方形波についての質問

質問

交流正弦波と方形波の関係がわかりません。オシロスコープで例えばダイオードの周波数特性を調べる時、正弦波出力で波形を観察するだけでなく、方形波で出力を観察することからどのようなことがわかるのですか?そのメリットは何か教えてください。これらのことと周波数の関係もわからないのでヒントだけでも教えてくれたら幸いです。どうかおねがいします。

回答No.6

foobar · ベストアンサー

方形波での測定は、周波数特性というよりも＃４さんの書かれているスイッチング特性を観測することが多いかと。

例えば、ダイオードに順方向に電流を流しておいて、急に逆方向の電圧をかけると、電流は一旦逆方向に流れてから、電流0になります。(この逆方向に流れる時間が長いと、スイッチング回路を組んだときに問題になります。)
こういった、特性を測ろうかとしているのではないかと思います。
こういうスイッチング特性を見るには、電圧の変化が急峻な方形波のほうが適しています。

お礼

foobarさん、ご回答どうもありがとうございました。またお礼が遅れて大変失礼いたしました。ダイオードのスイッチング特性、特に電圧の向きが変わった時の挙動にについて述べてくださり、理解が非常にに加速されました。大変助かりました。

回答No.7

circuit_breaker

交流正弦波は周波数掃引して周波数特性を見るのに重宝です。横軸は周波数、縦軸はゲイン、またインピーダンスなどです。測定対象に振幅依存性があれば、それをパラメータとして周波数特性を描く事も出来ます。横軸は周波数、縦軸は基本波ゲイン、基本波インピーダンス、n次高調波量など可能です。（ただし高調波が基本波の振幅を超えるような局面では使用しないのが普通だと思います。）基本波の振幅と位相、あるいは高調波の大きさの測定が主で、波形そのものを表示させる事は稀です。

方形波は、時間領域での挙動観察に重宝です。横軸は時間です。たとえばRCの積分回路をexp(-t/τ)で見たければ方形波、1/(1+jwτ)の形で捉えたければ正弦波です。しかし違いはそれだけではありません。周波数特性と言う捉え方、つまり正弦波測定は、測定対象の歪が小さい場合は有用ですが、周波数特性に振幅依存性が勝るなるような強い非線形領域では意味曖昧になります。（周波数領域の重ねの理が成り立ちません。）　一方で方形波は時間領域挙動の振幅依存性測定に積極的に利用出来ます。

ダイオードを例にとると、
周波数領域の観測（正弦波）向き項目としては、逆バイアス時OFF容量、順方向バイアス時ON抵抗、ON時歪特性、それらのバイアス依存性などあるかと思います。
時間領域の観測（方形波）向き項目としては、ターンオン時間、蓄積時間、ターンオフ時間や、そこで起きる電流挙動などあるかと思います。特に蓄積時間などは、駆動振幅に大きく依存します。

お礼

circuit_breakerさん、ご回答どうもありがとうございました。またお礼が遅れて大変失礼いたしました。非常に詳しい回答をありがとうございます。私も電気について少し理解してきた今、非常に参考になりました。

回答No.5

he-goshite-

みなさんがおっしゃっていることと同じですが，

・正弦波入力で出力を観察したとき，出力が歪んでいなければ，その周波数において忠実な出力をしている。
・方形波入力で出力を観察したとき，出力が歪んでいなければ，その周波数ばかりでなく，高調波においても忠実な出力をしている。（周波数特性がかなり平らである）
・正弦波入力で出力を観察したとき，出力が歪んでいれば，その周波数では忠実な出力ができない。
・方形波入力で出力を観察したとき，出力が歪んでいれば，その周波数以外（高調波入力）での出力が忠実ではない。（周波数特性が平らではない）

という周波数特性だと分かります。

お礼

he-goshiete-さん、ご回答どうもありがとうございました。またお礼が遅れて大変失礼いたしました。周波数特性についての考えがわかりやすく整理してくださり、理解に非常に役立ちました。

回答No.4

myeyesonly

こんにちは。
ダイオードとの事ですので、スイッチング特性を見ているのではないでしょうか?

つまり入力側の方形波はほとんど立上り時間ゼロですが、出力側の波形は、理想的には立上り時間ゼロで急峻な立上りをして欲しいわけですが、種々の事情により、そうはなりません。
少しゆるやかなスロープになったり2次曲線のように最初はゆっくり、段々急峻な立上りになったり・・・というふうになります。

完全に立ち上がるまでの時間差があまり大きいとスイッチングの用途では困ってしまいます。
特に高周波をスイッチングするような場合(スイッチングレギュレーターのような場合)は、この時間差で、素子の発熱量が大きく変わり、放熱設計などに大きな影響をあたえます。

さらに立ち上がりがにぶければスイッチング素子としては動作せず、単なる抵抗みたいな働きしかこなせません。

お礼

myeyesonlyさん、ご回答どうもありがとうございました。またお礼が遅れて大変失礼いたしました。ダイオードのスイッチング特性について説明してくださり大変助かりました。疑問の解明が非常に加速されました。

回答No.3

SCNK

方形波はいろいろな周波数成分を含んでいます。したがって帯域幅が広いわけですね。

ダイオードの歪の特性を見ているのではありませんか。正弦波がひずめば方形波や三角波になると思います。それだけ忠実に増幅できなくなると思います。

お礼

SCNKさん、ご回答どうもありがとうございました。またお礼が遅れて大変失礼いたしました。SCNKさんが書いてくださったように、最近今回行った実験では方形波の周波数が1つではないということがポイントらしいことがわかりました。とにかく新たな考えを教えてくださり助かりました。

回答No.2

noname#6829

これは　ちゃんと考えようと思えばすごく高度な問題ということになるかも知れません(^^;
ある周期で切り替わる方形波というのは、同じ周期の正弦波と分析上の周波数特性が同じではありません。フーリエ変換などによる周波数分析ではいろいろな周波数の正弦波の組み合わせでものを考えますが、この考えで行くと方形波というのは非常に多くの周波数成分の組み合わせでできていることになります（芯になる部分は同じ周期の正弦波なのですが）。ですから、これを通すということによって、例えば出力波形が正弦波に非常に近い波形になっていたとしたら、この周波数以外の成分を通過させる性質がほとんどない（ハイパス・ローパスフィルタの性質を持っている）ということになりますね。
この答えがすべてを示しているとは思いませんが、参考になれば。

参考URL：

http://www.orixrentec.co.jp/tmsite/know/know_mado.html

お礼

gvokさん、ご回答どうもありがとうございました。またお礼が遅れて大変失礼いたしました。勉強不足ゆえにまだわからないこともありますが、いくらか電気について理解した後にも大いに参考にさせていただきます。あと参考URLも比較的わかりやすく助かりました。

回答No.1

noname#16926

nise_hkoteさんがどこで（授業？）このような観測をしているのか分からず、上手く説明できるか自信が有りませんが、参考に聞いてください。

正弦波とは自然な波であり、方形波とは人工的な波とおいておきます。

機械での情報（簡易なもの）は２進数という０か１で判断（ＹＥＳかＮＯか）しますその判断を信号でやり取りする時に信号があるか無いかという方形波の１か０かという波形が役に立ちます。

信号が伝わって行くうえで減衰（信号が分かりにくくなる）する時は正弦波でのやりとりが役に立つのです。

これから電波や精密機械に興味が湧くようでしたらまた質問をお待ちしております。

簡潔に話すには、難しい質問なのでこんな回答で申し訳ありません。

お礼

nocchiさん、ご回答どうもありがとうございました。またお礼が遅れて大変失礼いたしました。方形波と正弦波のイメージが非常にわきました。大変助かりました。