波形

郎中骑 2021-09-11

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在电子电路中，我们经常需要产生一些不同类型、不同形状或不同频率的波形做为信号波形，如正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波等等。这些波形通常会被用于时钟信号、触发脉冲、定时信号等等。

所谓波形，就是电压或电流随时间变化的直观表示。通常是以时间做为基准的X轴，电压或电流随时间t变化的大小数值则在Y轴表示，这样在一段时间所形成的图形，就是波形。波形的类型很多，按其在坐标轴上的表现，实际上大体可以分为以下两组。

1.单向波形：这些波形只会出现在零轴之上或零轴之下，不跨越零轴点。如方波时钟脉冲信号，通常使用时电压只出现于0V之上，而不会使用负电压。

2.双向波形：这些波形会交替穿过零轴线，出现于Y轴的正负方向上。这样的波形也可以称为交替波形。如市电的正弦波，就是这样的交替波形，电压变化交替出现于Y轴正负方向。

波形的三个特征：

周期：波形从开始到结束、重复自身所用的时间，单位一般是用秒。这个值也是正弦波的周期时间T或方波的脉冲宽度。

频率：波形在一秒内重复自身的次数，( ƒ = 1/T )，单位是赫兹(Hz)。

幅度：以电压伏特或电流安培为单位测量的信号波形的幅度或强度。

周期和频率互为倒数，所以波形的频率越高，周期时间越短，反过来看就是周期越长，频率越低。

ƒ以赫兹为单位，T以秒为单位。1Hz为1秒一个周期，1Hz是个很小的值，为了表示波形的周期数量级，通常加入下面的前缀符来表示。

Definition含义（前缀）	Written as 写法（读法）	Time Period 周期时间值
Thousand 千（Kilo）	kHz （千赫）	1ms（1毫秒）
Million 百万（Mega）	MHz（兆赫）	1us（1微秒）
Billion 十亿（Giga）	GHz（吉赫兹）	1ns（1纳秒）
Trillion 万亿（Tera）	THz（太赫兹）	1ps（1皮秒）

正弦波 Sine Wave

正弦波的波形如上图，在不同的幅度和不同周期下波形会不一样。它的一个周期包括了正负半周，周期时间单位（T）可以是秒（s）、毫秒（ms）、微秒（us）和纳秒（ns）等。对于正弦波还可以用度数或弧度来表示周期。一个完整的周期等于 360 ^o( T = 360 ^o) 或以弧度表示为2π ( T = 2π )，那么可以说 2π 弧度 = 360 ^o。

方波 Square Wave

方波是一种对称、每半个周期时间是相同的波形，与具有平滑上升和下降波形的正弦波不一样，方波在正负峰值处有圆角，具有非常陡峭的上下升沿，顶部和底部平坦。当用于数字电路时，正脉冲宽度时间称为周期的“占空比”，方波波形的正（ON）时间等于负（OFF）时间是一致的，所以占空比是50%。方波常用于电路中的时钟和定时控制信号。根据下面的公式，我们可以尝试计算一下方波的频率，当一个方波的脉冲宽度为10ms，因为占空比为50%，那么周期就为10ms+10ms=20ms，频率=1/T=1s/20ms=50Hz。

矩形波 Rectangular Wave
和上面的方形所不一样的是它不是对称的，属于“非对称”波形，周期内的2个脉冲宽度不一样。方波应该也算是一种特殊的矩形波。矩形波有时也可以用正脉冲宽度和占空比来表示。如脉宽为10ms，占空比为25%，也就是说这个波形周期T为10ms（25%）+30ms（75%），那么频率就是1/T=1s/40ms=25Hz。矩形波可以用于各种控制电路上，最典型的可以是通过调节占空比来调节电压或频率等的PWM脉宽调制电路。

脉冲 Pulse
脉冲也称脉波或脉冲波（pulse wave），波形和方波和矩形波形式上本无太大的区别，只是脉冲可以单个或以脉冲串形式被使用。脉冲波的形状是周期的“Mark-to-Space”比率决定，脉冲的Mark部分非常短，且具有快速上升和下降的形状。每个脉冲都可以是单独的有效的波形和信号，使用它的目的就是产生一个非常短的信号来控制某些事件，也可以生成脉冲串列达到某种功能。如启动单稳态电路、触发器、计数器、定时器或功率器件等等。