خانه / دانش و مهارت / الکترونیک / راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی : مفاهیم پیشرفته (بخش دوم)

راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی : مفاهیم پیشرفته (بخش دوم)

در قسمت اول مقاله راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی با مفاهیم پایه و اولیه سیگنال ها نظیر جنس ، سیستم های متناوب و مستقیم ، فرکانس ، ولتاژ و … آشنا شدیم و تا حدودی دریافتیم که منظور از یک سیگنال الکتریکی چیست.

در قسمت دوم این مقاله ساختنی که هم اکنون مشغول خواندن آن هستید نگاهی عمیق تر و تخصصی تر به سیگنال های الکتریکی خواهیم انداخت.

خصوصیات شکل موج

همان طور که می دانید، تغییرات ولتاژ هر سیگنال الکتریکی در طول زمان را می توان به وسیله دستگاه اسیلوسکوپ رسم کرده و به صورت یک نمودار ریاضی مشاهده کرد. همین طور اگر معادله ریاضی سیگنالی را بدانید. می توانید با رسم معادله ریاضی آن به شکل یک نمودار ، شکل تصویری سیگنال در طول زمان را ببینید. در ساختنی می توانید آموزش ساخت اسیلوسکوپ با گوشی هوشمندتان را مشاهده کنید.

رسم تغییرات سیگنال در طول زمان، منجر به ایجاد نموداری می شود که به آن شکل موج (Waveform) می گوییم.

۱- متناوب / نا متناوب بودن

سیگنال ها ممکن است با توجه به شکل تصویری خود دسته بندی شوند. سیگنال های متناوب یا پرودیک (Periodic) در یک بازه زمانی خاص تکرار می شوند. چیزی که در زبان ریاضی به شکل زیر معنا می یابد :

s(t) = s(t + T)

که در آن T (بخوانید t بزرگ) یک دوره یا پریود کامل است.

جالب است بدانید که در دسته بندی ها شکل موج های متناوب تنها به کاربرد های برق متناوب (AC) محدود نمی شوند. برخی شمارنده در سیستم های دیجیتال که از برق DC استفاده می کنند را نیز در دسته موج های متناوب دسته بندی می کنند.

شکل موج متناوب یک سیگنال روی دستگاه اسیلوسکوپ
شکل موج متناوب یک سیگنال روی دستگاه اسیلوسکوپ

بر خلاف سیگنال های متناوب ، دسته نامتناوب خود را تکرار نمی کنند. یعنی قرار نیست یک الگوی تکرار شونده در شکل آن ها مشاهده کنیم. برخی از ابزار های ریاضی تنها مختص سیگنال های متناوب هستند. مثلا سری فوریه برای این نوع از موج های الکتریکی توسعه پیدا کرده است.

خیلی جالب است بدانید که از لحاظ ریاضی می توان یک سیگنال نامتناوب را به چشم یک موج متناوب با دوره تناوب بی نهایت دانست. یعنی بگوییم موجی که به نظر الگویی تکرار شونده ندارد، قرار است پس از بی نهایت ثانیه تناوب خود را آشکار کند !

همین دید به دانشمندان کمک کرد که ابزار دیگری به نام “تبدیل فوریه” را برای تحلیل و بررسی همه سیگنال های موجود توسعه دهند.

۲- سیگنال های زوج و فرد

عدد زوج و فرد را به خوبی می شناسیم ، اما منظور از شکل موج زوج و فرد در چیست؟ شکل موج سیگنال های زوج نسبت به محور عمودی (محور y) دارای تقارن است. به زبان ریاضی می توانیم بگوییم در سیگنال های زوج :

در ساختنی بخوانید :  ساندویچ بستنی و کوکی؛ دسر خوشمزه ده دقیقه ای

f(x)=f(-x)

یعنی هر نقطه (x1,y1) و (-x1,y1) با هم متقارن و دارای y برابر هستند.

ابزار سری فوریه بر این استوار است که “معادله هر شکل موج متناوب را می توان به شکل جمعی از بی نهایت سینوس و کسینوس نوشت”! به زبان ریاضی یعنی :

FS = A0 + ∑ An sin(n) + ∑ Bn cosine(n);

که در آن A0 فرکانس صفر یا مقدار مستقیم (DC) سیگنال است و بقیه فرمول هم نشان گر جمعی از سینوس ها و کسینوس ها با ضرایب مختلف است . (سری فوریه ریاضیات پیچیده ای دارد که در سطح این مقاله نیست).

شکل موج های زوج زمانی به وجود می آیند که در سری فوریه تنها کسینوس ها حضور داشته باشند و موج سینوسی موجود نباشد. خود کسینوس یک شکل موج زوج است بدین معنا که نسبت به محور عمودی تقارن دارد. لطفا عکس زیر را ببینید تا بهتر متوجه موضوع شوید.

شکل موج های فرد اما نسبت به نقطه معیار مبدا (۰,۰) متقارن هستند. به زبان ریاضی یعنی :

f(x)=-f(-x)

بدیهی است که سری فوریه شکل موج های فرد هم تنها دارای موج های سینوسی است و خود سینوس هم یک شکل موج فرد است که نسبت به نقطه مبدا تقارن دارد. همان طور که در عکس بالا هم می بینید هر شکل موج دلخواهی را می توانید به دو بخش زوج و فرد تقسیم کنید !

سیگنال تصادفی و معین

اگر با برنامه های مدل سازی و یا آنالیز کار کرده باشید می دانید که سیگنال های معین و تصادفی هر کدام به چه معنایی هستند. به زبان ساده ، دسته معین سیگنال هایی را شامل می شود که به وسیله رفتار گذشته خود قابل پیش بینی هستند و می توان آن ها را به شکل یک معادله معلوم ریاضی نشان داد. مثلا همین موج سینوسی یک سیگنال معین است. در این دسته ، هر خروجی ممکنی از پیش شناخته شده و هیچ ریسکی موجود نیست. شکل موج های معین در زمانی که مقدار دقیق موج حامل اطلاعات (Carrier) در تکنیک های سوار سازی (مدولاسیون) مخابرات برای ما مهم است،به کار می آید.

از طرفی اعضای دسته تصادفی قابل پیش بینی نیستند و با توابع احتمال در مورد آن ها بحث می کنیم. یعنی از تئوری احتمالات استفاده می کنیم تا این سیگنال ها را بررسی کنیم. مثلا نویز در طبیعت یک سیگنال تصادفی است.

سیگنال های علی (Casual) و غیر علی (Anti-Casual)

اگر یک سیگنال تصادفی را دریافت و آن را رسم کنیم . این احساس را خواهیم داشت که شکل موج رسم شده آنچنان هم تصادفی نیست و به هر حال این موج هم تابعی از زمان است که توانسته ایم رسمش کنیم و ممکن است ما باشیم که هنوز موفق به کشف معادله پیچیده آن نشده باشیم !

در ساختنی بخوانید :  آموزش ساخت : با ماژیک هایلایت ولت متر قلمی بسازید

این یک خطای بسیار ظریف است که از مفهوم علی (بخوانید عل – لی *) بودن (Causality) سرچشمه می گیرد. علی بودن نتیجه این موضوع است که سیستم چگونه مدل سازی شده است. در یک شکل موج علی ، آنچه ما در حال حاضر روی اسیلوسکوپ می بینیم نتیجه کنش ها و واکنش ها در زمان های گذشته و یا حداکثر در همان لحظه است.

در یک سیستم علی، هنگامی که سیستم در زمان t=0 شروع به کار می کند، خروجی های سیستم به مقدار متغیر ها در هر لحظه و یا مقدار متغیر ها در لحظات قبلی  کارکرد سیستم بستگی دارد. این سیستم می تواند تا بی نهایت به کار خود ادامه دهد ، اما همیشه خروجی آن بستگی به حال یا گذشته اش خواهد داشت. سیستم های کنترلی نمونه های خوبی از سیستم های علی هستند.

سیستم های غیر علی (Anti-Casual) سیستم هایی هستند که خروجی هر لحظه آن ها حاصل برهم کنش ها و رویداد های آینده تا لحظه ای است که در حال مشاهده سیستم هستیم. موضوع کمی عجیب شد ! یعنی دسته ای از شکل موج ها به آینده خود بستگی دارند؟ یعنی از آینده برای ما خبر می آورند ؟! پاسخ این است ، بله اگر در عمل وجود می داشتند ! این نوع سیگنال ها در زندگی عادی ما وجود خارجی ندارند، شکل موج های غیر علی در صورت وجود می توانستند از آینده ممکن برای ما خبر بیاورند. جالب است بدانید دانشمندان علم فیزیک کوانتوم مدعی هستند که این سیگنال ها وجود دارند.

رمز گذاری

قبل از هر چیز باید بگوییم که معنای رمز گذاری سیگنال آن چیزی نیست که در فیلم های علمی تخیلی می بینید. هیچ نفوذگر نابغه ای قرار نیست از اسرار آدم فضایی ها در ارتباط بین ستاره ای پرده بردارد ! حداقل در اینجا خبری از این حرفها نیست . بگذارید با یک مثال کوتاه کد گذاری را توضیح دهیم : حسگر ها معمولا مقادیر فیزیکی را اندازه می گیرند . مفاهیمی مانند فشار ، دما و … بر اساس نوع و سازنده هر سنسور، خروجی هر حسگر دیجیتال به یک تبدیل کننده آنالوگ به دیجیتال (ADC) متصل است که اطلاعات دریافت شده را از حالت آنالوگ به دیجیتال تبدیل می کند و یک خروجی به شکل : باینری ، اکتال (Octal) ، هگزادسیمال (HEX) ، BCD و … به کاربر می دهد. به این کار کد گذاری می گویند.

در ساختنی بخوانید :  بدون لحیم کاری و با جعبه پیتزا مدار LED ساده بسازید

اگر انتظار داشتید در مورد پنهان سازی و امن کردن پیام ها صحبت کنیم باید بدانید که تکنیک رمزگذاری پیام ها (encryption) یکی از تکنیک های پردازش سیگنال های دیجیتال است و می توانید در این لینک ویکی بیشتر در مورد آن بدانید.

سیگنال همگام / نا همگام

سیستم های دیجیتالی معمولا از دو نوع سیگنال بهره می جویند. سیگنال هایی که برای کنترل سیستم استفاده می شوند و داده هایی که سیستم باید آن ها را پردازش کند. علائم کنترلی را می توانیم به دو نوع همگام (سنکرون) و نا همگام (آسنکرون) دسته بندی کنیم.

معمولا در یک سیستم منطقی مانند پردازنده رایانه و … پالسی متناوب به نام پالس ساعت زمان بندی و فعالیت سامانه های منطقی و پردازش ها را مانند یک قلب به جریان می اندازد.

وقتی همه کارهای منطقی و خروجی های آن ها با بر اساس همین ساعت و یکباره تغییر کنند، سیگنال ها همگام با ساعت هستند.ورودی و خروجی های منطقی مختلف در سیستم تنها با پالس ساعت است که موثر واقع می شوند.

از طرفی دیگر سیگنال های نا همگام در سیستم می توانند هر زمانی و مستقل از ساعت سیستم موجب تغییر شوند. برای مثال علامتی که قرار است باعث ریست کردن سیستم شود هر لحظه ای می تواند اثر کند و همه سیستم را به تنظیمات اولیه برگرداند و این به زمان بندی سیستم ارتباطی ندارد. از سیگنال های نا همگام در پروتکل های ارتباطی سریالی مانند پروتکل ارتباطی دست دهی (Handshaking) و اتصال لوازم جانبی به دستگاه ها استفاده می شوند.

نتیجه گیری

سیگنال ها در همه جوانب زندگی ما تاثیر گذار هستند. شناخت و دسته بندی درست آن ها به عنوان یک دانش مهم و موثر در طراحی،بحث و بررسی، انتقال و آنالیز داده های مختلف در صنعت برق ،الکترونیک، مخابرات ، رایانه ها ، برنامه نویسی و… به شمار می رود. ده ها راه برای دسته بندی سیگنال ها وجود دارد که به ترجیحات رشته مورد نظر شما و موضوع مورد مطالعه شما و به نگاه ریاضیاتی به پدیده ها مربوط است. هرچه در مورد موج ها -که قرار است از آن ها در طراحی دستگاه ها استفاده کنید-بیشتر بدانید، راه های بیشتری برای دسته بندی و استفاده درست از آن ها پیدا خواهید کرد.

منبع

خلاصه مطلب
شناخت و آموزش سیگنال های الکتریکی قسمت دوم
عنوان مطلب
شناخت و آموزش سیگنال های الکتریکی قسمت دوم
توضیح کوتاه
در این قسمت در مورد مفاهیم پیشرفته تر در شکل موج های الکتریکی مطالبی را به زبان ساده می آموزید.
نویسنده
ساختنی
ساختنی

بیشتر بخوانید:

بدون لحیم کاری و با جعبه پیتزا مدار LED ساده بسازید... برای آموزش اصول علم الکترونیک هیچ چیز بهتر است ساخت مدارهای ساده نیست. با ساخت این نوع مدارها می توانید سنسورها و قطعات مختلف را در مسیرها و اتصالات ی...
آموزش آردوینو : روش ارتباط کارت خوان RFID با آردوینو... تکنولوژی RFID یا شناسایی با امواج رادیویی، تکنولوژی ارتباط کوتاه بردی است که با آن می توان افراد یا اشیای مختلف را به وسیله کارت ها برچسب ها یا همان ت...
راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی : مفاهیم پایه ای (بخش اول)... در عصر حاضر ما انسان ها همواره در محاصره انواع سیگنال ها هستیم. سیگنال های تصویری، صوتی، مکانیکی، الکتریکی، سیگنال های فعال و منفعل. اتفاقات فیزیکی که...
پروژه آردوینو : با ترکیب نور، صدا و الکترونیک یک ساز چندنفره بسازید... در این ساختنی طرز ساخت یک پروژه آردوینو متفاوت، جالب و البته سرگرم کننده را یاد می گیرید. یک گنبد چوبی که از ۱۲۰ مثلث ساخته می شود و هر مثلث یک LED و ...
مدار الکترونیکی واکی تاکی (Walkie Talkie) یا بیسیم بسازید... واکی تاکی یا بیسیم دو طرفه یکی از ابزار هایی است که هم در پروژه های الکترونیکی برای سرگرمی بسیار محبوب است و هم ابزاری کاربردی برای ارتباط دو طرفه در ...
دستگاه ضربان سنج قلب با حسگر فروسرخ و میکرو کنترلر PIC... دستگاه ضربان سنج در واقع نشان دهنده وضعیت سلامت سیستم قلبی عروقی بدن انسان است. امروزه گجت های سلامتی در حال تبدیل شدن به وسایل ضروری هستند که در وسای...

درباره مهرداد جمالی

مهرداد جمالی
مهرداد جمالی ، متولد 1367 ، دانش آموخته رشته لیسانس مهندسی مخابرات دانشگاه ملی زنجان و دانشجوی ارشد مدیریت صنعتی است. وی بنیان گذار اصلی پروژه ساختنی و یکی از مدیران ارشد وبسایت است.

پیشنهاد می کنیم

با تراشه UM66 مدار ملودی ساز ساده و جالب بسازید

تراشه UM66 یک آی سی ملودی ساز است که در زنگ های هشدار، تلفن، اسباب …

پاسخ دهید