Nelinurklaine

Allikas: Vikipeedia
Mine navigeerimisribale Mine otsikasti
1 kHz nelinurklaine 5 sekundi pikkune helikatke

Nelinurklaine (inglise keeles square wave) ehk ruutsignaal on harmooniline liitheli, mis koosneb ainult paarituarvulistest osahelidest.

Nelinurklaine on üks põhilainekujudest.

Ruutsignaal on digitaalelektroonikas kõige enam levinud signaalitüüp. Ruutsignaal tähendab signaali muutumist kahe väärtuse vahel võrdse intervalliga. Ideaalse ruutsignaali puhul on signaali tõus ning langus kohene.

Tihtipeale aetakse ruutsignaal segi tavalise pulsilainega, kuid ruutsignaal on pulsilaine erijuht. Ideaalne ruutsignaal on pulsilaine 50% intervalliga.

Ruutsignaalid on tihti levinud elektroonikas, peamiselt digitaalelektroonikas.

Päritolu ja kasutus[muuda | muuda lähteteksti]

Naturaalselt on ruutsignaalid pärit ditiaalsestest lülitusskeemidest ja on genereeritud binaarsete, kaheolekuliste loogikaseadmetega. Ruutsignaalid on tavaliselt genereeritud metall-isolaator-pooljuht väljatransistoriga tänu nende kiirele sisse-välja lülituse käitumisele.

Ruutsignaalid on tihti kasutusel kellasignaalidena, sest selle kiire olekumuutust on hea kasutada lloogikaelementide sünkroniseerimiseks täpselt ajaastatud intervallidega. Kuid ruutsingaalides on väga palju hormoonilisi sagedusi, need võivad tekitada elektromagnetkiirgust, mis võib segada kõrvaliste skeemide tööd ning tekitada müra ning vigu. Selle probleemi vältimiseks kasutadakse väga müratundlikes seadmetes siinussignaale kellasignaalideks.

Digitaalelektroonikas on kellasignaalid üldjuhul toitepinge ning nullpinge vahel. On ka erandeid, kui kellasignaali edastatakse kas valgusega või differentsiaalsete signaalidega.

Ruutsignaal ei pea olema ainult digitaalne signaal. Vabalt võime ruutsignaaliks lugeda ükskõik missuguse muu füüsikalise nähtuse, millega saame konkreetselt edastada signaali kõrge/madal olekut ning edastatud signaal vastab eelnevatele reeglitele. Näiteks võib selleks olla valgus, keemilise aine olek, punktijada perfolindil võisiis nöör mida tõmmatakse signaali edastuse jaoks.

Definitsioon[muuda | muuda lähteteksti]

Ruutsignaalil on matemaatikas mitmeid definitsioone, mis on ekvivalentsed välja arvatud katkevustel.

ruutsignaal graafikul

Seda saab defineerida näiteks kui lihtsat märgifunktsiooni siinusest, mis tagastab 1, kui siinus on positiivne, -1 kui siinus on negatiivne ja 0 katkevustel.

Fourieri' rea valem:

Ruutsignaal graafikul[muuda | muuda lähteteksti]

Nagu ka igat teist signaali on ka ruutsignaali kõige parem visualiseerida graafikul. Kõrvaloleval graafikul on näha ruutsignaal, mille amplituud on 2 ühikut ning muutub vahemikust -1 kuni 1. Perioodiga 50% ning kogupikkusega 2 ühikut. Ruutsignaali puhul ei ole tähtis, et amplituud oleks võrdne signaali perioodiga.

Omadused[muuda | muuda lähteteksti]

Ruutsignaali peegeldamisel ajadomeenis võttes referentsteljeks signaali Y telje kekspunkti horisontaalselt läbiva telje, saame tulemuseks sama signaali, kuid 180 kraadise faasinihkega ajas.

Ideaalse ruutsignaali sagedusdomeen koosneb lõpmatu paljude siinuste summadest, seega on teda väga raske täpselt sagedusdomeenis graafikul kuvada.

Ruutsignaali summutades läheneb see järjest siinussignaalile

Ruutsignaal on pulsilaine erijuht.

Mittetäiuslik ruutsignaal[muuda | muuda lähteteksti]

Nagu eelnevalt mainitud, siis ideaalsel ruutsignaalil on kohene ülekanne madala ja kõrge oleku vahel. Reaalsuses ei ole see kunagi saavutatav signaali genereerivate seadmete füüsikaliste piirangute ning eripärasuste tõttu. Enimlevinud ideaalse ruutsignaali mittetäiuslikused väljenduvad tõusu-ja langusaegades ning intervalli varieeruvuses. Tõusuaaeg on aeg, mis võtab signaalil madalast olekust kõrgesse olekusse minek ning languasaeg on vastupidiselt aeg, mis võtab signaalil kõrgest olekust madalasse olekusse minek. Elektroonikas on see tingitud näiteks parasiitmahutavustest, induktiivsusest ning metall-isolaator-pooljuht väljatransitorite olekuvahetuste lülitusaegadest.

Elektroonikas võib mittetäiuslik ruutsignaal võib väljenduda veel signaali lülitusel tekkinud ossileerimisest. Ossileerimist on võimalik vähendada neid summutades. Kui süsteem on ülesummutatud kasvavad tõusuajad ning langusajad ning signaal ei pruugigi oma kõrgesse või madalasse olekusse jõuda. Ruutsignaali summutades läheneb see järjest siinussignaalile.

Ruutsignaal looduses[muuda | muuda lähteteksti]

Looduses on ideaalset või isegi ideaalilähedast ruutsignaali üldjuhul väga keeruline leida. Põhjusteks ongi juba eelnevalt mainitud 2 põhjust.

Kuigi looduses meeldib asjadele ossileerida ühest olekust teise meenutab nende ossileerimine üldjuhul rohkem siinussignaali. Kõik objektid looduses on "laisad", mis tähendab, et nad ei taha oma olekut muuta, neil on teatav inerts. Seega nende oleku koheseks muutmiseks on tarvis lõpmatu suurt kogust energiat. Lõpmata suure koguse energiaallika olemasaolekul oleksid paljud praegused probleemid meil ühiskonnas kadunud. Kahjuks läheb see ka mitmete loodusseaduste vastu :( .

Looduses on asju, mis muutuvad ajas koheselt nagu näiteks välgulöök, kuid need ei ossileeru üldjuhul 50% intervalliga. Seega need ei klapi meie teise, juba eelnevalt mainitud reegliga.

Üks lähimaid ruutsignaali moodi graafiku tekitav nähtus looduses on valguse tase sõltuvalt ajast nädala jooksul. Kuna planeet Maa keerleb suhteliselt konstantse kiirusega ning päikeseloojangud ning päikesetõusud on suhteliselt kiired võrreldes kogu päeva pikkusega tekitab see ligilähedase ruutsignaali. Antud signaali nurgad graafikul on küll ümarad, kuna päikesetõus ning loojang ei ole täielikult binaarne sündmus.