اسیلاتور یا نوسان ساز چیست؟

مقدمه

نوسان سازها یا مولدهای موج در سیستمهای مختلف الکترونیکی دارای کاربردهای وسیع و حساسی می‌باشند. در مدارهای مخابراتی ، دیجیتالی و بسیاری دیگر از مدارهای الکترونیکی نوسان سازها به عنوان یکی از بخشهای اصلی تلقی می‌شود. آنچه که در طراحی نوسان سازها بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد شکل موج دلخواه با فرکانس مورد نظر می‌باشد و هر خواسته طراحی متوجه فرکانسهای بالا با شکل موج پایدارتری می‌باشد به همان میزان دقت عمل و بهره گیری از فن آوریهای پیشرفته بیشتر احساس می‌گردد. با توجه به مطالب فوق ، به موازات پیشرفت فن آوری در زمینه ساخت قطعات مجزا و مجتمع (آی سی) ، روشهای متعدد در زمینه طراحی در سطوح مختلف کاربردی از سوی طراحان مربوطه از گذشته تا به حالا ابداع گردیده است. 



img/daneshnameh_up/5/54/osilator.jpg

 

نوسان ساز با فیدبک

بطور کلی در مدارهای فیدبک دار بواسطه شبکه فیدبک قسمتی از سیگنال خروجی با سیگنال ورودی برای دستیابی به مقاصد مشخصی مخلوط می‌گردد. در مدارهای تقویت کننده که هدف بهبود و تثبیت و مشخصات تقویت کنندگی (یعنی مقاومت ورودی و خروجی و بهره ولتاژ و جریان ، پاسخ فرکانسی و عملکرد خطی تقویت کننده) است، عموما از فیدبک منفی استفاده می‌شود. اما نوسان سازهای با فیدبک ، تقویت کننده‌هایی هستند که خروجی انها بواسطه شبکه فیدبک مثبت به حالت ناپایداری ونوسان رسیده است. بوجود آمدن این حالت بدان علت است که شبکه فیدبک به صورت تشدید کننده (مثبت) و بر هم زننده پایداری و نه تثبیت کننده (منفی) پایداری تقویت کننده عمل نموده است.

با بیانی ساده فیدبک مثبت زمانی اتفاق می‌افتد که علاوه بر 80 درجه اختلاف فاز خروجی نسبت به ورودی تقویت کننده ، قسمت نمونه گیری شده موج در مسیر شبکه فیدبک و در اعمال به ورودی 180 درجه اختلاف دیگر یعنی مجموعا 360 درجه اختلاف فاز نسبت به ورودی پیدا می‌کند (هم فاز می‌شوند). بنابراین با توجه به همفاز بودن موج ورودی و موج نمونه گیری شده ، خروجی مدار به حالت ناپایدار در خواهد آمد. 

نوسان سازهای رادیویی (Radioferq - RF)

نوسان سازهای رادیویی همانطور که از نامشان پیداست برای تولید امواج در محدوده فرکانسی رادیویی برای بکار گیری در مدارهای مخابراتی طراحی و ساخته می‌شوند. در این نوع نوسان سازها شبکه فیدبک به صورت LC (سلف و خازن) و بکار گیری سه روش پایه‌ای آرمسترانگ ، کولپیتس و هارتلی قابل پیاده سازی می باشند. بنا به خاصیت فیلتری مدارات LC و عبور دادن محدوده فرکانسی مشخصی از خود ، دستیابی به فرکانس مورد نظر شکل موج خروجی از طریق محاسبه مقادیر L و C شبکه فیدبک امکان پذیر می‌باشد.

بطوری که تنها موج با فرکانس تعیین شده می‌تواند از خروجی و از طریق مسیر فیدبک به ورودی اعمال گردد. این روزها به دلیل مشکلات طراحی از طریق مدار و دستیابی دقیق به فرکانس مورد نظر از عنصری به نام کریستال استفاده می‌گردد. کریستالها از مواد پیزو الکتریک که خاصیت جالبی دارند ساخته می‌شوند. این ویژگی عبارت است از اینکه هرگاه به این مواد ولتاژ الکتریکی اعمال شود شروع به لرزش و تکان مکانیکی ، با فرکانس مشخصی می‌نمایند و اگر به آنها لرزه وارد شود ولتاژ ضعیف الکتریکی تولید می‌نمایند. کریستالها علاوه بر نوسان سازهای رادیویی در سایر نوسان سازهای دیگر نیز به عنوان عنصر فرکانسی مهم و مطمئن کاربرد دارد و نقش خود را ایفا می‌نماید. نوسان سازهای رادیویی را در صورتهای مختلف ، بسته به محل بکارگیری این در سیستمهای مخابراتی و با محدوده فرکانسی متنوع رادیویی می‌توان دید. 

نوسان سازهای منطقی

در سیستم دیجیتالی تولید پالس ساعت با شکل موج و فرکانس قابل قبول از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. برای تولید پالس ساعت مورد نیاز سیستم می‌توان از امکانات موجود در آی سی‌های TTL (سری 7400) و CMOS (سری 4000) به همراه قطعات جانبی استفاده نمود. در مواردی که اهمیت پایداری فرکانس در حداقل ممکن خود قرار می‌گیرد می‌توان مدار نوسان ساز را با استفاده از گیتهای منطقی ، مقاومت و خازن (RC) ساخت. در شکل زیر یک نمونه نوسان ساز پالس ساعت CMOS را مشاهده می‌نمایند. در کاربردهای دقیقتر ، استفاده از کریستال به همراه مدار RC بسیار متداول می‌باشد. همانطور که گفته شد کریستالها در اطراف فرکانس کار خود ، نوسان می‌نمایند. بنابراین در طراحی این نوع مدارها تعیین مقدار C , R برای بکار گیری صحیح کریستال مهم می‌باشد. در موارد حساستر مانند سیستمهای ریز پردازنده (میکرو پروسسوری) اغلب آی سی‌های پالس ساعت مخصوص چه به صورت مجزا و یا درون آنها ساخته می‌شود که کریستالها را در رابطه با آنها بکار می‌گیرند. 

مسیر اصلی نوسان سازها

تا کنون صرف نظر از قسمت (شبکه) فیدبک نوسان سازهای با فیدبک در بخش مسیر اصلی نوسان سازها (قسمت تقویت کننده) مدارهای ترانزیستوری و منطقی را ملاحظه کردید. در بسیاری از موارد ، بکار گیری تقویت کننده‌های عملیاتی در این بخش می‌تواند علاوه بر ساده سازی مراحل طراحی ، امکان تولید شکل موجهای مختلف از قبیل سینوسی ، مربعی و مثلثی را ایجاد نماید. تقویت کننده‌های عملیاتی را اغلب با شبکه‌های RC به صورت نوسان ساز طراحی می‌نمایند. در شکل زیر نمونه‌ای از مدار نوسان ساز با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و شبکه RC را مشاهده می نمائید. 

تبدیل شکل موج سینوسی به مربعی

مدار مقابل می‌تواند با استفاده ورودی سینوسی آن را به شکل موج مربعی تبدیل نماید در واقع مدار فوق خود به تنهایی به عنوان نوسان ساز شناخته نمی‌شود بلکه به عنوان مکمل نوسان ساز تلقی می شود. 

تبدیل شکل موج مربعی به مثلثی

تقویت کننده‌های عملیاتی بکار رفته در مدارهای فوق بسته به محدوده فرکانسی موج و ملاحظات مداری می‌توانند متفاوت باشند. بطور مثال یکی از تقویت کننده‌های عملیاتی معمول LM399 است که می‌تواند با یک منبع تغذیه بر خلاف تقویت کننده عملیاتی 741 کار نماید که به عنوان یک امتیاز برای آن تلقی می‌گردد. 

 

 


اسیلاتور یا نوسانساز چیست؟


اسیلاتور یا نوسان ساز مداری است که پس از طی مدت زمان کوتاهی پس از اتصال تغذیه مستقیم، به نوسان پایدار میرسد. 
اسیلاتورها در ابتدا با استفاده از فیدبک مثبت ناپایدار شده و دامنه نوسان رو به افزایش مینهد. اما در دامنهای معین این افزایش دامنه متوقف شده و نوسانساز در آن دامنه شروع به نوسان میکند. 
به طور خلاصه خصوصیات یک اسیلاتور را میتوان به شرح زیر توصیف نمود: 
یک اسیلاتور بایستی دارای فیدبک مثبت برای افزایش دامنه نوسانات باشد. 
یک اسیلاتور میبایست پس از رسیدن به دامنه نهایی از ناپایدار شدن نوسانات جلوگیری کند. و با آن دامنه به نوسانات خود ادامه دهد. این امر از طرق مختلفی قابل دستیابی است. برای مثال استفاده از خاصیت بهره ترانزیستور که در آن با افزایش دامنه سیگنال اعمالی به بیس ترانزیستور، بهره تقویتی ترانزستور کاهش مییابد و به جای تقویت، تضعیف صورت میگیرد. بهره متغیر ترانزیستور با پارامتر شکست در تجزیه (امکان ایجاد یا نوشتن اطلاعات در پوشه موقت (temp) ریاضی وجود ندارد.): G(x) 
‎ نشان داده میشود و با سیگنال اعمالی به بیس ترانزیستور رابطه معکوس دارد.

وظیفه اصلی اسیلاتور ایجاد فرکانس یا همون نوسان هست که با فرکانسهای مختلفی و البته شکل های مختلف شکل میگیره. کاربرد اسیلاتورها در مخابرات برای عمل مدولاسیون کاربرد داره.به این صورت که یه فرکانس کم با طول موج زیاد(مثل صدا) رو روی به فرکانس زیاد با طول موج کم سوار میکنند که یه سری مزیت ها داره،مثلا نویز پذیری سیگنال رو در مدولاسیون FM بسیار کم میکنه و مهمتر از همه طول آنتن گیرنده و فرستنده رو کاهش میده.اثبات ریاضی یادم نیست ولی یادمه اگه یه موج صدا مدوله نمیشد طول آنتن فرستنده و گیرندش به حدود 1 کیلو متر میرسید.درصورتی که الآن حدود چند سانتی متره.البته این فقط یکی از کاربردهای بیشمار اسیلاتورهاست. و مدار تانک هم یه بخشی از اسیلاتوهاست.یعنی یه جورایی اصلی ترین قسمت اسلاتور هستش.مدار تانک نوسان میکنه و باقی مدار پایداری نوسانات و شکل موج خروجی و... رو به عهداه دارن. یکی دیگه از کاربردهای اسیلاتورها در تلویزیون،رادیو،مخابرات،تلفن همراه و... هستش.حتی بهتره بدونی فرکانس کاری میکروکنترلر ها رو هم اسیلاتور تعیین میکنه.بستگی داره توی چه علمی از اسیلاتور استفاده کنی که در هر علم کاربردش تفاوت داره.

نوسان‌ساز

یک نوسان ساز الکتریکی، مدار الکتریکی است که سیگنال الکتریکی تکرارشونده ،نوسانی تولید می‌کند، اغلب یک موج سینوسی یا یکموج مربعی. نوسان سازها جریان مستقیم(DC)را از منبع تغذیه به سیگنالی با جریان متناوب تبدیل می‌کنند.این‌ها به طور گسترده درخیلی از دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند .مثال‌های رایجی از سیگنال‌هایی که توسط نوسان سازها تولید می‌شوند شامل سیگنال‌هایی که توسطفرستنده‌های رادیو و تلویزیون ، پخش می‌شوند، علامت زمان سنجی که ساعت‌های کامپیوترها و کوارتزها را تنظیم می‌کنند و صدای تولید شده توسط بیپر الکترونیکی وبازی‌های ویدیویی است.

نوسان سازها اغلب توسطفرکانس سیگنال خروجی خود توصیف می‌شوند .

  • یک نوسان ساز صوتی ،فرکانس‌هایی را در محدوده صوتی تولید می‌کند،تقریبا از20HZ تا 20KHZ .
  • یک نوسان ساز RF، سیگنال‌هایی را در محدوده فرکانس رادیویی از 100KHZ تا 100GHZ تولید می‌کند .
  • یکنوسان ساز فرکانس پایین، یک نوسان ساز الکترونیکی است که فرکانس‌های زیر 20HZ تولید می‌کند . این واژه به طور نوعی در زمینه ترکیب کننده‌های صوتی استفاده می‌شود، برای تشخیص دادن ان از یک نوسان ساز فرکانس صوتی .

نوسان سازهایی که برای تولید یک خروجی AC توان بالا از یک منبع DC طراحی شده‌اند معمولا مبدل‌ها نامیده می‌شوند. دو نوع اصلی از نوسان سازها وجود دارد : نوسان ساز خطی یا هارمونیک و نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون.

نوسان ساز خطی

نمودار بلوکی یک نوسان ساز خطی پس خورد; تقویت کننده A با خروجی ولتاژش از طریق یک فیلتر به ورودی ولتاژش فید بک می‌شود .

نوسان ساز هارمونیک ، یا خطی یک خروجی سینوسی تولید می‌کند . دو نوع وجود دارد :

نوسان ساز بازخورد

رایج ترین نوع یک نوسان ساز خطی ،یک تقویت کننده الکترونیکی مثل یکترانزیستور یا آپ امپی است که در یک حلقه وصل شده به گونه‌ای که خروجی آن از طریق یک فیلتر الکترونیکی مناسب فرکانس برای تولید بازخورد مثبت به ورودی اش پس خورد می‌شود. وقتی توان به تقویت کننده تحویل داده می‌شود و برای اولین بار وصل می‌شود، نویز الکترونیکی در مدار یک سیگنالی را به وجود می اورد تا نوسان سازی شروع شود،نویز در حلقه می‌چرخد و تقویت می‌شود و فیلتر می‌شود تا خیلی سریع به یک موج سینوسی با فرکانس واحد تبدیل می‌شود.

مدارهای نوسان ساز بازخورد می‌توانند مطابق با نوع فیلتر انتخاب کننده فرکانس که در حلقه بازخورد استفاده می‌کنند طبقه بندی شوند.

  • در مدار نوسان ساز RC ، فیلتر شبکه از مقاومت‌ها و خازن هاست ،نوسان سازهای RC بیشتر برای تولید فرکانس‌های پایین تر استفاده می‌شوند، به عنوان مثال در محدوده صوتی .انواع رایج نوسان سازهای RC ، نوسان ساز تغییر فاز و نوسان ساز پل ویناست.
  • در مدار نوسان ساز LC، فیلتر یک مدار تشدید (اغلب مدار مخزنی نامیده می‌شود) شامل یکالقاگر( L ) و خازن( C ) که به هم وصل هستند، است . بار بین صفحه‌های خازن از طریق القاگر جلو و عقب می‌رود و جابه جا می‌شود، بنابراین مدار تشدید می‌تواند انرژی الکتریکی نوسانی را در فرکانس تشدیدش ذخیره کند . در مدار مخزنی مقدار کمی اتلاف وجود دارد ،اما تقویت کننده ان اتلاف را جبران می‌کند و انرژی را برای سیگنال خروجی فراهم می‌کند. نوسان‌های LC اغلب در فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌شوند ، وقتی یک منبع فرکانس تنظیم پذیر لازم است ،مثل تولید کننده‌های سیگنال ، فرستنده‌های رادیویی تنظیم پذیر و نوسان سازهای موجود درگیرنده‌های رادیویی. مدارهای نوسان ساز LC نوعی ، مدارهای هارتلی ،کولپیتس و کلاپ هستند .
  • در یک مدار نوسان ساز کریستالی ، فیلتر یک کریستال فیزوالکتریک ( معمولا یک کریستال کوارتز )است . کریستال به طور مکانیکی مثل یک تشدیدگر می‌لرزد ، و فرکانس لرزش ان ، فرکانس نوسان ساز را تعیین می‌کند . کریستال دارای عامل Q خیلی بالایی است ، همچنین پایداری دمای بهتری نسبت به مدارهای میزان شده دارد ، بنابراین نوسان سازهای کریستالی پایداری فرکانس بهتری نسبت به نوسان سازهای LC و RC دارند. ان‌ها برای ثابت کردن فرکانس بیشترفرستنده‌های رادیویی و برای تولید علامت زمان سنج در کامپیوترها و ساعت‌های کوارتز استفاده می‌شوند . نوسان سازهای کریستالی اغلب از مدارهای مشابه استفاده می‌کنند مثل نوسان سازهای LC ، با کریستالی که جایگزین مدار تشدید می‌شود ; مدارهای نوسان ساز شکست معمولا استفاده می‌شوند. کریستال‌های کوارتز به طور کلی به فرکانس 30MHZ یا کمتر محدودند. دستگاه‌های سطح موج صوتی نوع دیگری از تشدیدگرهای فیزیوالکتریکی هستند که در نوسان سازهای کریستالی استفاده می‌شوند که می‌توانند به فرکانس‌های بالاتر برسند. این‌ها در وسایل مخصوصی که نیاز به فرکانس بالا دارند مثل تلفن‌های سلول دار استفاده می‌شوند .
نوسان ساز مقاومت منفی

نمودار بلوکی نوعی یک نوسان ساز مقاومت منفی . در بعضی نوع‌ها ، دستگاه مقاومت منفی با مدار تشدید موازی وصل شده است. علاوه بر نوسان سازهای بازخوردی که در بالا توصیف شد که المان‌های فعال تقویت کننده با دو ورودی مثل ترانزیستور و آپ امپ استفاده می‌کنند ، نوسان سازهای خطی هم می‌توانند با استفاده از دستگاه‌هایی با یک ورودی ( دو ترمینال ) با مقاومت منفی مثل تیوب‌های ماگنترون ،دیودهای تونلی و دیودهای کان ساخته شوند . نوسان سازهای مقاومت منفی اغلب در فرکانس‌های بالا در محدوده

/ 1 نظر / 1569 بازدید
سام

سلام پاشو بیا یه سری هم به ما بزن یه معمای جالب جدیدم قرار دادم خوشحال میشم جوابش رو بدی http://jbums.ir/2014/05/chistan/ نظر نشه فراموش منتظرت هستم راستی اس ام اس کوتاه عاشقانم گذاشتیم توی سایت