مثال نوسان ساز هارتلی

مهندسی برق

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.

دانش آموز ایرانی

پایگاه فرهنگی و پژوهشی یک نیشابوری سمپادی قدیم و یک دانشجوی داروسازی جدید

نوسان ساز هاي سينوسي

نوسان ساز هاي سينوسي كاربرد گسترده اي در الكترونيك دارند.اين نوسان سلز ها منبع حامل فرستنده ها را تامين مي كنندوبخشي از مبدل فركانس را در گيرنده هاي سوپر هيترودين تشكيل مي دهند.نوسان ساز ها در پاك كردن وتوليد مغناطيسي در ضبط مغناطيسي و زمانبندي پالسهاي ساعت در كار هاي ديجيتال به كار مي روند.بسياري از وسايل اندازه گيري الكترونيكي مثل ظرفيت سنج ها نوسان ساز دارند.

نوسان ساز هاي سينوسي انواع مختلفي دارند اما همه آنها از دو بخش اساسي تشكيل مي شوند:
بخش تعيين كننده فركانس كه ممكن است يك مدار تشديد يا يك شبكه خازن مقاومتي باشد.مدار تشديد بسته به فركانس لازم مي تواند تركيبي از سلف و خازن فشرده طولي ازخط انتقال يا تشديد كننده حفره اي باشد.البته شبكه هاي خازن مقاومتي فركانس طبيعي ندارندولي مي توان از جابه جايي فاز آنها براي تعيين فركانس نوسان استفاده كرد.

نوسان ساز هاي سينوسي كاربرد گسترده اي در الكترونيك دارند.اين نوسان سلز ها منبع حامل فرستنده ها را تامين مي كنندوبخشي از مبدل فركانس را در گيرنده هاي سوپر هيترودين تشكيل مي دهند.نوسان ساز ها در پاك كردن وتوليد مغناطيسي در ضبط مغناطيسي و زمانبندي پالسهاي ساعت در كار هاي ديجيتال به كار مي روند.بسياري از وسايل اندازه گيري الكترونيكي مثل ظرفيت سنج ها نوسان ساز دارند.
نوسان ساز هاي سينوسي انواع مختلفي دارند اما همه آنها از دو بخش اساسي تشكيل مي شوند:
بخش تعيين كننده فركانس كه ممكن است يك مدار تشديد يا يك شبكه خازن مقاومتي باشد.مدار تشديد بسته به فركانس لازم مي تواند تركيبي از سلف و خازن فشرده طولي ازخط انتقال يا تشديد كننده حفره اي باشد.البته شبكه هاي خازن مقاومتي فركانس طبيعي ندارندولي مي توان از جابه جايي فاز آنها براي تعيين فركانس نوسان استفاده كرد.
دوم بخش نگهدارنده كه انرژي رابه مدار تشديد تغذيه مي كند تا آن را در حالت نوسان نگه دارد.بخش نگه مثال نوسان ساز هارتلی دارنده به يك تغذيه نياز دارد. در بسياري از نوسان ساز ها اين قسمت قطعه اي فعال مثل يك ترانزيستور است كه پالسهاي منظمي را به مدار تشديد تغذيه مي كند.
شكل ديگري از بخش نگهدارنده تشديد نوسان ساز يك منبع با مقاومت منفي يعني قطعه يا مداري الكترونيكي است كه افزايش ولتاز اعمال شده به آن سبب كاهش جريان آن مي شود. قطعات نيمه رسانا يا مدار هاي متعددي وجود دارند كه داراي چنين مشخصه اي هستند.


سه دسته مشخص از نوسان ساز ها را مي توان دسته بندي كرد كه در ادامه اين مقاله توضيح خواهم داد:
نوسان ساز هاي فيد بك مثبت
ابتدا بهتر مي دانم تا كمي در باره فيد بك توضيح بدهم
به طور كلي هر سيستم داراي ورودي و خروجي مي باشد حا لا اگر بنا به هر علتي مقداري از خرو جي را با ورودي ها تركيب كرده و وارد يك سيستم كنيم به اين كار فيد بك گفته مي شود كه كار برد هاي فراواني در دنياي تكنولوژي دارد براي نمونه از فيد بك براي كنترول فرايند يك سيستم استفاده مي شود مثلاَ در هنگام راه رفتن شما يك سيستم(خيلي مدرن) هستيد كه اطلاعات را با چشم خود گرفته و به مغز مي فرستيد ودر آنجا پردازش شده تصميم مي گيريد كه چه كار كنيد اما در مورد فيد بك مثبت با يد بگويم كه دو نوع فيد بك را مي توان در نظر گرفت منفي و مثبت. در فيد بك مثبت كه يك مثال جالب از آن را در بالا برايتان بيان كردم هدف اغلب كنترول يك فرايند است يك مثال ديگر فرض كنيد يك ظرف از مايعي كه در حال جوشيدن است در تماس با يك منبع گرما مثل شعله گاز قرار دارد با گرم شدن بيش از حد مايع از ظرف بيرون مي ريزد وآتش را كم مي كند و دماي مايع را كاهش مي دهد وبا كاهش دماي ما يع آتش دوباره احيا مي شود ومايع دو باره گرم شده وسر ريز مي كند و دوباره . اما در فيد بك مثبت خرو جي به ورودي اضافه مي شود واز فيد بك مثبت به همين دليل براي تشديد استفاده مي شود همان مثال قبل را در نظر بگيريد با يك مايع آتشزا اين بار با گرم شدن مايع و سر ريز آن آتش شدشدتر مي شود وهمين طور تا آخر.
نكته مهم اين است كه در دنياي مادي همه چيز روبه ميرايي و مردن ميرود (اي روزگار نا مراد)وچيز هايي مثل اصطكاك هميشه(بعضي موقع هاي بيشتر)مزاحم هستند در باره نوسان هم ميرايي باعث كاهش دامنه نوسان و از بين رفتن آن مي شود بنا براين از فيد بك مثبت براي جبران اين ميرايي استفاده مي كنيم.
انواع مختلفي از نوسان ساز ها كه از فيد بك مثبت استفاده مي كنند وجود دارد.
نوسان ساز هارتلي
اين نوسان ساز نمونه اي از نوسان ساز هاي فركانس پايين است كه با استفاده از مدار فركانس را تعيين مي كند ويك ترانزيستور نيز تامين كننده پالس هاي نگه دارنده است.مدار شكل زير يك تقويت كننده اميتر مشترك را نشان مي دهد كه مدار بين كلكتور و بيس آن متصل شده است سر وسط سلف به طور موثر به اميتر متصل شده است (مقاومت منبع تغذيه برابر صفر فرض مي شود). تقويت كننده اميتر مشترك سيگنال ورودي خود را معكوس مي كند و سيگنال خروجي آن با سر وسط زمين شده سلف قبل از اعمال به بيس معكوس مي شود.در نتيجه در اين مدار ورودي را خود تقويت كننده تا مين مي كند. يعني فيد بك مثبت قابل تو جهي كه وجود دارد باعث ايجاد نوسان مي شود و دامنه سيگنال (در فر كانس تشديد ) به سرعت افزايش مي يابد.پالسهاي ناشي از جريان بيس را پر مي كنند در نتيجه جهت ولتاژ تو ليد شده بيس را به طور منفي باياس مي كند با افزايش دامنه سيگنال ولتاز دو سر نيز زياد مي شود تا به حالت تعادل بر سد. حالت تعادل زماني روي مي دهد كه اتلاف مدار ناشي از بار شدن خروجي مقاومت اهمي و جريان بيس با انرژي وارد شده از كلكتور به اين خازن برابرشود.در اين شرايط نهايي ترانزيستور مي تواند به خوبي در بيشتر قسمتهاي سيكل قطع باشد ودر هر قله مثبت بيس پالس ناگهاني به جريان بيس (وجريان كلكتو)اعمال شود.در فاصله زماني بين دو فله متوالي از طريق شروع به تخليه مي كند. اما اگر يك ثابت زماني در مقايسه با زمان تناوب نوسان بزرگ باشد مقدار كمي از ولتاژ دو سر در اين فاصله زماني از بين مي رود و مي توان را به عنوان يك منبع ثابت باياس منفي در نظر گرفت . در بسياري از نوسان ساز ها از اين روش باياس كردن استفاده مي شود. اين روش داراي مزيت جبران سازي براي هر گونه افت دامنه نوسان در اثر افزايش بار خروجي يا افت ولتاژ منبع تغذيه است.كاهش دامنه نوسان باعث كاهش باياس مي شود به طوري كه ترانزيستور پالس هاي جريان بزرگتري براي ثابت نگه داشتن دامنه مي گيرد.

نو سان ساز كلپيتس
نكته مهم در شكل بالانياز به وجود سه اتصال ميان مدار تنظيم شده و ترانزيستور براي ايجاد فيد بك مثبت است. اميتر به سر وسط سلف متصل مي شود ولي مي توان آن را به صورت معادل با استفاده از دو خازن برابر به طور سري مانند شكل بعد به شاخه خازني مدار متصل كرد.در اين نوسان ساز از يك فت اتصالي با مقاومت در مدار درين استفاده شده و مدار با خازن به در ين متصل شده است. بنا بر اين مدار بر خلاف تغذيه مستقيم شكل اول به طور موازي تغذيه مي شود.
خازن هاي تعيين كننده فركانس و با خازن هاي ورودي و خروجي ترانزيستور موازي هستند و در نتيجه اين خازنها در تعيين فر كانس نوسان نيز تاثير دارند. با بزرگتر كردن و تا حد امكان تاثير اين خازنها به حد اقل مي رسد.از سوي ديگر اگربه نوساني با فر كانس بالا نياز باشد خازنهاي تنظيم بايد خيلي كوچك باشند. در اين موارد مي توان از خازنهاي ورودي و خروجي ترانزيستور به جايواستفاده كرد. يك خازن متغيير كوچك مانند شكل سوم براي تنظيم به دو سر سلف متصل مي شود. در اين مدار نيز كه با پالسهاي جريان گيت شارژ و از طريق تخليه مي شود به طور خود كار باياس لازم را تامين مي كند. براي آنكه امكان زمين شدن سر متغيير خازن (و در نتيجه بيس ترانزيستور) وجود داشته باشد يك چوك با امپدانس زياد در فر كانس كار به مدار اميتر افزوده مي شود.
هر سه نوسان ساز بالا كه شرح دادم در كلاس براي دامنه هاي نوسان بزرگ عمل مي كنند. براي به دست آوردن شكل موج سينوسي خروجي را بايد از مدار گرفت. مثلا با سيم پيچي كه مانند شكل اول و دوم به طور القايي به مدار متصل مي شود.اگر خروجي از خود ترانزيستور گرفته شود مثلا از مقاومتي در مدار اميتر يا سورس قطار پالسي با فر كانس تكراري برابر با فركانس تشديد به دست مي آيد.

نوسان ساز راينارتز
اين نوسان ساز چون زياد در گيرنده هاي ترانزيستوري استفاده مي شود بايد حتما در بارش مي نوشتم.در اين مدار فيد بك مثبت با اتصال مدار كلكتور به مدار اميتر با القاي متقابل وتامين مي شود. و هر دوبه مدار تعيين كننده فركانسنيز متصل هستند. اين نوسان ساز به روش تقسيم ولتاژ پايدار مي شود ولي همانطور كه نشان داده شده است اثر بازوي پاييني مقسم ولتاژ بايد با خازن كم مقاومتي خنثي شود تا سيگنال توليد شده در دوسرمستقيما بين بيس و اميتر اعمال شود . در نگاه اول به نظر مي رسد كه بخش تعيين كننده فركانس در نوسان ساز راينرتز چهار اتصال دارد ولي اتصال مثبت و منفي منبع تغذيه در واقع مشترك هستند زيرا امپدانس منبع در فركانس نوسان ناچيز است يا بهتر است كه چنين باشد.

نوسان ساز كنترل شده كريستالي
و اما از همه مهمتر كه حتما بايد در باره ا ش بدانيد اين مورد است چون در بعضي كاربرد ها لازم كه نوسان ساز پايداري فركانسي زيادي داشته باشد يعني يك فر كانس ثابت را بدون وابستگي به عوامل ديگر توليد كند مثل منبع موج حامل در فرستنده ها اگر كنترل تلويزيون را ديده باشيد احتمالا يك قطعه مكعبي زرد رنگ(كريستال) را در آن ديده ايد يا مدار تلويزيون يا بعضي راديو ها واز ديگر جاهايي كه اين نوسان ساز به كار مي رود منابع توليد كننده پالسهاي ساعت در كامپيوتر ها و سيستم هاي ديجيتال است . روش رايج براي به دست آوردن پايداري فركانسي لازم استفاده از كريستال پيزوالكتريك براي كنترل فركانس نوسان است .چنينكريستالهايي(بسته به ابعاد و شكلشان)داراي فركانس تشديد طبيعي هستنددر عمل كريستال بين دو صفحه فلزي نصب مي شود كه اتصال الكتريكي با كريستال را ايجاد مي كند . را ه هاي متعددي بزاي اتصال كريستال به مدار نوسان ساز وجود دارد.كه يك نمونه از آن در شكل بعدي آمده است در اين شكل كريستال بين كلكتور و بيس ترانزيستور وصل شده تا نوسان ساز كلپيتس را تشكيل دهد . خازنهاي داخلي كلكتور بيس و بيس اميتر فيد بك مثبت را تاميين مي كنند. مدار كلكتور نيازي به تنظيم ندارد سيم پيچ ثانويه ترانسفور ماتور نقطه ي خروجي را ايجاد مي كند.

نوسان سازهاي مقاومت منفي
همان طور كه گفتم اگريك مدار تشديد به منبعي با مقاومت منفي مناسب متصل شود نوسان خواهد كرد. كه تفاوت آن با نوسان ساز هايي كه قبلا گفتم اين است كه تنها به دو اتصال به بخش تعيين كننده فركانس نياز دارد.منظور از مقاومت منفي قطعه اي است كه مشخصه انقالي آن(نمودار ولتاژ _جريان) حد اقل در يك محدوده ي كو چك شيب منفي داشته باشد يعني با افزايش ولتاژ لا اقل در بعضي از ناحيه هاي ولتاژي جريان آن كاهش يابدويا با افزايش جريان ولتاژ آن كاهش يابد.اين عنصر مي تواند يك قطعه خواص يا يك مدار باشد كه يكي با كلي فكر طراحي كرده.
براي استفاده از يك مقاومت منفي در يك نوسان ساز از اين نوع بايد مقدار مقاومت منفي برابر مقدار مقاومت مثبت مدار تشديد متصل به آن باشد.
چون اصولا چيزي كه باعث ميرايي دامنه نوسان مي شود مقاومت مثبت است(اي عنصر مزاحم)و تمام اين قصه ها كه گفتيم خلا صه اش اين بود كه چه طور اين ميرايي را جبران كنيم حا لا يك عنصر مطلوب مثل مقا ومت منفي را داريم كه اثر ميرايي مقاومت مثبت را از بين مي برد.
ديود تونل
يكي ازقطعات نيمه رسانا كه مشخصه اش يك مقاومت منفي را نشان مي دهد ديود تونل است . اين قطعه يك ديود است كه غلظت ناخالصي درآن بسيار زياد وپيوند آن بسيارنازك است. شكست در ديود تونل در مقاذير باياس معكوس خيلي پايين اتفاق مي افتد و در نتيجه ناحيه ي مقاومت معكوس زياد وجود ندارد.شيب منفي در باياس مستقيم كم معمولا بين0.1 تا 0.3 ولت ايجاد مي شود.(از اين جا به بعد چند خط حرف بيخود. )_اين مشخصه جالب و عجيب ومفيدو..به دليل نفوذ در سد پتانسيل در پيوند با الكترونهايي كه انرژي كافي براي عبور از اين سد ندارند به وجود مي آيد. اين اثر معروف به اثر تونل در فيزيك كلاسيك غير قابل توجيه است ولي با مكانيك كوانتومي قابل توضيح است . ديود هاي تونل را مي توان باظرفيت خيلي كمي توليد كرد و نوسان ساز هايي كه با آن كار مي كنند در فركانسهاي چند مگا هرتزي قابل ساخت هستند براي به دست آوردن بيشترين مقدار خروجي (يا همان به قول دانشجويان متعال برق ماكزيمم سويينگ متقارن) بايد نقطه كار در وسط ناحيه مقاومت منفي قرار داده شود واضح است كه دامنه خروجي كمتر از يك ولت مي باشد.
نوسان ساز پوش_ پول
مشخصه مقاومت منفي را مثال نوسان ساز هارتلی مي توان از يك مدار دو ترانزيستوري نيز به دست آورد. نمونه اين مدار در شكل زير نشان داده شده است كه اساس آن از يك ملتي ويبراتور استابل تشكيل مي شود.اگر تركيب وجود نداشته باشد شكل موج مربعي خروجي در هر دو كلكتور توليد خواهد كرد و ترانزيستورهابه طور متناوب بين قطع و اشباع تغيير وضعيت خواهند داد. وجود مدار تنظيم شده اين عملكرد را اصلاح مي كند زيرا سلف در فركانس هاي پايين مسيري با امپدانس كم ميان كلكتور ها ايجاد مي كند در حالي كه خازنها اين كار را در فركانس هاي بالا انجام مي دهند كه هر دو عملكرد معمولي مولتي ويبراتور را تحت تاثير قرار خواهد داد عملكرد مدار منطبق بر فركانس تشديد مدار تنظيم شده است كه در آن مدار تنظيم شده بيشترين امپدانس را دارد و در نتيجه خروجي مدار سينوسي است در اين فركانس مقاومت موثر ميان كلكتورها تقريبا برابر است كه قابليت هدايت متقابل ترانزيستور هاو تضعيف مدار هاي تزويج ميان ترانزيستور هاست . يكي از اين مدار هاي تزويج است ولي با خازن ورودي موازي است و اين امر مي تواند در تضعيف مدار تاثير بگذارد . براي ايجاد نوسان بايد مقاومت ديناميكي مدار بيشتر از باشد.

مهندسی کنترل

یک نوسان ساز الکتریکی، مدار الکتریکی است که سیگنال الکتریکی تکرارشونده ،نوسانی تولید می کند، اغلب یک موج سینوسی یا یک موج مربعی . نوسان سازها جریان مستقیم (DC)را از منبع تغذیه به سیگنالی با جریان متناوب تبدیل می کنند.این ها به طور گسترده درخیلی از دستگاه های الکترونیکی استفاده می شوند .مثال های رایجی از سیگنال هایی که توسط نوسان ساز ها تولید می شوند شامل سیگنال هایی که توسط فرستنده های رادیو و تلویزیون ، پخش می شوند، علامت زمان سنجی که ساعت های کامپیوترها و کوارتزها را تنظیم می کنند و صدای تولید شده توسط بیپر الکترونیکی و بازی های ویدیویی است.

نوسان ساز ها اغلب توسط فرکانس سیگنال خروجی خود توصیف می شوند .

یک نوسان ساز صوتی ،فرکانس هایی را در محدوده صوتی تولید می کند،تقریبا از 16KHZ تا 20KHZ .
یک نوسان ساز RF، سیگنال هایی را در محدوده فرکانس رادیویی از 100KHZ تا 100GHZ تولید می کند .
یک نوسان ساز فرکانس پایین، یک نوسان ساز الکترونیکی است که فرکانس های زیر 20HZ تولید می کند .

این واژه به طور نوعی در زمینه ترکیب کننده های صوتی استفاده می شود، برای تشخیص دادن آن از یک نوسان ساز فرکانس صوتی .

نوسان سازهایی که برای تولید یک خروجی AC توان بالا از یک منبع DC طراحی شده اند معمولا مبدل ها نامیده می شوند. دو نوع اصلی از نوسان ساز ها 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 می شود

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

نوسان ساز فید بک

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

مدارهای نوسان ساز فید بک می توانند مطابق با نوع فیلتر انتخاب کننده فرکانس که در حلقه فید بک استفاده می کنند طبقه بندی شوند.

در مدار نوسان ساز RC ، فیلتر شبکه از مقاومت ها و خازن هاست ،نوسان سازهای RC بیشتر برای تولید فرکانسهای پایین تر استفاده می شوند، به عنوان مثال در محدوده صوتی .انواع رایج نوسان ساز های RC ، نوسان ساز تغییر فاز و نوسان ساز پل وین است.

در مدار نوسان ساز LC ، فیلتر یک مدار تشدید (اغلب مدار مخزنی نامیده می شود) شامل یک القاگر( L ) و خازن ( C ) که به هم وصل هستند، است . بار بین صفحه های خازن از طریق القاگر جلو و عقب می رود و جابه جا می شود، بنابراین مدار تشدید می تواند انرژی الکتریکی نوسانی را در فرکانس تشدیدش ذخیره کند . در مدار مخزنی مقدار کمی اتلاف وجود دارد ،اما تقویت کننده ان اتلاف را جبران می کند و انرژی را برای سیگنال خروجی فراهم می کند. نوسان های LC اغلب در فرکانس های رادیویی استفاده می شوند ، وقتی یک منبع فرکانس تنظیم پذیر لازم است ،مثل تولید کننده های سیگنال ، فرستنده های رادیویی تنظیم پذیر و نوسان ساز های موجود در گیرنده های رادیویی. مدارهای نوسان ساز LC نوعی ، مدارهای هارتلی ،کولپیتس و کلاپ هستند .

در مدار نوسان ساز کریستالی ، فیلتر یک کریستال فیزوالکتریک ( معمولا یک کریستال کوارتز )است . کریستال به طور مکانیکی مثل یک تشدیدگر می لرزد ، و فرکانس لرزش آن ، فرکانس نوسان ساز را تعیین می کند . 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. آن ها برای ثابت کردن فرکانس بیشتر فرستنده های رادیویی و برای تولید علامت زمان سنج در کامپیوترها و ساعت های کوارتز استفاده می شوند . نوسان سازهای کریستالی اغلب از مدارهای مشابه استفاده می کنند مثل نوسان سازهای LC ، با کریستالی که جایگزین مدار تشدید می شود ; مدارهای نوسان ساز شکست معمولا استفاده می شوند. کریستال های کوارتز به طور کلی به فرکانس 30MHZ یا کمتر محدودند. دستگاه های سطح موج صوتی نوع دیگری از تشدیدگرهای فیزیوالکتریکی هستند که در نوسان سازهای کریستالی استفاده می شوند که می توانند به فرکانس های بالاتر برسند. این ها در وسایل مخصوصی که نیاز به فرکانس بالا دارند مثل تلفن های سلول دار استفاده می شوند .

نوسان ساز مقاومت منفی

نمودار بلوکی نوعی یک نوسان ساز مقاومت منفی . در بعضی نوع ها ، دستگاه مقاومت منفی با مدار تشدید موازی وصل شده است. علاوه بر نوسان ساز های فیدبکی که در بالا توصیف شد که المان های فعال تقویت کننده با دو ورودی مثل ترانزیستور و آپ امپ استفاده می کنند ، نوسان سازهای خطی هم می توانند با استفاده از دستگاه هایی با یک ورودی ( دو ترمینال ) با مقاومت منفی مثل تیوب های ماگنترون ، دیودهای تونلی و دیودهای کان ساخته شوند .

نوسان سازهای مقاومت منفی اغلب در فرکانس های بالا در محدوده میکرو موج و بالا استفاده می شوند ، چون در این فرکانس ها نوسان سازهای فیدبک به طور ناچیز کار می کنند که باعث تغییر فاز زیاد در راه فیدبک می شود. در نوسان سازهای مقاومت منفی ، مدار تشدید ، مثل مدار LC ، کریستالی ،یا تشدیدگر جعبه ای ، در میان دستگاه با مقاومت دیفرانسیلی منفی وصل شده و ولتاژ DC بایاس برای فراهم شدن انرژی اعمال می شود .

مدار تشدید خودش تقریبا یک نوسان ساز است ، اگر برانگیخته شود، می تواند انرژی را به عنوان نوسان الکتریکی ذخیره کند ، اما چون مقداری مقاومت داخلی دارد یا سایر اتلاف ها ، نوسانات میرا می شوند و به صفر افت می کنند . در اثر ایجاد یک تشدیدگر با هیچ میرایی، که نوسانات پیوسته خود به خود در فرکانس تشدید تولید می کند، مقاومت منفی دستگاه های فعال ،اتلاف داخلی مقاومت را در تشدیدگر لغو می کند .

تعدادی از مدارهای نوسان ساز خطی :

نوسان ساز آرمسترانگ
نوسان ساز هارتلی
نوسان ساز کولپیتس
نوسانساز کلاپ
نوسان ساز خط تاخیر
نوسان ساز شکست ( کریستال)
نوسان ساز تغییر فاز
نوسان ساز RC (پل وین و تی وین -تی )
نوسان ساز LC تزویج شده
نوسان ساز وکر
نوسان ساز نوری الکترونیکی
نوسان ساز تری -تت
نوسان ساز رابینسون

نوسان ساز رلاکسیون

نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون یک خروجی غیر سینوسی تولید می کند مثل موج مربعی ، دندان اره ای یا مثلثی .آن شامل یک المان ذخیره کننده انرژی (یک خازن ، یا به ندرت یک القاگر) و یک مدار سویچ کننده غیرخطی ( یک بست ،اشمیت تریگر، یا المان مقاومت منفی ) که به صورت دوره ای انرژی ذخیره شده در المان ذخیره کننده را شارژ و دشارژ می کند که باعث تغییر ناگهانی در شکل موج خروجی می شود. نوسان ساز رلاکسیون موج مربعی برای تولید علامت زمان سنجی مدارهای منطق ترتیبی مثل ، تایمرها و شمارنده ها استفاده می شوند ، اگرچه نوسان سازهای بلوری اغلب به خاطر پایداری بیشتر ترجیح داده می شوند .

نوسان سازهای موج مثلثی یا دندان اره ای در مدارهای زمان مبنا که سیگنال های افقی برای لوله پرتو کاتدی در اسیلوسکوپ های انالوگ و دستگاه های تلویزیون تولید می کنند ، استفاده می شوند. در فانکشن ژنراتورها این موج مثلثی ممکن است با یک تقریب نزدیک به شکل یک موج سینوسی درآید.

نوسان سازهای حلقه ای از یک حلقه از طبقه های تاخیر فعال ساخته شده اند. در حالت کلی حلقه اعداد فرد تبدیل طبقات را دارد، بنابراین هیچ حالت پایداری برای حلقه ولتاژ داخلی وجود ندارد. درعوض یک انتقال حالت بدون پایان در اطراف حلقه پخش می شود .

انواع مدارهای نوسان ساز رلاکسیون شامل :

لرزه گر مرکب
نوسان ساز حلقه ای
نوسان ساز خط تآخیر
نوسان ساز رویر
نوسان ساز موج چرخان

مقایسه بین نوسان سازهای هارتلی و کولپیتس

تاریخچه
یکی از نوسان سازهای الکترونیکی بود که توسط الیهو توماس در 1892 ساخته شد. نوسان ساز توماس مدار تشدیدLC موازی را با قوس جایگزین کرد ، که از الکترودهای فلزی استفاده می کرد ، و شامل ترکیدن مغناطیسی می شد. یک آهنگ قوس دیگر توسط ویلیام دودل در 1900 توصیف شد ; دودل از الکترودهای کربنی استفاده کرد ولی از ترکیدن مغناطیسی استفاده نکرد . قوس های الکتریکی برای بهتر تولید شدت روشنایی در قرن 19 استفاده می شدند، اما جریان قوس پایدار نبود ، آن ها اغلب صداهای هیس ،وزوز کردن یا زوزه تولید می کردند. دودل یک دانشجو در کالج صنعتی لندن درباره این اثر تحقیق کرد.

او مدار LC را به الکترودهای قوس لامپ و مقاومت منفی قوس که فرکانس صوتی نوسانات را در مدار تشدید در فرکانس تشدید ش تحریک می کرد ، وصل کرد . بعضی از انرژی هایی که مثل امواج صوتی از قوس پخش می شوند ، تولید یک آهنگ موسیقی می کنند. دودل برای ثبت کردن نوسان سازش قبل از مؤسسه مهندسان برق لندن ، یک سری از مدارهای تشدید را به قوس سیم کشی کرد و یک آهنگ را نواخت ، " خدا ملکه را نجات دهد " .دودل اختراعش را بیشتر توسعه نداد ، اما در 1902 فیزیکدان های دانمارکی ولدمار پولسن و پی . او. پدرسون قادر بودند فرکانس تولید شده در محدوده رادیویی را افزایش دهند ، مبدل فرستنده قوس رادیریی پولسن ، اولین فرستنده موج رادیویی پیوسته بود که در سال 1920 استفاده شد .

نوسان ساز فیدبک تیوب خلا در سال 1912 اختراع شد. وقتی که کشف شد ، فیدبک در تیوب خلا صوت اخیرا کشف شده می تواند نوسان هایی تولید کند. حداقل شش محقق به طور جداگانه این کشف را انجام دادند ، می توان گفت که نقشی در اختراع داشتند. در تابستان 1912 ادوین ارمسترانگ نوسانات را در مدارهای گیرنده رادیویی صوت مشاهده کرد و در صدد استفاده از فیدبک مثبت در اختراع گیرنده احیا کننده اش برآمد. الکساندر میسنر آلمانی به طور جداگانه فیدبک مثبت را کشف کرد و نوسان سازها را در مارج 1913 اختراع کرد. اروینگ لانگ میور در الکتریک عمومی فیدبک را در 1913 مشاهده کرد .

فریتز لاوستین ممکن است با یک نوسان ساز خام در 1911 از بقیه جلوتر بوده باشد . در بریتانیا اچ. جی .روند مدارهای تقویت کنندگی و نوسان سازی را در 1913 ثبت کرد. در اگوست 1912 لی د فوریست مخترع صوت ، نیز نوسانات را در تقویت کننده اش مشاهده کرد اما نتوانست معنی و مفهوم ان را بفهمد و سعی کود ان را نادیده بگیرد. تا اینکه او حق ثبت اختراع آمسترانگ را در 1914 خواند و خیلی سریع به چالش کشیده شد . آمسترانگ و د فورست جنگ حقوقی طولانی بر سر حقرق مدارهای نوسان ساز احیا کننده داشتند که " پیچیده ترین دادخواهی حق امتیاز در تاریخ رادیو " نامیده شده است. د فورست سرانجام قبل از دیوان عالی کشور در 1934 بر اساس تکنیک پیروز شد ، اما بیشتر منابع ادعای آمسترانگ را قوی تر می دانند .

نوسان سازهای فیدبک در سال 1920 اساس انتقال رادیو شدند. مسایل ریاضی برای نوسانات فیدبک امروزه بارخایوسن کریتریون نامیده می شوند، که توسط هنریک جورج بارخایوسن در 1921 نتیجه گرفته شد. اولین مدل ریاضی پایدار نوسان ساز الکتریکی ، نوسان ساز ون در پل ، توسط بالتاسار ون در پل در 1927 استنتاج شد. او نشان داد که پایداری نوسانات ( سیکل های محدود ) در نوسان سازهای واقعی به خاطر دستگاه های تقویت کننده غیرخطی است

به طور خلاصه خصوصیات یک اسیلاتور را می‌توان به شرح زیر توصیف نمود:

اسیلاتور یا نوسان‌ساز 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.

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 (Gx) نشان داده می‌شود و با سیگنال اعمالی به بیس ترانزیستور رابطه معکوس دارد.

انواع نوسان سازها

با توجه به همفاز بودن موج ورودی و موج نمونه گیری شده، خروجی مدار به حالت ناپایدار در خواهد آمد.

در مطلب قبل با نوسان الکتریکی، تعدادی از نوسان سازها آشنا شدید، حال نوسان سازهای اصلی را بررسی می کنیم.

نوسان سازها به دو نوع اصلی تقسیم می شوند: 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 یک ترانزیستور 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 یک القاگر( 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 یک مدار نوسان ساز کریستالی، فیلتر یک کریستال فیزو الکتریک ( 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. آنها برای ثابت کردن فرکانس بیشتر فرستنده‌های رادیویی و برای تولید علامت زمان سنج در کامپیوترها و ساعت‌ های کوارتز 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 دستگاه‌ هایی 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 محدودهمیکرو موجو بالا استفاده می‌شوند ، چون در این فرکانس‌ها نوسان سازهای بازخورد به طور ناچیز کار می‌کنند که باعث تغییر فاز زیاد در راه بازخورد می‌شود. در نوسان سازهای مقاومت منفی، مدار تشدید، مثل مدار LC، کریستالی، یا تشدیدگر جعبه‌ای، در میان دستگاه با مقاومت دیفرانسیلی منفی وصل شده و ولتاژ DC بایاس برای فراهم شدن انرژی اعمال می‌شود. مدار تشدید خودش تقریبا یک نوسان ساز است، اگر برانگیخته شود، می‌تواند انرژی را به عنوان نوسان الکتریکی ذخیره کند، اما چون مقداری مقاومت داخلی دارد یا سایر مثال نوسان ساز هارتلی اتلاف‌ها، نوسانات میرا می‌شوند و به صفر افت می‌کنند. در اثر ایجاد یک تشدیدگر با هیچ میرایی، که نوسانات پیوسته خود به خود در فرکانس تشدید تولید می‌کند، مقاومت منفی دستگاه‌های فعال، اتلاف داخلی مقاومت را در تشدیدگر لغو می‌کند.

مدارهای نوسان ساز خطی

نوسان ساز آرمسترانگ، نوسان ساز هارتلی، نوسان ساز کولپیتس، نوسان ساز کلاپ، نوسان ساز خط تاخیر، نوسان ساز شکست ( کریستال)، نوسان ساز تغییر فاز، نوسان ساز RC (پل وین و تی وین -تی )، نوسان ساز LC تزویج شده، نوسان ساز وکر، نوسان ساز نوری الکترونیکی، نوسان ساز تری -تت، نوسان ساز رابینسون، نوسان ساز پیرس، نوسان ساز میلر و نوسان ساز رلاکسیون

نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون یک خروجی غیر سینوسی تولید می‌کند مثل موج مربعی ، دندان اره‌ای یا مثلثی .آن شامل یک المان ذخیره کننده انرژی (یک خازن، یا به ندرت یک القاگر) و یک مدار سویچ کننده غیرخطی ( یک بست، اشمیت تریگر، یا المان مقاومت منفی ) که به صورت دوره‌ای انرژی ذخیره شده در المان ذخیره کننده را شارژ و دشارژ می‌کند که باعث تغییر ناگهانی در شکل موج خروجی می‌شود. نوسان ساز رلاکسیون موج مربعی برای تولید علامت زمان سنجی مدارهای منطق ترتیبی مثل ، تایمرها و شمارنده‌ها استفاده می‌شوند، اگرچه نوسان سازهای بلوری اغلب به خاطر پایداری بیشتر ترجیح داده می‌شوند . نوسان سازهای موج مثلثی یا دندان اره‌ای در مدارهای زمان مبنا که سیگنال‌های افقی برای لوله پرتو کاتدی در اسیلوسکوپ‌های انالوگ و دستگاه‌های تلویزیون تولید می‌کنند، استفاده می‌شوند. درفانکشن ژنراتورها این موج مثلثی ممکن است با یک تقریب نزدیک به شکل یک موج سینوسی درآید.

مدارهای نوسان ساز رلاکسیون

نوسان های الکتریکی را نمی توان به طور مستقیم همان طور که نوسان های آونگ را می توان دید یا ارتعاش های دیاپازون را می توان شنید، احساس کرد. (هم اجسام باردار الکتریکی و هم رساناهای حامل جریان با نیروهایی بر یکدیگر اثر می کنند.) اندازه گیری این نیروها پایه اندازه گیری کمیت های الکتریکی: بار، جر یان، اختلاف پتانسیل و نظایر آن می باشد.

مثال: در یکی از این روش ها از نیروی جاذبه آهنربای الکتریکی می توان استفاده کرد، مانند آهنربای الکتریکی در بلندگوی تلفن. جریانی از سیم پیچ آهنربای الکتریکی می گذرد که قطب های آن طوری تنظیم شده است که در بخش مرکزی غشا قرار دارند، یعنی یک صفحه گرد آهنی در کنار آن نصب شده است. نوسان های جریان موجب می شود که نیروی جاذبه وارد بر غشا نوسان کند. در نتیجه آن غشا ارتعاش های واداشته انجام می دهد.

اگر هسته آهنربای الکتریکی دارای مغناطیس دائمی نباشد. یعنی فقط هنگامی غشا را جذب کند که جریان از سیم پیچ می گذرد، تلفن به مقدار زیاد صوت را خراب می کند. در واقع برای هر جهت جریان در سیم پیچ، غشا به سمت هسته جذب می شود و بنابر این، دوره نیرو وارد بر غشا برابر است با نصف دوره جریان متناوب در سیم پیچ. برای جلوگیری از این مسئله، از آهنربای الکتریکی با هسته آهنربای دائم استفاده می شود.

در این شرایط نیز تبدیل نوسان های الکتریکی به ارتعاش های مکانیکی عاری از اختلال نخواهند بود. شکل ارتعاش های غشا شکل نوسان های جریان را به طور دقیق تکرار نمی کند. با وجود این، امکان استفاده عملی از چنین وسایل الکترو آکوستیکی ناشی از این واقیت است که چنین اختلالاتی را می توان به قدر کافی کم کرد.

با اتصال تلفن یا بلندگو به شبکه برق رسانی (از طریق مقاومت 100 تا 200 کیلو اهم زیرا ولتاژ 220 ولت برای این وسایل خیلی بالا است)، نوفه، یعنی (سر و صدای) جریان شهر را می شنویم. ارتعاش های غشا ناشی از نوسان های این جریان دارای همان بسامد (50 Hz) است و از این رو ارتعاش های آکوستیکی اند.

همان طور که با لامپ پرتوی کاتدی در مطلب قبل آشنا شده اید حال باید بدانید که یکی از روش های دیگر تبدیل نوسان های جریان به ارتعاش های مکانیکی بر اساس چرخش پیچه حامل جریان در میدان _{مغناطیس}ی استوار می باشد. این روش در طرح حلقه نوسان نگار (گالوانومتر آینه ای) به کار می رود.

شکل1: نوسان نگار پرتوکاتودی. جهت روشنی، رابط های صفحه های کنترل از داخل دیواره های لامپ گذشته اند. در واقع آنها به ساقه های پایه متصلند.

حلقه سبک و نازک (گالوانومتر آینه ای) قادر است نوسان های خیلی سریع جریان تا 20 kHz، را دنبال کند و اما برای بسامدهای بالاتر نوسان نگاری با اینرسی کمتر لازم می باشد. چنین اسبابی نوسان نگار پرتو کاتودی می باشد. در این اسباب، نوسان ها را باریکه الکترون های سریع دوباره تولید می کنند. (شکل1)

اسیلاتور

در واقع اسیلاتور یك مدار فیدبك دار است (كه این مدار معمولاً از تعدادی از ترانزیستورها ساخته شده است) كه در یك فركانس خاص نوسان می كند كه البته این فركانس معمولاً قابل تغییر است و در یك محدوده ای قرار دارد

دسته بندی برق ، الکترونیک و مخابرات بازدید ها 17 فرمت فایل doc حجم فایل 186 کیلو بایت تعداد صفحات فایل 53

اسیلاتور

مقدمه

با توجه به رشد سریع شبكه های مخابراتی بی سیم، ارتباط بسیار نزدیكی بین الكترونیك و مخابرات میدان پدید آمده است. در مخابرات ما با سیستم هایی كار می كنیم كه احتیاج به فركانس دقیق دارند تا از خطاهای جیتر كه منجر به isi می شوند جلوگیری كنیم، با این كار هزینه ها بسیار پایین می آید و نیاز به تكرار كننده های دیجیتال كمتر می شود. بنابراین مهندسان الكترونیك با طراحی كردن نوسان سازهای با دقت فركانسی بالا، خطی در گسترة استفاده و دارای نویزكم به كمك مهندسان مخابرات می آیند. این فركانس دقیق از فركانس كلاك در میكروپروسسورها تا تلفن های سلولی استفاده دارند و هر كدام از این كاربردها احتیاج به توپولوژی خود را دارد. در یكی احتیاج به توان بسیار پایین نیاز نیست ولی در عوض فركانس دقیق مورد نیاز است و در دیگری برعكس. بنابراین یك مبادله در هر كاربرد وجود دارد.

نوسان سازی كه بتواند در گسترة بیشتر فركانس های مخابراتی خاصیت خطی داشته باشد، امروزه مورد نیاز است. بنابراین خطی بودن یك خاصیت مهم برای نوسان سازها است. برای این كار باید به خصوصیات وركتوری كه در نوسان ساز استفاده می شود توجه كافی بشود. امروزه باید به فكر گستره های فركانسی بالاتری بود، زیرا با پیشرفت صنعت فركانس مورد استفاده در وسایل الكترونیكی و مخابراتی بیشتر می شود.

در بخش یك سعی شده تا نوسان سازها بررسی شود و تعاریف و شرایطی كه یك مدار باید داشته باشد تا نوسان كند ارائه شده است. در بخش دوم به طور خاص به بررسی نوسان سازهای LC اختصاص داده شده است و انواع این نوسان سازها به طور مختصر بررسی شده است. در بخش سوم به بررسی VCO ها كه موضوع اصلی این تحقیق است پرداخته شده است و به طور اجمالی ویژگی های ریاضی آنها و شرایطی كه باعث می شوند آنها پركاربرد باشند را شرح داده است. در بخش چهارم در مورد وكتور با مقاومت متغیر بحث می كند و مداراتی كه به آنها ویژگی نزدیك به ایده آل می دهد و در بخش پنجم به وسیلة چند روش ذكر شده در بخش های قبلی به بررسی یك نوسان ساز در گسترة وسیع می پردازیم. قابل توجه است كه بخش پنجم انشاء ا. در گزارش بعدی كامل خواهد شد و هدف اصلی در بخش پنجم تحقق پیدا خواهد كرد.

بخش 1: تعاریف و مثال های نوسان سازها:

ابتدا برخی از مثال ها و تعاریف اولیه و ویژگی های اسیلاتورها را زیر بیان كرده و سپس به بررسی چند مدار واقعی اسیلاتورها و VCO ها می پردازیم.

وظیفة یك اسیلاتور (یا نوسان ساز) ایجاد یك خروجی متناوب است. بلوك دیاگرام یك اسیلاتور را در حالت كلی می توان به صورت زیر نشان داد:

در واقع اسیلاتور یك مدار فیدبك دار است (كه این مدار معمولاً از تعدادی از ترانزیستورها ساخته شده است) كه در یك فركانس خاص نوسان می كند كه البته این فركانس معمولاً قابل تغییر است و در یك محدوده ای قرار دارد (در مبحث VCO ها به این مطلب بیشتر اشاره می شود). معمولاً ساختار اسیلاتور این گونه است كه بدون آنكه ورودی به آن اعمال شود، یك خروجی تناوبی ایجاد می كند، به همین دلیل نیاز است كه بهرة حلقه بستة شكل بالا در فركانس نوسان (مثلاً ) به سمت بی نهایت رود به عبارت دیگر باید داشته باشیم:

در این شرایط اعمال یك نویز با دامنه بسیار كوچك هم كافی است كه به خروجی مورد نظر دست یابیم. در حقیقت برای آنكه نوسان شروع شود باید بهره حلقه بزرگتر یا مساوی 1 باشد (زیرا در این صورت خروجی مرتب تقویت می شود و برای خروجی یك سری هندسی واگرا به دست می آید) و نیز باید مجموع انتقال فاز برابر درجه (یا همان صفر درجه) باشد. این شروط كه «شرط باركها وزن» نامیده می شوند به صورت زیر قابل بیان است:

كه در صورت داشتن دو شرط بالا مدار در فركانس نوسان خواهد كرد. باید توجه كرد كه شرط 2 را با فرض وجود فیدبك منفی نوشتیم و اگر فیدبك مثبت باشد. این شرط به صورت یا در می آید (زیرا قرار است كه كل انتقال فاز 360 درجه شود.)

حال به عنوان اولین قدم به دنبال تحقق مدار توصیف شده با شرایط بالا می رویم، ساده ترین توپولوژی كه به نظر می رسد، یك ترانزیستور سروس مشترك فیدبك دار است. باید ببینیم كه آیا شروط باركها وزن در آن صدق می كند یا نه. اگر در نظر بگیریم كه باشد، در شرط 1 صدق خواهد كرد زیرا . ولی این مدار ؟ نمی تواند در شرط2 صدق كند. زیرا در مدار یك طبقه فقط یك قطب داریم كه حداكثر می تواند اختلاف فاز 90 درجه ایجاد كند و با در نظر گرفتن وارونگی سیگنال از گیت به درین، حداكثر انتقال فاز كل به 270 درجه می رسد. در نتیجه این مدار نوسان نمی كند.

حال كه نتوانستیم با مدار یك طبقه سورس مشترك، یك نوسان ساز بسازیم، منطقاً باید به سراغ مداران چند طبقه برویم. ابتدا یك مدار دو طبقه را در نظر می گیریم (شكل 2).

در مدار شكل 2 چون دوبار وارونگی سیگنال رخ می دهد، در نزدیك فركانس صفر دارای بند یك مثبت خواهد بود و مدار قفل خواهد كرد زیرا زیاد بشود، كم خواهد شد و در نتیجه ولتاژ گیت كم می شود و خاموش می شود و در نتیجه باز هم افزایش می‌یابد تا جائی كه به می رسد و به صفر می رسد و در این حالت مدار در این حالت می ماند.

ممكن است تصور شود كه اگر شكل قفل شدن در شكل 2 حل شود، مدار نوسان خواهد كرد. برای اینكه ببینیم این تصور درست است یا نه این ؟؟ قفل شدن را با گذاشتن یك طبقة وارونگر ایده آل بین و ، برطرف می كنیم، ولی باز هم مدار نوسان نخواهد كرد، زیرا برای نوسان كردن مدار باید اختلاف فاز وابسته به فركانس به 180 درجه برسد یعنی اینكه هر كدام از قطب ها باید 90 درجه اختلاف فاز ایجاد كند كه این اتفاق در فركانس های بالا رخ می دهد ولی برای حلقه در فركانس های خیلی بالا افت خواهد كرد و شرط برآورده نمی شود.

حال كه در رسیدن به مدار یك نوسان ساز دو طبقه ناكام ماندیم به سراغ مدارهای سه طبقه می رویم. با فرض یكسان بودن قطب های بر یك از سه طبقه، اختلاف فاز وابسته به فركانس در فركانس بی نهایت به درجه می رسد در این صورت اگر اختلاف فاز وابسته به فركانس را برابر درجه قرار دهیم (كه در نتیجه با سه بار وارون شدن سیگنال اختلاف فاز كل صفر درجه خواهد بود) ممكن است بتوان به رسیدم. در نتیجه مدار سه طبقه ممكن است بتواند نوسان كند.

حرف بالا كلی بود، به عنوان یك مثال از شرایطی كه مدار واقعاً نوسان می كند، در نظر بگیرید تابع تبدیل بر شبكه به صورت است، پس می توان نوشت:

اگر فرض كنیم كه این مدار سه طبقه در فركانس نوسان كند، با توجه به اینكه هر طبقه باید 60 درجه اختلاف فاز ایجاد كند و بهرة حلقه حداقل مقدار را داشته باشد یعنی مقادیر و به صورت زیر به دست خواهد آمد:

یعنی اینكه این نوسان ساز حلقوی سه طبقه با بهره 2 در هر طبقه و در فركانس نوسان می كند.

در بالا ما برای ارضای شروط باركها وزن به جای آنكه را در نظر بگیریم، شرط را مدنظر قرار داریم حال اگر بشود (یا اینكه ) چه اتفاقی خواهد افتاد؟ در حقیقت در صورت افزایش دامنة نوسان طبقات موجود در مسیر سیگنال دچار خاصیت غیرخطی و اشباع می شوند و دامنة ماكزیمم را محدود می كنند و در نتیجه بهرة حلقه متوسط برابر با یك خواهد شد. یعنی این مدار به صورت یك مدار پایدار كار می كند كه در صورت بزرگ تر شدن مقدار از یك، آن را دوباره به مقدار یك باز می گرداند.

از آن جایی كه معمولاً در طراحی مدارها، بخش عمده ای از مدار را بلوك‌های دیجیتالی در بر می گیرد، برای حذف نویز ناشی از Clouk ها باید، مدار را به صورت دیفرانسیلی بسازیم. شكل دیفرانسیلی مدار نوسان كنندة سه طبقه به صورت شكل زیر است: (شكل 3)

ولی در عمل هیچ گاه مدار را به صورت بالا با مقاومت های نمی سازند زیرا در فناوری های CMOS مقاومت با كیفیت بالا وجود ندارد. لذا عملاً از خود مقاومت های ترانزیستوری استفاده می شود. به این منظور سه روش استفاده از این نوع مقاومت ها را معرفی می كنیم:

روش 1: همانطور كه در شكل 4 دیده می شود می توان یك ترانزیستور PMOS را كه به عنوان مقاومت بار استفاده می شود و در ناحیة تریود عمیق كار می كند را به كار برد.

در صورتی كه ترانزیستورهای و در حالت تریود عمیق باشند (یعنی )، مقاومتی كه از ؟ هر یك از ترانزیستوری و دیده می شود برابر است با كه:

در این حالت باید طوری انتخاب شود كه در ناحیه تریود عمیق بمانیم زیرا باید به دقت تعریف شده باشد.

روش 2: در این روش از بار وصل شده به صورت دیود استفاده می كنیم (شكل 5) بدین ترتیب مقاومتی كه از این ترانزیستورهای و دیده می‌شود برابر است با .

اشكالی كه در این روش وجود دارد این است كه سقف ولتاژ را به اندازة یك ولتاژ آستانه بالا می برد.

روش 3: تیم روش از دو روش قبل مناسب تر می باشد. در این روش یك سورس فالوئو NMOS بین درین و گیت هرترانزیستور RMOS قرار می‌گیرد (شكل 6).

در این روش و فقط سقف ولتاژی به میزان را مصرف می‌كنند.

اگر داشته باشیم ، آنگاه در لبة ناحیة تریود كار می كند و در نتیجه داریم: ، یعنی در واقع به اندازه یك می‌باشد و در اینجا كمتر از روش 2 است پس این مدار نیاز به سقف ولتاژ كمتری نسبت به روش 2 دارد. در این حالت مقاومت سیگنال كوچك بار تقریباً برابر با است در راستای بررسی نوسازی سازهای حلقوی سه طبقه، یك نمونه سادة نوسان سازها كه به مقاومت نیازی ندارد را بررسی می‌كنیم. همانطور كه در شكل 7 دیده می شود. اگر سه طبقة وارونگر (Invertor) را پشت سرهم قرار دهیم، یك نوسان ساز ساخته ایم:

در شكل 7 اگر طبقات یكسان باشند و نویزی در مدار نباشد، مدار همیشه در این حالت خواهد ماند. فرض كنید تأخیر هر وارونگر به اندازة باشد و مدار با ولتاژ شروع كند، در این صورت داریم: ، بنابراین صفر می شود و بعد از ثانیه به می رسد و نیز بعد از ثانیة دیگر به صفر می رسد و اگر این روند را دنبال كنیم در می یابیم كه سیگنال های و و یك سیگنال متناوب با دورة متاوب خواهند بود.

تحلیل فوق یك تحلیل سیگنال بزرگ بود و از آن به دست آمد كه فركانس نوسان سیگنال بزرگ برابر است ولی همانطور كه ما در قبل با تحلیل سیگنال كوچك wosc یك مدار سه طبقه را به دست آوردیم، اگر باشد، مقدار این فركانس برابر است با .

توجه به این نكته ضروری است كه دو مقدار فوق لزوماً با هم برابر نیستند. زیرا توسط مقاومت و خازن خروجی سیگنال كوچك هر وارونگر به دست می آید ولی از خازن و تحریك جریان غیرخطی و سیگنال بزرگ هر طبقه نشأت می گیرد این نكته بیانگر آن است كه نوسانات با فركانس شروع می شود ولی وقتی كه دامنة سیگنال افزایش می یابد، مدار غیرخطی تر شده و فركانس نوسانات به تبدیل خواهد شد كه مقدارش از مقدار كمتر است حال اگر بخواهیم مدار نوسان كننده را با تعداد بیشتری وارونگر بسازیم باید توجه داشته باشیم كه تعداد كل وارونگرها در حلقه باید عددی فرد باشد، زیرا در غیر این صورت مدار قفل می كند (مانند آنچه در شكل 2 دیده شد).

اگر پیاده سازی مدار به صورت دیفرانسیلی باشد می توان از تعداد خروجی طبقه استفاده كرد به شرط آنكه یكی از طبقات باید طوری بسته شود كه عمل منفی كردن را انجام ندهد كه این خود یك مزیت دیگر مدارهای دیفرانسیلی نسبت به مدارهای تك سر است.

اسیلاتورطرح توجیهی اسیلاتوردانلود اسیلاتوربرقنوسان سازهادانلود طرح توجیهیپروژه دانشجوییدانلود پژوهشدانلود تحقیقپایان نامهدانلود پروژه