نوسانگر

مقدمه

نوسانگرها از اجزای اساسی و حیاتی در حوزه‌های مختلف مهندسی و علوم پایه به شمار می‌روند. این سیستم‌ها قادرند به طور مداوم و پیوسته نوسان‌هایی با فرکانس و دامنه مشخص تولید کنند که کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌هایی همچون مخابرات، الکترونیک، کنترل، و فیزیک دارند. تحلیل و طراحی نوسانگرها نقش مهمی در بهبود عملکرد سیستم‌های الکترونیکی و افزایش دقت و پایداری آنها ایفا می‌کند. با توجه به اهمیت نوسانگرها در فناوری‌های نوین و صنعت، در این ارایه به بررسی مفاهیم پایه، انواع نوسانگرها، و کاربردهای کلیدی آنها پرداخته خواهد شد.

نوسان ساز چیست؟

نوسان ساز یک مدار الکتریکی ست. هدف استفاده از این مدار، تولید سیگنال های الکتریکی نوسانی می باشد. به سیگنال های تکرار شونده، سیگنال نوسانی می گویند. فرمت نوسان ساز که در طراحی برد الکترونیکی های زیادی استفاده میشود موجی یا سینوسی است. این مدار یک بخش اصلی در ساخت بردهای الکترونیکی زیادی مانند بردهای مخابراتی، دیجیتالی و… بوده و خواهد بود

نوسان‌سازها گوناگون هستند، اگرچه اصول عملکردشان کم‌وبیش یک‌سان است. در دستگاه‌های الکترونیکی، از آن‌ها، گسترده استفاده می‌شود، و بدون آنها عمل‌کرد دستگاه‌ها ناممکن است. نمونه‌هایی از کاربرد نوسان‌سازها عبارتند از تولید موج حامل در فرستنده‌های رادیویی، تولید سیگنال ساعت در سیستم‌های دیجیتالی مانند رایانه‌ها، یا چراغ راهنمای چشمک‌زن در اتومبیل

‌برای پی بردن به اینکه اسیلاتور چیست لازم به دانستن آن است که اساس کار اسیلاتور به این صورت است، جریان یک طرفه از یک منبع DC را به شکل موج متناوب تبدیل میکند و فرکانس مورد نظر طبق اجزای مدار تعین میگردد. در علم الکترونیک مبحثی به نام مدولاسیون وجود دارد. در این مبحث مدولاسیون را به عمل سوار شدن موجی که حامل اطلاعات است بر روی موج حامل عمل می‌گویند. شاید بپرسید که هدف از انجام این کار چیست؟ در مدولاسیون بر فرستنده‌ها افزایش میابد و طول آنتن کاهش.

انواع نوسانگر

در حالت کلی نوسانگر ها به دو دسته خطی و غیر خطی تقسیم می شوند . ابتدا به تعریف و تحلیل کلی هر کدام از انها می پردازیم.

الف) خطی
نوسان‌ساز هارمونیک، یا خطی، موج سینوسی تولید می‌کند، و دو نوع دارد:

نوسان‌ساز بازخوردی نوع اول :

رایج‌ترین نوسان‌ساز خطی، از یک تقویت‌کننده مانند یک ترانزیستور یا آپ‌اَمپ که در یک حلقه فیدبک قرار گرفته تشکیل شده، به گونه‌ای که خروجی تقویت‌کننده، از طریق یک فیلتر مناسب فرکانس نوسان، برای تولید فیدبک مثبت به ورودی‌اش بازگشت داده‌می‌شود. هر بار که تقویت‌کننده روشن می‌شود (وقتی ولتاژ منبع به آن اِعمال می‌شود و جریان برای اولین بار در مدار به گردش درمی‌آید)، آشفتگی اولیهٔ (گذرا) ناشی از اِعمال ولتاژ به مدار، سیگنال ضعیفی را پدید می‌آورد، و نوسان‌سازی آغاز می‌شود؛ سیگنال در حلقه می‌چرخد، تقویت و فیلتر می‌شود، و به سرعت به یک موج سینوسی پایدار با فرکانسی مشخص تبدیل می‌شود.

مدارهای نوسان‌ساز فیدبک دار می‌توانند از نظر فیلتر انتخاب‌کننده فرکانس که در حلقه فیدبک استفاده می‌کنند، طبقه‌بندی شوند؛

• در نوسان‌ساز RC، فیلتر از مقاومت‌ و خازن‌ تشکیل می‌شود. نوسان‌سازهای RC بیشتر در فرکانس‌های کم استفاده می‌شوند؛ در محدوده صوت. از نوسان‌سازهای RC رایج، نوسان‌ساز تغییر فاز و نوسان‌ساز پل وین است.
• در نوسان‌ساز LC، فیلتر، یک مدار تشدید، شامل القاگر و خازن موازی است. بار خازن از راه القاگر کم و زیاد می‌شود، و بنابراین مدار تشدید می‌تواند انرژی الکتریکی نوسانی را در فرکانس تشدید ذخیره کند. مدار تشدید، کمی اتلاف انرژی دارد، که تقویت‌کننده آن را جبران می‌کند. نوسان‌سازهای LC اغلب در فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌شوند، وقتی یک منبع فرکانس تنظیم‌پذیر لازم است؛ مانند مولد سیگنال، یا فرستنده-گیرنده‌های رادیویی. نوسان‌سازهای هارتلی (Hartley)، کولپیتس (Colpitts) و کِلاپ (Clapp)، مثال‌هایی از نوسان‌سازهای LC هستند.
• در نوسان‌ساز کریستالی، فیلتر، یک کریستال پیزوالکتریک (معمولاً کریستال کوارتز) است. کریستال، ارتعاش مکانیکی می‌کند، و فرکانس ارتعاش آن، فرکانس نوسان‌ساز را تعیین می‌کند. کریستال، ضریب کیفیت (Q) بسیار زیاد، و پایداری دمایی بهتری نسبت به مدارهای تنظیم‌شده (tuned circuits) دارد. بنابراین نوسان‌سازهای کریستالی پایداری فرکانسی بهتری نسبت به نوسان‌سازهای LC و RC دارند.  نوسان‌ساز کریستالی برای تثبیت بهتر فرکانس فرستنده‌های رادیویی، و تولید سیگنال کلاک کامپیوترها و ساعت‌های کوارتز استفاده می‌شود. مدار نوسان‌سازهای کریستالی اغلب مشابه نوسان‌سازهای LC است که در آنها کریستال جایگزین مدار تشدید می‌شود. کریستال‌های کوارتز اغلب به فرکانس ۳۰ مگاهرتز یا کمتر محدودند. افزاره‌های موجِ آکوستیک سطحی (surface acoustic wave)، نوع دیگری از تشدیدگرهای پیزوالکتریکی هستند که در نوسان‌سازهای کریستالی استفاده می‌شوند، و می‌توانند به فرکانس‌های بالاتر برسند.

نوع دوم: نوسان‌ساز با مقاومت منفی

علاوه بر نوسان‌سازهای بازخوردی که از تقویت‌کننده ترانزیستوری یا آپ‌اَمپی استفاده می‌کنند، نوسان‌سازهای خطی می‌توانند با استفاده از قطعاتی با مقاومت منفی، مانند لامپ مگنترون ، دیود تونلی و دیودگان ساخته شوند. نوسان‌سازهای مقاومت‌منفی اغلب در فرکانس‌های زیاد، در محدوده ریزموج، استفاده می‌شوند، چون نوسان‌سازهای بازخوردی در این فرکانس‌ها عملکرد ضعیفی دارند. در نوسان‌سازهای مقاومت منفی، مدار تشدید، مانند مدار LC یا کریستال، به قطعهٔ دارای مقاومت منفی وصل‌شده و ولتاژ بایاس برای فراهم‌شدن انرژی اعمال می‌شود. مدار تشدید، خود، تقریباً یک نوسان‌ساز است، و زمانی که برانگیخته می‌شود، انرژی را به‌صورت نوسان الکتریکی ذخیره می‌کند، اما چون مقاومت اندکی هم دارد (یا سایر اتلاف‌ها در مدار)، نوسان آن میرا می‌شود. مقاومت منفی، این اتلاف انرژی در تشدیدگر را جبران می‌کند.

نمونه‌هایی از مدارهای نوسان‌ساز خطی عبارتند از؛

• نوسان‌ساز آرمسترانگ
• نوسان‌ساز کولپیتس
• نوسان‌ساز کلاپ
• نوسان‌ساز خط تأخیر
• نوسان‌ساز کریستالی
• نوسان‌ساز تغییر فاز
• نوسان‌ساز پل وین
• نوسان‌ساز وکر
• نوسان‌ساز رابینسون
• نوسان‌ساز پیِرس
• نوسان‌ساز میلر

 می خواهیم راجع به یکی از این نوسان ساز های خطی بیشتر بحث کنیم . من نوسان ساز پل وین را انتخاب کردم.

نوسانگر پل وین (Wein bridge oscillator (

دريك مدار نوسانكر عملى از يك تقويت كننده عملياتى و مدار RC استفاده مى شودكه فركانس نوسانكر قطعات Rو C تنظيم مى كردد شكل  زیر اساس يك نوسانكر بل وين رانشان مى دهد. به اتصالات اين مدار توجه كنيد. مقاومت هاى R2 ،R1 و خازن هاى C2 ،C1 قطعات تنظيم فركانس هستند، كه مقاومت هاى R3 و R4 قسمتى از شبكه فيدبك رامى سازند. خروجى تقويت كننده عملياتى در نقاط a وابه ورودى پل وصل مى شود. خروجى مدار بل در نقاط ط و d ورودى تقويت كننده عملياتى است. باناديده انكًا شتن اثر بار اميدانس هاى خروجى و ورودى تقويت كننده عملياتى ، نتيجه اى كه از مدار حاصل می شود چنین است: 

اگر به خصوص مقادیر R=R1=R2  و C=C1=C2  باشند  ,فرکانس نوسانگر بدست امده چنین است:

به این ترتیب  نسبت R3 به R4  بزرگتر از  2 بهره حلقه مناسبی به وجود می اورد که مدار با فرکانسی که از معادله f0 به دست می اید نوسانسازی می کند.

یک مثال از فرکانس تشدید نوسان گر پل وین  را در مشاهده می کنیم:

ب)نوسان‌ساز غیرخطی یا واهُلِشی

نوسان‌ساز غیرخطی، واهُلِشی (به انگلیسی: Relaxation) یا رِیلَکسِیشِن (که به اشتباه، رلاکسیون گفته می‌شود)، موج مربعی، دندانه‌اره‌ای یا مثلثی می‌سازد .این نوسان‌ساز شامل یک ذخیره‌کننده انرژی (خازن، یا به‌ندرت، القاگر) و یک سوییچ‌ غیرخطی (اشمیت‌تریگر، یا مقاومت منفی) است. سوییچ‌ غیرخطی، ذخیره‌کنندهٔ انرژی را متناوب شارژ و دشارژ می‌کند و باعث تغییر ناگهانی در شکل موج خروجی می‌شود.

نوسان‌ساز واهُلِشی، در دستگاه‌های ساده و ارزان، برای تولید سیگنال ساعت (کلاک) تایمرها و شُمارنده‌ها استفاده می‌شود، اگرچه نوسان‌سازهای کریستالی اغلب به دلیل پایداری بیشتر، ترجیح داده‌می‌شوند. نوسان‌سازهای موج مثلثی یا دندانه‌اره‌ای در مدارهای مولد مبنای زمان (به انگلیسی: time base) در اسیلوسکوپ‌های آنالوگ و تلویزیون نیز استفاده می‌شدند. مدار چراغ راهنمای چشمک‌زن اتومبیل‌ها نیز از این نوسان‌ساز استفاده می‌کند.

می خواهیم راجب یکی از این نوسان ساز های غیر خطی بیشتر بحث کنیم . من نوسان ساز کریستالی را انتخاب کردم.

نوسان ساز کریستالی:

نوسانكر كريستالى در اساس يك نوسانگر با مدار هماهنگ است كه از يك كريستال پیزو الكتريك بعنوان تانك تشديد استفاده مى كند. كريستال (معمولاً كوارتز) در فركانس كار خود داراى پايدارى بيشترى است. در مواردى مثل مخابرات، فرستندهها وگيرنده ها، كه ثبات بيشتر لازم است، از نوسانکرهاى كريستالى استفاده می شود.

مشخصه هاى يك كريستال كوارتز

يك كريستال كوارتز (يكى از انواع كريستالها) داراى جنين خاصيتى است كه اكر فشارهاى مكانيكى به دو طرف آن وارد شود، اختلاف يتانسيلى در دو سر آن بوجود مى آيد. اين خاصين كريستالى را اثر بيزو الكتريك مى نامند. متناظر با آن، با اعمال ولتازى به دو سريك مجموعه كريستالى، اعوجاج مكانيكى در شكل كريستال بوجود مى آيد.

وقتى ولتار متناوب به يك كريستال اعمال مى شود، ارتعاشات مكانيكى بوجود مى آيدكه بطور طبيعى داراى فركانس تشديد معينى مى باشد. اكر جه كريستال داراى رزونانس (تشديد) الكترومكانيكى است، اما مى توان كار كريستال را معادل با يك مدار تشديد الكتريكى نظير شكل (١٨-٣١) دانست الفاكر L و خازن C معادل هاى الكتريكى اندازه و جرم كريستالى اند و مقاومت R نيز معادل الكتريكى اصطكاك درونى كريستال مى باشد. خازن موازى CM نشانكر يك خازن موازى باكريستال است. جون ضعف هاى كريستال كه با R نشان داده مى شود، كوجك هستند، 2(ضريب كيفيت) معادل در كريستال خيلى بزركً وحدود ٢٠٠٠٠ است. مقادير 2 (ضريب كيفيت) معادل دوكريستال خيلى بزرك و حدود ٢٠٠٠٠ است. مقادير 2 بالاتراز 10 با استفاده از كريستال بدست مى آيد.

كريستال كه مدار الكتريك معادل آن در شكل (١٨-٣١) نشان داده شد، داراى دو فركانس تشديد است. يكى از شرايط تشديد وقتى اتفاق مى افتدكه راكتانس سرى دو شاخه RLC مساوى (و مخالف) باشند. دراين حالت اميدانس سرى تشديد خيلى كوجك (و برابر R) است. حالت ديكَر رزونانس زمانى اتفاق مى افتدكه راكتانس شاخه سرى تشديد با راكتانس خازن CM برابر باشد. اين حالت مربوط به رزونانس موازى يا وضعيت بى تشديدى كريستال است. دراين فركانس، كريستال اميدانس بسيار زيادى در خروجى بدست مى دهد. منحنى مربوط به اميدانس در برابر فركانس كريستال در شكل (١٨-٣٣) نشان داده شده است. بمنظور استفاده صحيح ازكريستال، اين قطعه بايستى بكونه اى به مدار وصل شود كه اميدانس كم در حالت كارتشديد سرى و يا اميدانس زياد در حالت كار بى تشديد مورد نظر باشد.

چند نوع دیگر از نوسان گر ها

نوسانگر مکانیکی:

این نوع نوسانگر‌ها از اجزای مکانیکی مانند آونگ، فنر و جرم تشکیل شده‌اند و حرکات نوسانی را با استفاده از نیروهای مکانیکی انجام می‌دهند.

نوسانگر الکتریکی:

این نوسانگر‌ها معمولاً از اجزایی مانند خازن، مقاومت و القا کننده تشکیل شده‌اند و حرکات نوسانی را در مدار‌های الکتریکی ایجاد می‌کنند.

برای شناخت و تفهیم بیشتر به بررسی تفاوت ها می پردازیم.

نوسان‌گرهای مکانیکی و الکترونیکی هر دو برای تولید سیگنال‌های نوسانی استفاده می‌شوند، اما تفاوت‌های کلیدی در نحوه عمل و کاربردهایشان وجود دارد. نوسان‌گرهای مکانیکی با بهره‌گیری از حرکت فیزیکی، مانند ارتعاش یا چرخش، سیگنال ایجاد می‌کنند، در حالی که نوسان‌گرهای الکترونیکی با استفاده از جریان الکتریکی و اجزای الکترونیکی، نوسان‌ها را تولید می‌کنند. 

تفاوت‌های کلیدی:

نحوه عمل

• • نوسان‌گرهای مکانیکی: سیگنال‌های نوسانی را از طریق ارتعاش، چرخش، یا تغییر شکل فیزیکی مواد تولید می‌کنند. مثال‌های رایج عبارتند از نوسان‌گرهای مکانیکی با استفاده از جرم، فنر و دیمپر (مثل ساعت‌های مکانیکی) یا امواج مکانیکی (مثل امواج صوتی).

نوسان‌گرهای الکترونیکی: از اجزای الکترونیکی مانند مقاومت، خازن و ترانزیستور استفاده می‌کنند تا سیگنال‌های نوسانی ایجاد کنند. این اجزا با ایجاد جریان الکتریکی در یک مدار، سیگنال‌های نوسانی را تولید می‌کنند. مثال‌های رایج عبارتند از نوسان‌گرهای کریستالی و نوسان‌گرهای RC

دقت و ثبات

نوسان‌گرهای مکانیکی: دقت و ثبات آن‌ها معمولاً به کیفیت اجزای مکانیکی و دمای محیط بستگی دارد. ممکن است با گذشت زمان یا تغییرات دما، دقت آن‌ها تغییر کند.

نوسان‌گرهای الکترونیکی: با استفاده از اجزای دقیق و مدارات کنترل شده، دقت و ثبات بالاتری نسبت به نوسان‌گرهای مکانیکی دارند.

کاربردها

نوسان‌گرهای مکانیکی: در کاربردهایی که دقت بالایی نیاز نیست، مانند ساعت‌های مکانیکی، یا در کاربردهایی که نیاز به ارتعاش فیزیکی است، استفاده می‌شوند.

نوسان‌گرهای الکترونیکی: در کاربردهایی که دقت و ثبات بالایی مورد نیاز است، مانند رادیو، ساعت‌های دیجیتال، و سیستم‌های کنترل، استفاده می‌شوند.

تنوع

نوسان‌گرهای مکانیکی: انواع مختلفی از جمله نوسان‌گرهای جرم-فنر-دیمپر، نوسان‌گرهای ارتعاشی، و نوسان‌گرهای موج وجود دارد.

نوسان‌گرهای الکترونیکی: انواع متنوعی از جمله نوسان‌گرهای کریستالی، نوسان‌گرهای RC، نوسان‌گرهای LC و نوسان‌گرهای پورت وجود دارد. 

به طور خلاصه، نوسان‌گرهای مکانیکی بر اساس ارتعاش فیزیکی و نوسان‌گرهای الکترونیکی بر اساس جریان الکتریکی عمل می‌کنند، و هر نوع برای کاربردهای خاصی مناسب است.

کاربرد نوسان گر ها در عرصه های مختلف

نوسان گرها کاربردهای گسترده‌ای در الکترونیک و سایر حوزه‌ها دارند. به عنوان مثال، نوسان گرها برای تولید سیگنال‌های ساعت در سیستم‌های دیجیتالی، سیگنال‌های رادیویی، و سیگنال‌های صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین در ساعت‌های کوارتز، سیستم‌های صوتی و تصویری، رادیو و تلویزیون، کامپیوترها و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی دیگر نیز کاربرد دارند. 

کاربردهای اصلی نوسان گرها:

تولید سیگنال‌های ساعت

نوسان گرها سیگنال‌های ساعت را برای هماهنگ کردن فعالیت‌های مختلف در سیستم‌های دیجیتالی فراهم می‌کنند، به عنوان مثال در کامپیوترها، ریزپردازنده‌ها و میکروکنترلرها. 

تولید سیگنال‌های رادیویی

در فرستنده‌ها و گیرنده‌های رادیویی، نوسان گرها برای تولید موج حامل و فرکانس‌های رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

تولید سیگنال‌های صوتی

نوسان گرها برای تولید فرکانس‌های صوتی در سیستم‌های صوتی و تصویری و همچنین در دستگاه‌های دیگر مانند تلفن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

ساعت‌های کوارتز

در ساعت‌های کوارتز، نوسان گرها برای ایجاد نوسان با دقت بالا و حفظ زمان استفاده می‌شوند. 

سیستم‌های دیجیتالی

نوسان گرها در سیستم‌های دیجیتالی برای تولید سیگنال‌های لازم برای پردازش داده‌ها و عملیات‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

صنعت

نوسان گرها در صنایع مختلفی مانند نظامی، هوافضا، مخابرات، و پزشکی کاربرد دارند. 

دیگر کاربردها

نوسان گرها در دستگاه‌های دیگری مانند فلزیاب‌ها، شوکرها، اینورترها، فراصوت و چراغ‌های تزئینی نیز به کار گرفته می‌شوند. 

نگاهی کلی به نوسانگر ها

نوسان‌سازها با استفاده از بازخورد مثبت (Positive Feedback) کار می‌کنند. یک تقویت‌کننده به همراه یک شبکه بازخورد (مثلاً شامل مقاومت، خازن، یا کریستال) سیگنال ورودی را تقویت می‌کند و به ورودی خود برمی‌گرداند. اگر شبکه بازخورد فاز مناسبی را ایجاد کند و تقویت‌کننده به اندازه کافی سیگنال را تقویت کند، یک نوسان پایدار تولید می‌شود.

منابع

کتاب قطعات و مدارات الکترونیک نویسنده: روبرت بویل اشتاد و لوئیس نشلسکی

کتاب: مدار های میکرو الکترونیک کلد دوم نویسنده: ادل اس سدرا و کنت سی اسمیت

سایت: ویکی پدیا          نوسان‌ساز https://fa.wikipedia.org/wiki/

سایت: ویتا دیزاینر        /مدار-نوسان-ساز/https://vitadesigner.com