- RCネットワークを使用した方形波から正弦波へのコンバータ
- 方形波から正弦波へのコンバータ回路図
- 方形波コンバータの動作原理
- 方形波コンバータ回路のR値とC値の選択
- 方形波から正弦波へのコンバータ回路のテスト
方形波から正弦波への変換回路は、方形波を正弦波形に変換する重要なアナログ回路です。数学演算、音響、オーディオアプリケーション、インバーター、電源、関数発生器など、エレクトロニクスのさまざまな分野で幅広いアプリケーションがあります。
このプロジェクトでは、方形波から正弦波への変換回路がどのように機能するか、および単純なパッシブ電子機器を使用してどのように構築できるかについて説明します。以下にリストされている他の波形発生器回路をチェックすることもできます。
- 方形波発生回路
- 正弦波発生回路
- 三角波発生回路
- のこぎり波発生回路
RCネットワークを使用した方形波から正弦波へのコンバータ
方形波から正弦波へのコンバータは、6つの受動部品、つまりコンデンサと3つの抵抗を使用して構築できます。これらの3つのコンデンサと3つの抵抗を使用して、入力として方形波、出力として正弦波を受け取る3ステージRCネットワークを構築できます。簡単な単段RCネットワーク回路を以下に示します。
上記の回路では、単一の抵抗と単一のコンデンサが使用されている単段RCフィルタが示されています。上記の回路は非常に単純です。方形波の状態によってコンデンサが充電されます。入力の方形波が高い位置にある場合、コンデンサは充電され、方形波が低い位置にある場合、コンデンサは放電されます。
方形波などの変化する信号波には周波数があり、この周波数に応じて回路の出力が変化します。この回路の動作により、RCフィルターはRC積分回路と呼ばれます。RC積分回路は、周波数に応じて信号出力を変更し、方形波を三角波に、または三角波を正弦波に変更することができます。
方形波から正弦波へのコンバータ回路図
このチュートリアルでは、これらのRC積分回路（RCフィルターネットワーク）を使用して、方形波を正弦波に変換します。完全なコンバータ回路図を以下に示します。ご覧のとおり、受動部品はごくわずかです。
この回路は、3段のRCフィルター回路で構成されています。各ステージには独自の変換の重要性があります。波形シミュレーションを見て、各ステージの動作と、それが方形波から正弦波への変換にどのように寄与するかを理解しましょう。
方形波コンバータの動作原理
方形波から正弦波へのコンバータがどのように機能するかを知るには、各RCフィルタステージで何が起こっているかを理解する必要があります。
第一段階：
最初のRCネットワークステージは、並列に、直列及びコンデンサに抵抗を有しています。出力はコンデンサの両端で利用できます。コンデンサは、直列の抵抗を介して充電されます。ただし、コンデンサは周波数に依存する成分であるため、充電には時間がかかります。ただし、この充電率は、フィルターのRC時定数によって決定できます。コンデンサの充電と放電により、また出力はコンデンサから来るため、波形はコンデンサの充電電圧に大きく依存します。充電時間中のコンデンサ電圧は、次の式で求めることができます。
V C = V（1 – e- （t / RC））
そして、放電電圧は次のように決定できます–
V C = V（e- （t / RC））
したがって、上記の2つの式から、RC時定数は、コンデンサが蓄積する電荷の量と、RC時定数の間にコンデンサに対して行われる放電の量を決定する重要な要素です。下の画像のように、コンデンサの値を0.1uF、抵抗の値を100 kオームに選択すると、時定数は10ミリ秒になります。
ここで、このRCフィルタに10msの一定の方形波を与えると、RC時定数10msでコンデンサの充放電が行われるため、出力波形は次のようになります。
波は放物線状の指数波形です。
第2段：
これで、最初のRCネットワークステージの出力は、2番目のRCネットワークステージの入力になります。このRCネットワークは、放物線状の指数波形を取り、それを三角形の波形にします。同じRC一定の充電および放電シナリオを使用することにより、第2ステージのRCフィルターは、コンデンサーが充電されるとまっすぐな上昇勾配を提供し、コンデンサーが放電されるとまっすぐな下降勾配を提供します。
このステージの出力は、適切な三角波であるランプ出力です。
サードステージ：
この第3のRCネットワークステージでは、第2のRCネットワークの出力は第3のRCネットワークステージの入力です。三角波を入力として受け取り、三角波の形状を変更します。三角波の上部と下部が滑らかになり、湾曲した正弦波を提供します。出力は正弦波出力にかなり近いです。
方形波コンバータ回路のR値とC値の選択
コンデンサと抵抗の値は、この回路の最も重要なパラメータです。適切なコンデンサと抵抗の値がないと、RC時定数が特定の周波数に一致せず、コンデンサが充電または放電するのに十分な時間が得られないためです。これにより、出力が歪むか、高周波でも抵抗が唯一の抵抗として機能し、入力の両端に与えられたのと同じ波形を生成する可能性があります。したがって、コンデンサと抵抗の値を適切に選択する必要があります。
入力周波数を変更できる場合は、ランダムなコンデンサと抵抗の値を選択し、組み合わせに応じて周波数を変更できます。すべてのフィルタ段に同じコンデンサと抵抗値を使用することをお勧めします。
クイックリファレンスとして、低周波数ではより高い値のコンデンサを使用し、高周波数ではより低い値のコンデンサを選択します。ただし、すべてのコンポーネントR1、R2、およびR3が同じ値であり、すべてのコンデンサC1、C2、C3が同じ値である場合、コンデンサと抵抗は次の式を使用して選択できます。
f = 1 /（2πxRx C）
ここで、Fは周波数、Rはオーム単位の抵抗値、Cはファラッド単位の静電容量です。
以下の回路図は、前述の3段RC積分回路です。ただし、この回路は4.7nFのコンデンサと1キロオームの抵抗を使用しています。これにより、33kHzの範囲で許容可能な周波数範囲が作成されます。
方形波から正弦波へのコンバータ回路のテスト
回路図はブレッドボードで作成され、関数発生器とオシロスコープを使用して出力波をチェックします。方形波を生成する関数発生器がない場合は、独自の方形波発生器を作成することも、すべての波形関連プロジェクトに使用できるArduino波形発生器を作成することもできます。回路は非常に単純であるため、以下に示すように、ブレッドボード上に簡単に構築できます。
このデモンストレーションでは、関数発生器を使用しています。次の画像に示すように、関数発生器は目的の33kHz方形波出力に設定されています。
出力はオシロスコープで観察できます。スコープからの出力のスナップショットを以下に示します。入力方形波は黄色で表示され、出力正弦波は赤色で表示されます。
回路は20kHzから40kHzの範囲の入力周波数で期待どおりに機能しました。回路の機能の詳細については、以下のビデオを参照してください。チュートリアルを楽しんで、何か役立つことを学んだことを願っています。ご不明な点がございましたら、下のコメント欄にご記入ください。または、フォーラムを使用して他の技術的な質問を投稿することもできます。