มิเชอัลฟาราเดย์ (22nd2514-25 กันยายนธสิงหาคม พ.ศ. 2410) เป็นบิดาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่ใช้สร้างรูปคลื่นในรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสอินเวอร์เตอร์ Schmitt trigger เช่น TTL ใช้ในการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ใช้ในการประมวลผลสัญญาณและในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายประเภทหลายขนาดในเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมนั้นมีประเภทเดียว บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมซึ่งรวมถึงคำจำกัดความแผนภาพวงจรและที่มาของช่วงเวลาและความถี่
Square Wave Generator คืออะไร?
เครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมถูกกำหนดให้เป็นออสซิลเลเตอร์ที่ให้เอาต์พุตโดยไม่มีอินพุตใด ๆ โดยไม่มีอินพุตใด ๆ ในแง่ที่เราควรให้อินพุตภายในศูนย์วินาทีนั่นหมายความว่าต้องเป็นอินพุทอิมพัลส์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ใช้ในการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลและงานอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า Astable Multivibrator หรือทำงานฟรีและความถี่ของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขาออก แผนภาพวงจรพื้นฐานและการทำงานของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมมีคำอธิบายด้านล่าง
วงจรกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยม
ในการออกแบบเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมเราจำเป็นต้องมีตัวเก็บประจุตัวต้านทานเครื่องขยายเสียงและแหล่งจ่ายไฟ ตัวเก็บประจุและตัวต้านทานเชื่อมต่อกับขั้วกลับด้านของแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการและตัวต้านทาน R1และ Rสองเชื่อมต่อกับขั้วที่ไม่กลับด้านของเครื่องขยายเสียงที่ใช้งานได้ แผนภาพวงจรของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมโดยใช้เครื่องขยายเสียงแสดงอยู่ด้านล่าง
วงจรกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมโดยใช้ Op-Amp
ถ้าเราบังคับเอาท์พุทเพื่อสลับระหว่างแรงดันอิ่มตัวเชิงบวกกับแรงดันอิ่มตัวเชิงลบที่เอาท์พุทของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้เราจะได้คลื่นสี่เหลี่ยมเป็นคลื่นเอาท์พุต ตามหลักการแล้วโดยไม่ต้องใช้อินพุตใด ๆ เอาต์พุตควรเป็นศูนย์แสดงเป็น
Vออก(แรงดันขาออก) = 0 V เมื่อ Vใน(แรงดันไฟฟ้าขาเข้า) = 0 V
แต่ในทางปฏิบัติเราได้ผลลัพธ์ที่ไม่ใช่ศูนย์ซึ่งแสดงเป็น
V0ut≠ 0
ตัวต้านทาน R1และ Rสองสร้างเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า ถ้าแรงดันขาออกเริ่มต้นไม่เป็นศูนย์เราจะได้แรงดันไฟฟ้าข้าม Vข.ดังนั้นเราจึงได้รับอินพุตบวกที่เทอร์มินัลที่ไม่กลับด้านและเทอร์มินอลกลับด้านจากนั้นเอาต์พุตจะถูกขยายโดยอัตราขยายและถึงแรงดันเอาต์พุตสูงสุดดังนั้นเราจึงได้ครึ่งหนึ่งของคลื่นสี่เหลี่ยมดังแสดงในรูป (a)
รูปคลื่นของคลื่นสี่เหลี่ยม
ตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จเมื่อเรามีอินพุตที่ไม่ใช่ศูนย์ที่ขั้วกลับด้าน จะชาร์จอย่างต่อเนื่องจนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะมากกว่า Vข. ทันทีที่ Vคมากกว่า Vข(Vค> Vข). อินพุทอินพุทจะมีค่ามากกว่าอินพุตที่ไม่กลับด้านและด้วยเหตุนี้เอาต์พุตของออปแอมป์จึงเปลี่ยนเป็นแรงดันไฟฟ้าลบและได้รับการขยายจนถึง (–Vออก)สูงสุดดังนั้นจะได้ครึ่งลบของคลื่นสี่เหลี่ยมดังแสดงในรูป (b) นี่คือแอปพลิเคชันของไฟล์ op-amp เป็นเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยม
ช่วงเวลาและการมาของความถี่ของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยม
ในรูป Square Wave Generator Circuit Vสองคือแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุและ V1คือแรงดันโหนดที่ขั้วบวก กระแสผ่าน op-amp เป็นศูนย์เนื่องจากคุณสมบัติในอุดมคติของ op-amp ให้เราพิจารณาสมการโหนดจากแผนภาพวงจร
V1- V0/ รสอง+ V1/ ร1= 0
V1[1 / รสอง+ 1 / R1] = V0/ รสอง
V1[ร1+ รสอง/ ร1รสอง] = V0/ รสอง
V1(α) = V0………… eq (1)
มาดูกัน
α = R1+ รสอง/ ร1= 1+ รสอง/ ร1> 1
ดังนั้น, α> 1 และ V0> 1
เมื่อไหร่ V0= + Vนั่ง
V1= V0/ α = + Vนั่ง/ α = + V1
เมื่อไหร่ V0= -Vนั่ง
V1= - Vนั่ง/ α = -V1
แรงดันไฟฟ้า V.1มีเพียงสองความเป็นไปได้ + V1และ - V1ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่ V0การเปลี่ยนแปลง V1ยังมีการเปลี่ยนแปลง ตอนนี้เรามาดูว่า Vสองกำลังจะเปลี่ยนไป แรงดันไฟฟ้า V.สองจะเป็นการชาร์จและการคายประจุหากเราสร้างสมการของโหนดที่นี่กระแสผ่านตัวเก็บประจุจะเท่ากับกระแส
C d / dt (0- Vสอง) = Vสอง- V0/ ร
-C d V.สอง/ dt = Vสอง- V0/ ร
d V.สอง/ V0- Vสอง= dt / RC
ถ้าเราแก้สมการข้างบนจะได้สิ่งนั้น
∫0V2d (Vสอง/ V0-Vสอง) = ∫0tdt / RC
เริ่มแรกเราต้องถือว่าแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเก็บประจุเป็นศูนย์
-log (V0- Vสอง) = T / RC + K
บันทึก (V0- Vสอง) = -t / RC + K
V0- Vสอง= K และ-t / RC…………. (2)
การแทนที่ t = 0, V.สอง= 0 ในสมการด้านบนจะได้
K = V0…………………………… eq (3)
ที่ไหน คือ0= 1
แทน eq (3) ใน eq (2) จะได้
V0- Vสอง= K และ-t / RC
Vสอง= V0- V0คือ-t / RC
Vสอง= V0[1-e-t / RC]
ใช้เงื่อนไขเริ่มต้นกับสมการข้างต้น
ด่าน 1: ให้ Vสอง= 0, โวลต์0= + Vนั่ง
ในขั้นตอนที่ 1 แรงดันไฟฟ้า Vสองกำลังชาร์จสูงถึง + V1
ด่าน 2: ให้ Vสอง= 0, โวลต์0= -Vนั่ง
ในขั้นตอนที่ 2 แรงดันไฟฟ้า Vสองกำลังคายประจุถึง -V1
[บันทึก (V0 + V1 / V0 - V1)] = 1 / RC [T / 2]
[บันทึก (αV1+ Vสอง/ αV1- V1)] = 1 / RC [T / 2] ……………… eq (4)
แทน eq (1) ใน eq (4) จะได้
บันทึก [V1(α + 1) / V1(α - 1)] = [T / 2 RC]
บันทึก [((ร1+ รสอง/ ร1) +1) / ((ร1+ รสอง/ ร1) -1)] = T / 2 RC
บันทึก [R1+ รสอง+ ร1/ ร1+รสอง- ร1] = T / 2 RC
บันทึก [2R1+ รสอง/ รสอง] = T / 2 RC
T = 2 บันทึก RC [2R1+ รสอง/ รสอง] ……… eq (5)
ฉ = 1 / T
= 1/2 บันทึก RC [2R1+ รสอง/ รสอง ] ……… eq (6)
สมการ (5) และ (6) คือช่วงเวลาและความถี่ของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยม
วงจรกำเนิดฟังก์ชัน
เครื่องกำเนิดฟังก์ชันเป็นเครื่องมือประเภทหนึ่งที่ใช้ในการสร้างรูปคลื่นประเภทต่างๆเช่นรูปคลื่นไซน์รูปคลื่นสามเหลี่ยมรูปคลื่นสี่เหลี่ยมรูปคลื่นฟันเลื่อยรูปคลื่นสี่เหลี่ยมและรูปคลื่นประเภทต่างๆเหล่านี้มีความถี่ที่แตกต่างกันและสามารถสร้างได้ด้วยความช่วยเหลือ ของเครื่องมือที่เรียกว่า function generator ความถี่ของรูปคลื่นเหล่านี้อาจปรับได้ตั้งแต่เศษเสี้ยวของเฮิรตซ์ไปจนถึงหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้มีความสามารถในการสร้างรูปคลื่นที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกันในการใช้งานที่แตกต่างกัน แผนภาพวงจรของเครื่องกำเนิดฟังก์ชันโดยใช้ LM1458 แสดงอยู่ด้านล่าง
ฟังก์ชั่นกำเนิดวงจร
แอมพลิฟายเออร์เชิงปฏิบัติการ LM1458 เป็นแอมพลิฟายเออร์เชิงปฏิบัติการแบบสองวัตถุประสงค์และเครือข่ายไบอัสและสายจ่ายไฟของแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการคู่เหล่านี้เป็นเรื่องปกติ วงจรรวมสี่วงจรในวงจรกำเนิดฟังก์ชันคือ IC 1a, IC 1b, IC 2a และ IC 2b IC 1a วงจรรวมมีการต่อสายเป็นมัลติไวเบรเตอร์แบบ Astable วงจรรวม IC 1b ต่อสายเป็นตัวรวมและ IC 2a ยังต่อสายเป็นตัวรวม
เครื่องกำเนิดฟังก์ชันที่ดีที่สุด 10 อันดับแรกในปี 2020 ได้แก่ GM Instek SFG-1013 DOS, Function Generator DIY KIT โดย JYE Tech FG085, ATTEN ATF20B DDS, Rigol DGI02220 MHz Function Generator พร้อมช่องสัญญาณที่สอง, Eisco Labs Function Generator - 1KHz ถึง 100 kHz, B & K Precision 4011A Function Generator, JYETech 08503 - เครื่องกำเนิดฟังก์ชันดิจิตอลพกพา, Tektronix AFG1062 Arbitrary Function Generator, Keithley 3390 Arbitrary Function Generator และ Rigol DG1062Z Function / Arbitrary Waveform Generator
ข้อดี
ข้อดีของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมคือ
- เรียบง่าย
- บำรุงรักษาง่าย
- ราคาถูก
คำถามที่พบบ่อย
1). คลื่นสี่เหลี่ยมคืออะไร?
คลื่นสี่เหลี่ยมเป็นกริดรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ก่อตัวบนพื้นผิวมหาสมุทรและคลื่นเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าคลื่นข้ามหรือคลื่นข้ามทะเล
2). เครื่องกำเนิดสัญญาณประเภทใดบ้าง?
ประเภทของเครื่องกำเนิดสัญญาณ ได้แก่ เครื่องกำเนิดความถี่เครื่องกำเนิดสัญญาณรูปคลื่นตามอำเภอใจไมโครเวฟและเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน RF เครื่องกำเนิดสนามและเครื่องกำเนิดรูปแบบดิจิทัล
3). วงจรมัลติไวเบรเตอร์ประเภทต่างๆคืออะไร?
วงจรมัลติไวเบรเตอร์มีสามประเภท ได้แก่ วงจรโมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์วงจรแอสเทเบิลมัลติไวเบรเตอร์และวงจรบิสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์
4). เครื่องกำเนิดฟังก์ชันคืออะไร?
ฟังก์ชันเจนเนอเรเตอร์คืออุปกรณ์หรืออุปกรณ์ที่ใช้ในการสร้างรูปคลื่นไฟฟ้าในช่วงความถี่ที่กว้าง รูปคลื่นที่สร้างโดยเครื่องกำเนิดฟังก์ชันคือคลื่นสามเหลี่ยมคลื่นสี่เหลี่ยมคลื่นไซน์และคลื่นฟันเลื่อย
5). ทำไมคลื่นสี่เหลี่ยมถึงอันตราย?
คลื่นสี่เหลี่ยมเป็นสิ่งที่น่าหลงใหลและน่าหลงใหล แต่จริงๆแล้วมันเป็นอันตรายสำหรับนักว่ายน้ำและเรือ เมื่อระบบคลื่นสองชุดชนกันจะทำให้เกิดรูปแบบหรือรูปแบบของคลื่นที่ดูเหมือนสี่เหลี่ยมข้ามมหาสมุทร
ในบทความนี้ คลื่นสี่เหลี่ยม ข้อดีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแผนภาพวงจรของเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมและเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน นี่คือคำถามสำหรับคุณเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมที่ดีที่สุดคืออะไร?
