Pengantar Sinyal AC Frekuensi Campuran

Dalam studi kami tentang sirkuit AC sejauh ini, kami telah menjelajahi sirkuit yang ditenagai oleh bentuk gelombang tegangan sinus frekuensi tunggal. Namun, dalam banyak aplikasi elektronik, sinyal frekuensi tunggal merupakan pengecualian daripada aturan.

Cukup sering kita mungkin menemukan sirkuit di mana beberapa frekuensi tegangan hidup berdampingan secara bersamaan. Juga, bentuk gelombang sirkuit mungkin sesuatu selain berbentuk gelombang sinus, dalam hal ini kita menyebutnya non-sinusoidal bentuk gelombang .

Selain itu, kita mungkin menghadapi situasi di mana DC bercampur dengan AC:di mana bentuk gelombang ditumpangkan pada sinyal (DC) yang stabil.

Hasil dari campuran tersebut adalah sinyal yang intensitasnya bervariasi, tetapi tidak pernah mengubah polaritas, atau mengubah polaritas secara asimetris (misalnya menghabiskan lebih banyak waktu positif daripada negatif).

Karena DC tidak bergantian seperti AC, "frekuensinya" dikatakan nol, dan sinyal apa pun yang mengandung DC bersama dengan sinyal dengan intensitas yang bervariasi (AC) dapat disebut juga sebagai sinyal frekuensi campuran.

Dalam kasus mana pun di mana ada campuran frekuensi di sirkuit yang sama, analisis lebih kompleks daripada apa yang telah kita lihat hingga saat ini.

Kopling

Terkadang sinyal tegangan dan arus frekuensi campuran dibuat secara tidak sengaja. Ini mungkin hasil dari koneksi yang tidak diinginkan antara sirkuit—disebut kopling —dimungkinkan oleh kapasitansi dan/atau induktansi menyimpang antara konduktor dari sirkuit tersebut.

Contoh klasik fenomena kopling sering terlihat di industri di mana kabel sinyal DC ditempatkan di dekat kabel listrik AC. Adanya tegangan dan arus AC tinggi di dekatnya dapat menyebabkan tegangan "asing" terkesan pada panjang kabel sinyal.

Kapasitansi sesat yang dibentuk oleh insulasi listrik yang memisahkan konduktor daya dari konduktor sinyal dapat menyebabkan tegangan (berkenaan dengan pembumian) dari konduktor daya terkesan pada konduktor sinyal, sedangkan induktansi sesat yang dibentuk oleh rangkaian paralel kawat dalam saluran dapat menyebabkan arus dari konduktor daya untuk menginduksi tegangan secara elektromagnetik di sepanjang konduktor sinyal.

Hasilnya adalah campuran DC dan AC pada beban sinyal. Skema berikut menunjukkan bagaimana sumber "noise" AC dapat "berpasangan" ke sirkuit DC melalui induktansi timbal balik (Mstray) dan kapasitansi (Cstray) di sepanjang konduktor. (Gambar di bawah)

Induktansi dan kapasitansi yang menyimpang menghubungkan AC yang menyimpang ke sinyal DC yang diinginkan.

Ketika tegangan AC yang menyimpang dari sumber "kebisingan" bercampur dengan sinyal DC yang dilakukan di sepanjang kabel sinyal, hasilnya biasanya tidak diinginkan. Karena alasan ini, kabel daya dan kabel sinyal tingkat rendah harus selalu dirutekan melalui saluran logam khusus yang terpisah, dan sinyal harus dilakukan melalui kabel “twisted pair” 2-konduktor daripada melalui satu kabel dan koneksi ground:(Gambar di bawah)

Pelindung pasangan terpilin meminimalkan kebisingan.

Pelindung kabel yang diarde—jalinan kawat atau foil logam yang melilit dua konduktor berinsulasi—mengisolasi kedua konduktor dari kopling elektrostatik (kapasitif) dengan menghalangi medan listrik eksternal, sementara kedekatan paralel kedua konduktor secara efektif membatalkan elektromagnetik (saling induktif) apa pun. kopling karena setiap tegangan kebisingan yang diinduksi akan kira-kira sama besarnya dan berlawanan fase di sepanjang kedua konduktor, membatalkan satu sama lain di ujung penerima untuk tegangan kebisingan bersih (diferensial) hampir nol.

Tanda polaritas yang ditempatkan di dekat setiap bagian induktif dari panjang konduktor sinyal menunjukkan bagaimana tegangan induksi difase sedemikian rupa untuk membatalkan satu sama lain.

Kopling juga dapat terjadi antara dua set konduktor yang membawa sinyal AC, dalam hal ini kedua sinyal dapat menjadi "bercampur" satu sama lain:

Penggabungan sinyal AC antara konduktor paralel.

Kopling hanyalah salah satu contoh bagaimana sinyal dari frekuensi yang berbeda dapat bercampur. Baik itu AC yang dicampur dengan DC, atau dua sinyal AC yang bercampur satu sama lain, penggabungan sinyal melalui induktansi dan kapasitansi yang menyimpang biasanya tidak disengaja dan tidak diinginkan.

Dalam kasus lain, sinyal frekuensi campuran adalah hasil dari desain yang disengaja atau mungkin merupakan kualitas intrinsik dari sebuah sinyal. Umumnya cukup mudah untuk membuat sumber sinyal frekuensi campuran. Mungkin cara termudah adalah dengan menghubungkan sumber tegangan secara seri:(Gambar di bawah)

Sambungan seri sumber tegangan mencampur sinyal.

Beberapa jaringan komunikasi komputer beroperasi dengan prinsip melapiskan sinyal tegangan frekuensi tinggi di sepanjang konduktor saluran listrik 60 Hz, untuk menyampaikan data komputer di sepanjang kabel daya yang ada.

Teknik ini telah digunakan selama bertahun-tahun dalam jaringan distribusi tenaga listrik untuk mengkomunikasikan data beban di sepanjang saluran listrik tegangan tinggi. Tentu saja ini adalah contoh tegangan AC frekuensi campuran, dalam kondisi yang sengaja dibuat.

Dalam beberapa kasus, sinyal frekuensi campuran dapat dihasilkan oleh sumber tegangan tunggal. Seperti halnya dengan mikrofon, yang mengubah gelombang tekanan udara frekuensi audio menjadi bentuk gelombang tegangan yang sesuai.

Campuran frekuensi tertentu dalam output sinyal tegangan oleh mikrofon tergantung pada suara yang direproduksi. Jika gelombang suara terdiri dari satu nada atau nada murni, bentuk gelombang tegangan juga akan menjadi gelombang sinus pada frekuensi tunggal.

Jika gelombang suara adalah akord atau harmoni lain dari beberapa nada, bentuk gelombang tegangan yang dihasilkan oleh mikrofon akan terdiri dari frekuensi-frekuensi yang dicampur menjadi satu. Sangat sedikit suara alam yang terdiri dari satu getaran gelombang sinus murni, tetapi lebih merupakan campuran dari getaran frekuensi yang berbeda pada amplitudo yang berbeda.

Frekuensi Fundamental dan Harmonik

chords musikal dihasilkan dengan memadukan satu frekuensi dengan frekuensi lain dari kelipatan pecahan tertentu dari yang pertama.

Namun, menyelidiki sedikit lebih jauh, kami menemukan bahwa bahkan satu nada piano (diproduksi oleh senar yang dipetik) terdiri dari satu frekuensi dominan yang dicampur dengan beberapa frekuensi lainnya, masing-masing frekuensi merupakan kelipatan bilangan bulat dari yang pertama (disebut harmonik , sedangkan frekuensi pertama disebut fundamental ).

Sebuah ilustrasi dari istilah-istilah ini ditunjukkan pada Tabel di bawah ini dengan frekuensi dasar 1000 Hz (angka sembarang dipilih untuk contoh ini).

Untuk frekuensi “dasar” 1000 Hz:

Frekuensi Istilah harmonik ke-10001, atau harmonik dasar 20002 harmonik ke 30003 harmonik ke40004 harmonik ke 50005 harmonik ke-660006 harmonik ke 70007

Overtone

Terkadang istilah “overtone” digunakan untuk menggambarkan frekuensi harmonik yang dihasilkan oleh alat musik.

Nada atas “pertama” adalah frekuensi harmonik pertama lebih besar dari fundamental. Jika kita memiliki instrumen yang menghasilkan seluruh rentang frekuensi harmonik yang ditunjukkan pada tabel di atas, nada atas pertama adalah 2000 Hz (harmonik ke-2), sedangkan nada atas kedua adalah 3000 Hz (harmonik ke-3), dll.

Namun, penerapan istilah “overtone” ini khusus untuk instrumen tertentu.

Kebetulan instrumen tertentu tidak mampu menghasilkan jenis frekuensi harmonik tertentu.

Misalnya, instrumen yang terbuat dari tabung yang terbuka di satu ujung dan tertutup di ujung lainnya (seperti botol, yang menghasilkan suara ketika udara ditiupkan melintasi lubang) tidak mampu menghasilkan harmonik genap.

Instrumen seperti itu yang diatur untuk menghasilkan frekuensi dasar 1000 Hz juga akan menghasilkan frekuensi 3000 Hz, 5000 Hz, 7000 Hz, dll, tetapi tidak menghasilkan 2000 Hz, 4000 Hz, 6000 Hz, atau frekuensi kelipatan genap lainnya dari fundamental.

Dengan demikian, kita akan mengatakan bahwa nada atas pertama (frekuensi pertama lebih besar dari nada dasar) dalam instrumen semacam itu adalah 3000 Hz (harmonik ke-3), sedangkan nada atas kedua adalah 5000 Hz (harmonik ke-5), dan seterusnya. .

Gelombang sinus murni (frekuensi tunggal), yang sama sekali tidak memiliki harmonik, terdengar sangat “datar” dan “tanpa fitur” di telinga manusia.

Sebagian besar alat musik tidak mampu menghasilkan suara sesederhana ini. Apa yang memberi setiap instrumen nada khasnya adalah fenomena yang sama yang memberi setiap orang suara khas:perpaduan unik bentuk gelombang harmonik dengan setiap nada dasar, dijelaskan oleh fisika gerak untuk setiap objek unik yang menghasilkan suara.

Instrumen kuningan tidak memiliki "konten harmonik" yang sama seperti instrumen tiup kayu, dan tidak menghasilkan konten harmonik yang sama seperti instrumen senar. Perpaduan frekuensi yang khas inilah yang memberikan nada khas pada alat musik.

Seperti yang dapat dikatakan oleh siapa pun yang pernah bermain gitar, senar baja memiliki suara yang berbeda dari senar nilon. Juga, nada yang dihasilkan oleh senar gitar berubah tergantung di mana sepanjang panjangnya dipetik.

Perbedaan nada ini juga merupakan hasil dari konten harmonik yang berbeda yang dihasilkan oleh perbedaan getaran mekanis bagian-bagian instrumen.

Semua instrumen ini menghasilkan frekuensi harmonik (kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar) ketika satu nada dimainkan, tetapi amplitudo relatif dari frekuensi harmonik tersebut berbeda untuk instrumen yang berbeda. Dalam istilah musik, ukuran konten harmonik nada disebut timbre atau warna .

Nada musik menjadi lebih kompleks ketika elemen resonansi dari sebuah instrumen adalah permukaan dua dimensi daripada string satu dimensi.

Instrumen yang didasarkan pada getaran senar (gitar, piano, banjo, kecapi, dulcimer, dll.) atau kolom udara dalam tabung (terompet, seruling, klarinet, tuba, organ pipa, dll.) cenderung menghasilkan suara terdiri dari satu frekuensi ("fundamental") dan campuran harmonik.

Namun, instrumen yang didasarkan pada getaran pelat datar (drum baja, dan beberapa jenis lonceng), menghasilkan rentang frekuensi yang jauh lebih luas, tidak terbatas pada kelipatan bilangan bulat fundamental. Hasilnya adalah nada khas yang menurut sebagian orang menyinggung secara akustik.

Seperti yang Anda lihat, musik menyediakan bidang studi yang kaya untuk frekuensi campuran dan efeknya. Bagian selanjutnya dari bab ini akan merujuk pada alat musik sebagai sumber bentuk gelombang untuk analisis lebih detail.

TINJAUAN:

• Sebuah sinusoidal bentuk gelombang adalah salah satu yang berbentuk persis seperti gelombang sinus.
• Sebuah non-sinusoidal bentuk gelombang dapat berupa apa saja mulai dari bentuk gelombang sinus yang terdistorsi hingga sesuatu yang sama sekali berbeda seperti gelombang persegi.
• Bentuk gelombang frekuensi campuran dapat dibuat secara tidak sengaja, sengaja dibuat, atau hanya ada karena kebutuhan. Sebagian besar nada musik, misalnya, tidak terdiri dari gelombang sinus frekuensi tunggal, tetapi merupakan campuran kaya dari frekuensi yang berbeda.
• Bila beberapa bentuk gelombang sinus digabungkan (seperti yang sering terjadi dalam musik), gelombang sinus frekuensi terendah disebut fundamental , dan gelombang sinus lain yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari gelombang fundamental disebut harmonik .
• Sebuah nada tambahan adalah harmonik yang dihasilkan oleh perangkat tertentu. Nada atas “pertama” adalah frekuensi pertama yang lebih besar dari nada dasar, sedangkan nada atas “kedua” adalah frekuensi berikutnya yang lebih besar yang dihasilkan. Nada tambahan yang berurutan mungkin atau mungkin tidak sesuai dengan harmonik tambahan, tergantung pada perangkat yang menghasilkan frekuensi campuran. Beberapa perangkat dan sistem tidak mengizinkan pembentukan harmonik tertentu, sehingga nada tambahannya hanya akan mencakup beberapa (tidak semua) frekuensi harmonik.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sinyal Frekuensi Campuran
• Lembar Kerja Induktansi Bersama