trabajo	Muy corto a moderado, define pulso
Repetición Tasa	Definido por frecuencia	Definido por frecuencia	Bajo a muy alto
Deber Ciclo	50% (fijo)	Cualquier porcentaje, no 50%	Varía ampliamente, menos del 50%
Armónico Contenido	Rico en armónicos impares	Rico en armónicos	Depende de la forma y el ancho del pulso
Generación Método	Osciladores, chanclas	Osciladores ajustables, generadores de señales	Generadores de pulso, circuitos especializados
Aplicaciones	Circuitos de tiempo, relojes digitales	Suministros de alimentación, moduladores	Radar, comunicación, imágenes médicas

Figura 8: onda cuadrada y rectangular

Conclusión

Este artículo explica la importancia de los diferentes tipos de formas de onda en el diseño de sistemas electrónicos.Cada forma de onda tiene sus propias propiedades y beneficios que son útiles en situaciones específicas.Las ondas cuadradas son útiles para los sistemas digitales.Aseguran transiciones suaves y precisas entre los estados binarios que es bueno para el procesamiento de datos y la comunicación.Las ondas rectangulares se expanden en este concepto al proporcionar ciclos de trabajo ajustables, lo que permite un control más preciso en las aplicaciones donde se debe personalizar el tiempo de la señal.Las ondas pulsadas son invaluables en situaciones que exigen una alta flexibilidad y capacidad de respuesta, como radar o imágenes médicas.Transmiten información a través de cambios en la forma y el tiempo de pulso, lo que los hace ideales para transmitir datos.El análisis de Fourier de estas formas de onda ofrece una comprensión clara y matemática de su comportamiento.Este artículo ofrece una visión general clara de la teoría y los usos prácticos de estas formas de onda, lo que lo convierte en una guía valiosa para cualquier persona que trabaje en diseño electrónico.

Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]

1. ¿Cuáles son las ventajas de las ondas cuadradas?

Las ondas cuadradas se valoran porque son simples y útiles en muchas tareas electrónicas y de procesamiento de señales.Un gran beneficio es su cambio agudo entre niveles altos y bajos, lo que los hace perfectos para las señales de tiempo y reloj digital en computadoras y otros dispositivos digitales.Estos cambios rápidos ayudan a evitar confusiones en las señales de lectura.Además, las ondas cuadradas solo tienen armónicos impares que los hacen más fáciles de trabajar en aplicaciones que involucran armónicos, como sintetizadores y tecnología de audio, donde los sonidos claros son importantes.

2. ¿Cómo se hacen las olas cuadradas?

Las ondas cuadradas se generan utilizando osciladores electrónicos, como desencadenantes Schmitt o circuitos de flip-flop, que alternan entre dos niveles de voltaje.Estos osciladores cambian cuando su entrada cruza ciertos valores de umbral, creando las transiciones agudas características de las ondas cuadradas.Los generadores de funciones que utilizan en laboratorios también se pueden programar para producir ondas cuadradas de frecuencia y amplitud deseadas cambiando rápidamente entre los estados de voltaje alto y bajo.

3. ¿Cuál es el período de pulso rectangular?

El período de un pulso rectangular se refiere a la duración de un ciclo completo del pulso, que abarca un estado alto y un estado bajo.Esto se cuantifica como el tiempo que tarda el pulso en regresar a su estado inicial.El período t del pulso es la suma de la duración del estado alto (thigh) y el estado bajo (tlow), expresado como t = muslo+tlow.En términos prácticos, este período determina la frecuencia de la forma de onda de pulso, ya que la frecuencia es el recíproco del período (F = 1/t).

4. ¿Cuáles son los componentes de la forma de onda de pulso?

Una forma de onda de pulso consta de varios componentes:

Amplitud: el valor máximo del pulso por encima o por debajo de su línea de base.

Duración: El período de tiempo para el pulso está en su máxima amplitud.

Tiempo de elevación: el tiempo tardado en que el pulso transfiera de su bajo valor (a menudo tensión de tierra o cero) a su valor alto.

Tiempo de otoño: el tiempo tardado en que el pulso vuelva a la transición de su valor alto a su bajo valor.

Ciclo de trabajo: representa la proporción de un período en el que la señal está activa o alta.A menudo se expresa como un porcentaje.

5. ¿Cómo se mide la forma de onda de pulso?

Aquí está el proceso:

Conecte las sondas de osciloscopio a la fuente de señal o el dispositivo que sale de la forma de onda de pulso.

Ajuste la configuración del osciloscopio, como el tiempo/división y los voltios/división, para escalar adecuadamente la forma de onda en la pantalla.

Activar el osciloscopio para estabilizar la pantalla de la forma de onda, asegurando que el pulso se visualice de manera limpia y constante.

Use las herramientas de medición del osciloscopio para determinar la amplitud del pulso, el período, el ciclo de trabajo, el tiempo de aumento y el tiempo de caída directamente de la forma de onda mostrada.