Onda quadra
L'onda quadra è un segnale elettrico utilizzato nei circuiti digitali. È composto da due unici livelli di tensione, equivalenti ai due stati logici, 0 e 1, nei casi più diffusi, i due livelli corrispondono alla presenza o assenza di tensione. Esempio tipico di onde quadre sono i segnali digitali, nei quali il tempo di transizione dal livello basso a quello alto, detto "fronte di salita" (rise time), e da quello alto a quello basso, detto "fronte di discesa" (fall time), è molto breve, ed è determinato dal grado di velocità di commutazione del transistor impiegato. Anche se il componente preposto alla commutazione è un circuito integrato o un circuito ibrido, questa funzione viene comunque effettuata da uno o pù transistor, nel primo caso questi sono integrati nel die, nel secondo, sono assemblati sul supporto del componente ibrido.
Le onde quadre sono ricchissime di frequenze armoniche; nel caso particolare di un'onda quadra avente duty cycle pari al 50% si può facilmente conoscerne la consistenza e l'ampiezza. Avremo infatti esclusivamente le armoniche dispari, e in particolare la terza, con ampiezza pari a un terzo della fondamentale, la quinta armonica, con ampiezza pari ad un quinto della fondamentale, e così via.
Le onde quadre, grazie alla loro ricchezza di armoniche, vengono anche utilizzate nel progetto e nello studio degli amplificatori ad alta fedeltà, nonché per la verifica delle loro prestazioni. Tra le caratteristiche dichiarate dai costruttori di questi apparecchi, possiamo trovarne una apparentemente poco significativa, lo slew rate, che indica la velocità del fronte di salita e di discesa di un'onda quadra sull'uscita del circuito finale, espressa in volt per microsecondo. Se pur tuttavia, gli amplificatori audio non vengano impiegati per amplificare onde quadre, questo dato è significativo per conoscere le doti di velocità dello stadio finale, nel fornire la corrente richiesta, durante le veloci variazioni in ampiezza del segnale in ingresso; la banda passante di uno stadio amplificatore è direttamente dipendente dal valore di slew rate dei componenti attivi impiegati, non è raro trovare in commercio amplificatori audio con banda passante di 5 megahertz e slew rate di 300 V per microsecondo.
L'onda quadra è utilizzata anche per la verifica e calibrazione degli amplificatori verticali degli oscilloscopi, delle sonde di corrente ad effetto Hall, dei frequenzimetri e altri strumenti, nonché durante la progettazione di circuiti logici.
Per ottenerla si adoperano due strumenti, il primo, denominato "generatore d'impulsi", è specifico per questa funzione, permette di variarne il duty cycle e la pendenza, sia del fronte di salita che del fronte di discesa indipendentemente, il secondo, denominato "generatore di funzioni" è meno specifico, permette meno interventi sul segnale generato ma è più versatile, potendo fornire anche altre forme d'onda, come la sinusoide o il dente di sega. Questi generatori permettono anche di spostare l'offset del segnale; ovvero, mentre in un circuito logico il segnale varia da 0 (massa del circuito) a 1 (tensione di alimentazione), il comando dell'offset permette di spostare lo zero verso una tensione negativa oppure positiva, ovvero avere per esempio un'onda quadra di ampiezza 5 volt, in cui lo zero è posto a -8 volt e l'uno a -3 volt, in questo caso il segnale ha un offset negativo di 8 volt.
Con l'avvento del microprocessore, per applicazioni impegnative, sempre che il budget lo permetta, sono disponibili strumenti più sofisticati definiti "sintetizzatori di segnale" o anche "generatori di forma d'onda arbitraria", ovvero in grado di generare qualsiasi forma d'onda, anche complessa, per mezzo di una procedura di programmazione da parte dell'utilizzatore, anche il rise/fall time può essere impostato su tempi molto brevi; un esempio sono i generatori della serie AVG7000 del costruttore Tektronix i quali permettono di avere un segnale dell'ampiezza di 1 volt che transita dallo 0 a 1 in un tempo di 45 picosecondi.
Il circuito più semplice per generare un'onda quadra è costituito da una porta invertente(NOT) schmitt trigger, un condensatore e un resistore.
La caratteristica più difficile da ottenere in un'onda quadra non sono i valori di frequenza o di tensione, bensì la velocità nella transizione di livello e la successiva rapida stabilizzazione, con il minimo overshot e undershot, ovvero l'inevitabile oscillazione smorzata di assestamento al termine della transizione di livello, per ottenere simili prestazioni sono impiegati solitamente circuiti custom e transistor selezionati. Ne è un esempio il generatore PG506 del costruttore Tektronix, utilizzato negli anni 80 e 90, progettato espressamente per la calibrazione degli amplificatori verticali degli oscilloscopi; la frequenza massima dell'onda quadra generata era solo di 1 Mhz, ma con un rise time inferiore ad 1 nS e una pulizia del segnale senza eguali, caratteristiche necessarie per poter eseguire la calibrazione della risposta all'impulso, delicata operazione manuale, consistente nella regolazione di trimmer capacitivi, eseguita su più stadi del circuito, l'ultimo dei quali determina la banda passante dell'amplificatore, il cui valore era prossimo ad 1 Ghz sia per alcuni mainframe, come per alcune plug-in dello stesso costruttore. Questo generatore, in formato plug-in, ormai fuori produzione, è ampiamente utilizzato ancora oggi; le dimensioni di un mattone ed un costo che superava i 3000$.
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