نوسان سازها(اسیلاتور)

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.

منبع:ویکی پدیا