การเข้าใจรูปคลื่นไฟฟ้า

ระบบอิเล็กทรอนิกส์พึ่งพารูปคลื่นสัญญาณที่หลากหลาย โดยมีตั้งแต่รูปคลื่นไซน์ที่เรียบง่ายไปจนถึงรูปคลื่นที่ซับซ้อน สร้างโดยเครื่องสร้างคลื่นรูปคลื่น (Waveform Generators) ออสซิลเลเตอร์ (Oscillator) ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญในการสร้างรูปคลื่นไฟฟ้าต่อเนื่อง มักผลิตสัญญาณไซน์ที่มีความถี่ หรือความยาวคลื่นที่กำหนดโดยส่วนประกอบที่มีการสั่นสะเทือนของวงจร แม้ว่าจะมีวงจรออสซิลเลเตอร์หลายประเภท แต่ส่วนใหญ่จะรวมถึงแอมพลิฟายเออร์ที่จับคู่กับวงจร LC (Inductor-Capacitor) หรือ RC (Resistor-Capacitor) เพื่อผลิตคลื่นไซน์

ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ รูปคลื่นที่แตกต่างกันเช่น คลื่นสี่เหลี่ยม, คลื่นสี่เหลี่ยมผืนผ้า, คลื่นสามเหลี่ยม, คลื่นฟันเลื่อย, พัลส์, และสไปค์ ล้วนมีความจำเป็น รูปคลื่นเหล่านี้ใช้เป็นสัญญาณควบคุมเวลา, สัญญาณนาฬิกา, หรือพัลส์กระตุ้น การเข้าใจลักษณะพื้นฐานของรูปคลื่นไฟฟ้าจึงสำคัญต่อการใช้งานสัญญาณเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปคลื่นไฟฟ้าคือ การแสดงภาพความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าตามเวลา การวาดความผันผวนเหล่านี้บนกราฟที่มีเวลาเป็นแกน x จะได้ออกมาเป็นรูปคลื่น รูปคลื่นสามารถแบ่งเป็นสองกลุ่มหลัก: รูปคลื่นทิศทางเดียว และรูปคลื่นสองทิศทาง

รูปคลื่นทิศทางเดียว: รูปคลื่นเหล่านี้ไหลไปในทิศทางเดียวกัน ไม่ว่าจะเป็นบวกหรือลบ ไม่ข้ามแกนศูนย์ ตัวอย่างรวมถึงสัญญาณการควบคุมเวลาแบบคลื่นสี่เหลี่ยม, พัลส์นาฬิกา, และพัลส์กระตุ้น

รูปคลื่นสองทิศทาง: หรือที่รู้จักกันในชื่อรูปคลื่นสลับ รูปคลื่นเหล่านี้สลับทิศทางระหว่างบวกและลบ โดยข้ามแกนศูนย์ตลอดเวลา รูปคลื่นสองทิศทางที่พบมากที่สุดคือ คลื่นไซน์

ไม่ว่าจะเป็นรูปคลื่นประเภทใด รูปคลื่นไฟฟ้าทั้งหมดมีคุณลักษณะพื้นฐานสามประการ:

• ช่วงเวลา: ระยะเวลาที่รูปคลื่นใช้ในการทำรอบหนึ่งรอบเต็ม วัดเป็นวินาที สำหรับคลื่นไซน์จะเรียกว่าเวลาเป็นระยะ (T) และสำหรับคลื่นสี่เหลี่ยมจะเรียกว่าความกว้างของพัลส์
• ความถี่: ความถี่คือจำนวนครั้งที่รูปคลื่นทำซ้ำในหนึ่งวินาที คำนวณได้จากค่าแยกตัวของช่วงเวลา (ƒ = 1/T) หน่วยมาตรฐานความถี่คือเฮิรตซ์ (Hz)
• แอมพลิจูด: แอมพลิจูดวัดความเข้มของรูปคลื่น แสดงเป็นโวลต์หรือแอมป์

รูปคลื่นคาบ‍

รูปคลื่นคาบเวลาเช่น คลื่นไซน์ เป็นรูปคลื่นที่พบได้บ่อยในอิเล็กทรอนิกส์ รูปคลื่นกระแสสลับ (AC) ในระบบไฟฟ้าภายในบ้านเป็นคลื่นไซน์ที่สลับระหว่างค่ามากสุดและน้อยสุดตามเวลา ช่วงเวลาที่ใช้ในการทำรอบหนึ่งรอบเต็มของรูปคลื่นไซน์เรียกว่า ระยะเวลา (Period) ระยะเวลานี้จะต่างกันไปตามความถี่รูปคลื่นเช่น รูปคลื่นที่มีช่วงเวลา 1 วินาทีจะมีความถี่ 1 เฮิรตซ์ (Hertz)

ความสัมพันธ์ระหว่างช่วงเวลาและความถี่เป็นเรื่องสำคัญ: เมื่อระยะเวลาลดลง ความถี่จะเพิ่มขึ้น และในทางกลับกัน ความถี่จะแสดงเป็นหน่วยเฮิรตซ์ (Hz) โดยหน่วยที่ใหญ่ขึ้นเช่น กิโลเฮิรตซ์ (kHz), เมกะเฮิรตซ์ (MHz), และกิกะเฮิรตซ์ (GHz) ใช้เมื่อความถี่สูงขึ้น

รูปคลื่นสี่เหลี่ยม‍

รูปคลื่นสี่เหลี่ยมใช้กันแพร่หลายในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะในระบบดิจิทัลสำหรับสัญญาณนาฬิกาและการจับเวลา รูปคลื่นสี่เหลี่ยมมีรูปร่างสมมาตร มีความกว้างของพัลส์บวกลบเท่ากัน ส่งผลให้ความกว้างของช่วงการทำงาน (Duty Cycle) เท่ากับ 50% ขอบรูปคลื่นสี่เหลี่ยมที่ชัน และเกือบจะเป็นแนวตั้ง แตกต่างจากการขึ้นลงที่ราบเรียบของคลื่น ไซน์ 

รูปคลื่นสี่เหลี่ยมมีความสำคัญในวงจรตรรกะดิจิทัล โดยแทนสถานะไบนารีด้วยระดับแอมพลิจูดสูงและต่ำ ความกว้างของช่วงการทำงาน (Duty Cycle) ของรูปคลื่นสี่เหลี่ยมคือ 50% แต่หากสัดส่วนนี้เปลี่ยนไป รูปคลื่นจะกลายเป็นรูปคลื่นสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือพัลส์หากเวลา "เปิด" ทำงานสั้นมาก

รูปคลื่นสี่เหลี่ยมผืนผ้า

รูปคลื่นสี่เหลี่ยมผืนผ้าแตกต่างจากรูปคลื่นสี่เหลี่ยมตรงความกว้างของพัลส์บวกลบไม่เท่ากัน รูปคลื่นที่ไม่สมมาตรเหล่านี้มีเวลา "มาร์ค" (ความกว้างของพัลส์บวก) และ "สเปซ" (ความกว้างของพัลส์ลบ) ต่างกัน โดยสัดส่วนระหว่างเวลาเหล่านี้เรียกว่า "สัดส่วนมาร์คต่อสเปซ" (Mark-to-Space Ratio) รูปคลื่นสี่เหลี่ยมผืนผ้าถูกใช้ในการควบคุมพลังงานในการใช้งานต่างๆ เช่น การควบคุมความเร็วของหลอดไฟ หรือมอเตอร์ โดยการปรับความกว้างของช่วงการทำงานจะเปลี่ยนพลังงานเฉลี่ยที่ส่งไปที่โหลด

รูปคลื่นสามเหลี่ยมและรูปคลื่นฟันเลื่อย‍

รูปคลื่นสามเหลี่ยมเป็นรูปคลื่นสองทิศทางที่ไม่ใช่รูปคลื่นไซน์ แกว่งระหว่างยอดบวกและลบ รูปคลื่นมีการขึ้นลงแบบเชิงเส้น โดยมีระยะเวลาเท่ากันในช่วงขึ้นและลง ทำให้มีช่วงการทำงาน (Duty Cycle) เท่ากับ 50% ส่วนรูปคลื่นสามเหลี่ยมไม่สมมาตร ที่มีเวลาขึ้นและลงแตกต่างกัน เรียกว่า รูปคลื่นฟันเลื่อย

รูปคลื่นฟันเลื่อยมีลักษณะคล้ายฟันของใบเลื่อย มีการขึ้นช้าและลงชัน หรือ การขึ้นชันและตกช้า รูปคลื่นเหล่านี้อุดมไปด้วยฮาร์โมนิก ทำให้เหมาะกับการสังเคราะห์เสียงในดนตรี เพื่อสร้างโทนเสียงไม่ให้เพี้ยน

รูปคลื่นพัลส์และทริกเกอร์

พัลส์และทริกเกอร์เป็นรูปคลื่นที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด โดยทริกเกอร์เป็นพัลส์ที่แคบ พัลส์มักใช้จับเวลาในการเกิดเหตุการณ์ เช่น การเริ่มต้นตัวจับเวลา หรือการกระตุ้นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อย่างไทรสตอร์ และไทรแอก

ฟังก์ชั่นเจนเนอเรเตอร์

ฟังก์ชั่นเจนเนอเรเตอร์ หรือเครื่องสร้างรูปคลื่นผลิตรูปคลื่นต่างๆ ที่มีความถี่เฉพาะ อุปกรณ์อย่าง IC 8038 สามารถสร้างรูปคลื่นไซน์ รูปคลื่นสี่เหลี่ยม และรูปคลื่นสามเหลี่ยมในช่วงความถี่กว้างได้ ฟังก์ชั่นเจนเนอเรเตอร์เป็นเครื่องมือสำคัญในอิเล็กทรอนิกส์ โดยทำให้เอาท์พุตรูปคลื่นมีเสถียรภาพสำหรับการใช้งานต่างๆ