¿Qué son exactamente los armónicos y cómo “aparecen”?

27

Después de leer tantas fuentes en línea, todavía no puedo comprender por qué las formas de onda diferentes tienen armónicos.

Por ejemplo: al diseñar un circuito de modulación de amplitud tonta (AM) que pone una onda cuadrada de un microcontrolador en una antena, ¿cómo se generan los armónicos? La señal está "encendida" o "apagada", ¿cómo están los armónicos primero, tercero y quinto y por qué se debilitan?

He escuchado que los osciloscopios pueden medir hasta el quinto armónico de una onda cuadrada (o algo similar) es importante, pero ¿por qué eso haría la lectura diferente? ¿Son estos armónicos irrelevantes en cosas como la transferencia de datos (alto = 1, bajo = 0) y solo importan en situaciones como audio o RF?

¿Por qué las ondas sinusoidales no tienen tantos armónicos? ¿Porque la forma de onda siempre se está moviendo y no es plana subiendo (triángulo) ni horizontal (cuadrada), sino circular con un valor siempre cambiante?

    
pregunta John Quinn

7 respuestas

29

Las ondas sinusoidales no tienen armónicos porque son exactamente las ondas sinusoidales las que combinadas pueden construir otras formas de onda. La onda fundamental es un seno, por lo que no es necesario agregar nada para convertirla en la señal sinusoidal.

Sobre el osciloscopio. Muchas señales tienen una gran cantidad de armónicos, algunas, como una onda cuadrada, en teoría infinitas.

Estaesunaconstrucciónparcialdeunaondacuadrada.Elsenoazulquemuestra1periodoeselfundamental.Luegoestáeltercerarmónico(lasondascuadradasnotienennisiquieralosarmónicos),elpúrpura.Suamplitudes1/3delafundamental,ysepuedeverqueestresveceslafrecuenciadelafundamental,porquemuestra3periodos.Lomismoparaelquintoarmónico(marrón).Laamplitudes1/5delafundamentalymuestra5periodos.Añadiendoestosdalacurvaverde.Estotodavíanoesunabuenaondacuadrada,peroyaveslosbordespronunciados,ylalíneahorizontalonduladafinalmentesevolverácompletamentehorizontalsiagregamosmásarmónicos.Asíescomoveráunaondacuadradaenelalcancesisolosemuestrahastaelquintoarmónico.Estoesrealmentelomínimo,paraunamejorreconstrucciónnecesitarámásarmónicos.

Comotodaseñalnosinusoidal,laseñalmoduladaenAMcrearáarmónicos.Fourierdemostróquecadaseñalderepeticiónsepuededeconstruirenunafundamental(lamismafrecuenciaquelaformadeonda)yenarmónicosquetienenfrecuenciasquesonmúltiplosdelafundamental.Inclusoseaplicaaformasdeondanorepetitivas.Asíqueinclusosinovefácilmentecómoseverían,elanálisissiempreesposible.

Esta es una señal de AM básica, y la señal modulada es el producto de la portadora y la señal de banda base. Ahora

\ $ sin (f_C) \ cdot sin (f_M) = \ dfrac {cos (f_C - f_M) - cos (f_C + f_M)} {2} \ $

Entonces, puedes ver que incluso un producto de senos se puede expresar como la suma de senos, que son ambos cosenos (los armónicos pueden tener su fase desplazada, en este caso en 90 °). Las frecuencias \ $ (f_C - f_M) \ $ y \ $ (f_C + f_M) \ $ son las bandas laterales a la izquierda y derecha de la frecuencia del operador \ $ f_C \ $.

Incluso si su señal de banda base es una señal de aspecto más complejo, puede separar la señal modulada en senos separados.

    
respondido por el stevenvh
22
La respuesta de

Pentium100 es bastante completa, pero me gustaría dar una explicación mucho más simple (aunque menos precisa).

La razón por la que las ondas sinusoidales tienen (idealmente) solo un armónico es porque el seno es la señal periódica "más suave" que puede tener, y por lo tanto es el "mejor" en términos de continuidad, derivabilidad y demás. Por esta razón, es conveniente expresar las formas de onda en términos de ondas sinusoidales (también puede hacerlo con otras ondas, así como son \ $ C ^ {\ infty} \ $).

Solo un ejemplo: ¿por qué en el agua usualmente ves ondas curvas? (por este motivo, ignore el efecto de la playa o el viento) De nuevo, es porque es la forma que requiere menos energía para formarse, ya que todas las rampas y bordes son suaves.

En algunos casos, como el órgano Hammond , las ondas sinusoidales se utilizan realmente para componer el señal, porque con la descomposición es posible sintetizar muchos (prácticamente todos) sonidos.

Hay una hermosa animación de LucasVB que explica la descomposición de Fourier de una onda cuadrada:

Estas imágenes explican mejor la descomposición de la onda cuadrada en armónicos:

    
respondido por el clabacchio
17

Puedes descomponer cualquier forma de onda en una serie infinita de ondas sinusoidales sumadas. Esto se denomina análisis de Fourier (si la forma de onda original se repite) o transformada de Fourier (para cualquier forma de onda).

En el caso de una forma de onda que se repite (como una onda cuadrada), cuando realiza el análisis de Fourier, encontrará que todos los senos que componen la forma de onda tienen frecuencias que son un múltiplo entero de la frecuencia de la forma de onda original. Estos se llaman "armónicos".

Una onda sinusoidal solo tendrá una armónica: la fundamental (bueno, ya es sinusoidal, por lo que está formada por un solo seno). La onda cuadrada tendrá una serie infinita de armónicos impares (es decir, para hacer una onda cuadrada a partir de los senos es necesario agregar senos de cada múltiplo impar de la frecuencia fundamental).

Los armónicos se generan distorsionando la onda sinusoidal (aunque puede generarlos por separado).

¿Por qué es esto importante?

  1. Puede hacer una onda sinusoidal a partir de cualquier onda de una frecuencia fija, siempre y cuando tenga un filtro que pase la frecuencia fundamental, pero bloquee la frecuencia 2x (ya que dejaría solo un armónico en su lugar).
  2. En realidad, puedes hacer una onda sinusoidal con una frecuencia diferente a la original; solo usa un filtro de paso de banda para pasar la armónica que deseas. Puede usar esto para obtener una onda sinusoidal de una frecuencia que es un múltiplo de la frecuencia de otro seno, simplemente distorsione el seno original y seleccione el armónico que desee.
  3. Los sistemas de RF deben emitir formas de onda que no contengan armónicos fuera del rango de frecuencia permitido. Así es como una fuente de alimentación PWM (frecuencia de operación ~ 100kHz, onda cuadrada) puede interferir con la radio FM (frecuencias de operación 88-108MHz, 11-12MHz (IF)).
  4. Si desea tener una onda cuadrada con tiempos de subida / caída muy rápidos, el ancho de banda de su sistema tendrá que ser mucho más amplio que la frecuencia fundamental de su onda cuadrada.
respondido por el Pentium100
6

La derivada - tasa de cambio - de una sinusoide es otra sinusoide a la misma frecuencia, pero con cambio de fase. Los componentes reales (cables, antenas, condensadores) pueden seguir los cambios (de voltaje, corriente, intensidad de campo, etc.) de los derivados y también pueden seguir la señal original. Las tasas de cambio de la señal, de la tasa de cambio de la señal, de la tasa de cambio de la tasa de cambio de la señal, etc., existen todas y son finitas.

Los armónicos de una onda cuadrada existen porque la tasa de cambio (primera derivada) de una onda cuadrada consiste en picos muy altos y repentinos; Picos infinitamente altos, en el límite de la llamada onda cuadrada perfecta. Los sistemas físicos reales no pueden seguir tasas tan altas, por lo que las señales se distorsionan. La capacitancia y la inductancia simplemente limitan su capacidad para responder rápidamente, por lo que suenan.

Del mismo modo que una campana no puede ser desplazada ni distorsionada a la velocidad con que se golpea, y así almacena y libera energía (al vibrar) a velocidades más lentas, por lo que un circuito no responde a la velocidad con la que lo hace. Golpeado por los picos que son los bordes de la onda cuadrada. También suena u oscila a medida que la energía se disipa.

Un bloque conceptual puede provenir del concepto de que los armónicos tienen una frecuencia más alta que la fundamental. Lo que llamamos la frecuencia de la onda cuadrada es el número de transiciones que realiza por unidad de tiempo. Pero volvamos a esos derivados: las tasas de cambio que produce la señal son enormes en comparación con las tasas de cambio en una sinusoide a esa misma frecuencia. Aquí es donde encontramos las frecuencias de componentes más altas: esas altas tasas de cambio tienen los atributos de ondas sinusoidales de frecuencia más alta . Las frecuencias altas están implicadas por las altas tasas de cambio en la señal cuadrada (u otra señal no sinusoidal).

El flanco ascendente rápido no es típico de una sinusoide en la frecuencia f , sino de una sinusoide de frecuencia mucho más alta. El sistema físico lo sigue lo mejor que puede, pero al estar limitado en la velocidad, responde mucho más a los componentes de baja frecuencia que a los más altos. ¡Así que los humanos lentos vemos la amplitud mayor, las respuestas de frecuencia más bajas y llamamos a eso f !

    
respondido por el JRobert
4

En términos prácticos, la razón por la que "aparecen" los armónicos es que los circuitos de filtrado lineal (así como muchos circuitos de filtrado no lineales) que están diseñados para detectar ciertas frecuencias percibirán ciertas formas de onda de baja frecuencia como las frecuencias que están interesado. Para entender por qué, imagine un resorte grande con un peso muy pesado que se sujeta a una manija a través de un resorte bastante suelto. Tirar del asa no moverá directamente el peso pesado, pero el resorte y el peso grandes tendrán una cierta frecuencia de resonancia, y si uno mueve el asa hacia adelante y hacia atrás a esa frecuencia, se puede agregar energía al peso y al resorte grandes , aumentando la amplitud de la oscilación hasta que sea mucho más grande de lo que podría producirse "directamente" tirando del resorte suelto.

La forma más eficiente de transferir energía al resorte grande es jalar un patrón suave que corresponda a una onda sinusoidal: el mismo patrón de movimiento que el resorte grande. Sin embargo, otros patrones de movimiento funcionarán. Si uno mueve el asa en otros patrones, parte de la energía que se pone en el ensamblaje del resorte durante partes del ciclo se eliminará durante otros. Como un simple ejemplo, supongamos que uno simplemente atasca el asa a los extremos del viaje a una velocidad correspondiente a la frecuencia de resonancia (equivalente a una onda cuadrada). Mover la manija de un extremo a otro justo cuando el peso llega al final del viaje requerirá mucho más trabajo que esperar a que el peso retroceda un poco antes, pero si uno no mueve la manija en ese momento, el resorte en el mango estará luchando contra el intento de peso para volver al centro. No obstante, mover el mango claramente de una posición extrema a la otra funcionaría.

Supongamos que el peso tarda un segundo en oscilar de izquierda a derecha y otro segundo en retroceder. Ahora considere qué sucede si uno mueve el asa desde un extremo del movimiento hacia el otro antes, pero permanece por tres segundos en cada lado en lugar de un segundo. Cada vez que uno mueve el asa de un extremo al otro, el peso y el resorte tendrán esencialmente la misma posición y velocidad que tenían dos segundos antes. En consecuencia, tendrán aproximadamente tanta energía agregada a ellos como tendrían dos segundos antes. Por otro lado, las adiciones de energía de este tipo solo ocurrirán un tercio con la frecuencia que tendrían cuando el "tiempo de permanencia" fuera solo de un segundo. Por lo tanto, mover el asa hacia adelante y hacia atrás a 1 / 6Hz agregará un tercio de la energía por minuto (potencia) al peso que movería hacia adelante y hacia atrás a 1 / 2Hz. Algo similar sucede si uno mueve el asa hacia adelante y hacia atrás a 1 / 10Hz, pero como los movimientos serán 1/5 con la frecuencia que a 1 / 2Hz, la potencia será 1/5.

Ahora suponga que, en lugar de que el tiempo de espera sea un múltiplo impar, uno lo hace un múltiplo par (por ejemplo, dos segundos). En ese escenario, la posición del peso y el resorte para cada movimiento de izquierda a derecha será la misma que su posición en el siguiente movimiento de derecha a izquierda. En consecuencia, si el mango agrega energía al resorte en el primero, dicha energía será esencialmente cancelada por el segundo. En consecuencia, la primavera no se moverá.

Si, en lugar de hacer movimientos extremos con el mango, uno lo mueve más suavemente, entonces, a frecuencias más bajas del movimiento del mango, es probable que haya más ocasiones en que se esté luchando contra el movimiento del combo de peso / resorte. Si uno mueve el mango en un patrón de onda sinusoidal, pero a una frecuencia sustancialmente diferente de la frecuencia resonante del sistema, la energía que se transfiere al sistema cuando se empuja de la manera "correcta" estará bastante bien equilibrada por la energía tomada Fuera del sistema empujando el camino "equivocado". Otros patrones de movimiento que no son tan extremos como la onda cuadrada, en al menos algunas frecuencias, transferirán más energía al sistema de la que se extrae.

    
respondido por el supercat
0

una analogía aún más simple es imaginar un trampolín.

la electrificación de un conductor es análoga al estiramiento de la membrana del trampolín, ya que esto "estira" (distorsiona) los campos de energía vinculados a ese cable.

Ve a pararte en el medio del trampolín, agáchate y agarra la membrana del piso del trampolín. Ahora párese y tire / estírelo a medida que avanza, de modo que hay un pico alrededor de la altura de su cintura.

Por supuesto, esto tiene el efecto de almacenar algo de energía en la membrana.

ahora, si simplemente lo sueltas, no flotará suavemente hacia abajo y dejará de moverse. se apagará rápidamente y luego VIBRARÁ ... oscilando de un lado a otro varias veces "por sí sola" ... a medida que baja su energía almacenada.

si, por el contrario, lo vuelves a colocar gradualmente en su lugar ... no puede encajarse violentamente en ningún sitio y, por lo tanto, nada lo hace / permite que vibre "por sí solo". La única vibración que hace es que la muevas.

todas las frecuencias (de cualquier forma de onda) tienen armónicos matemáticos, las formas de onda con cambios potenciales repentinos brindan una oportunidad más fácil para que estos armónicos se expresen como oscilaciones del mundo real.

    
respondido por el jon
0

Solo un complemento a esta pregunta,

  

¿Estos armónicos son irrelevantes en cosas como la transferencia de datos (alta = 1, baja = 0) y solo son importantes en situaciones como el audio o RF?

que creo que nadie dijo: no es irrelevante. Por lo general, estamos interesados en transmitir pulsos en circuitos digitales, por lo que en la mayoría de los casos no tenemos en cuenta esta fenomenología de onda. Esto se debe a que, aunque la onda cuadrada tiene sus armónicos (no un número infinito de armónicos en el mundo real), por lo que tomará un tiempo subir o caer, el diseño de su circuito generalmente es "consciente" de eso. Esta es una de las mayores ventajas de la electrónica digital / comunicación digital: desde un punto dado (voltaje) hacia arriba, la señal se interpreta como 1 y desde un punto dado hacia abajo, es 0. En la mayoría de los casos, no importa el formato exacto. de la onda cuadrada ya que cumple con ciertas especificaciones de tiempo.

Pero tenga en cuenta que si su frecuencia de señal cuadrada aumenta hasta un punto donde la longitud de onda es aproximadamente del orden de magnitud de su línea de transmisión (puede ser una pista conductora de una PCB), entonces puede tener en cuenta esta fenomenología de onda . Todavía tiene un circuito en la mano, pero pueden producirse algunos fenómenos de ondas. Por lo tanto, dependiendo de la impedancia de su "línea", algunas frecuencias pueden tener una velocidad de propagación diferente de otras frecuencias. Como la onda cuadrada está compuesta de muchos armónicos (o idealmente infinito), probablemente tengas una onda cuadrada distorsionada al final de tu línea de transmisión o pista conductora (porque cada armónico viajará con una velocidad diferente).

Un buen ejemplo de cómo puede suceder esto es cuando usamos la transmisión de datos USB en un circuito. Tenga en cuenta que la velocidad de datos es muy alta (ondas cuadradas de alta frecuencia), por lo que debe tener en cuenta la impedancia de su línea de transmisión. De lo contrario, es probable que tenga problemas en la comunicación.

En resumen, todo es importante y todo funciona en conjunto, pero depende de usted analizar si estas cosas son importantes en su proyecto / análisis o no.

    
respondido por el Felipe_Ribas

Lea otras preguntas en las etiquetas