نوسان‌ساز

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

نوسان‌ساز یا اُسیلاتور (به انگلیسی: Oscillator)، یک مدار الکتریکی است که سیگنال الکتریکی تکرارشونده (نوسانی) تولید می‌کند، اغلب یک موج سینوسی یا مربعی.

نوسان‌سازها بسیار متنوعند، اگرچه اصول عملکرد همه آنها کم‌وبیش یکسان است. نوسان‌سازها به‌طور گسترده و منحصربه‌فردی در دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند، به‌طوری که بدون آنها عملکرد دستگاه‌ها غیرممکن است. مثال‌های رایجی از کاربرد نوسان‌سازها عبارتند از تولید سیگنال حامل (به انگلیسی: Carrier) فرستنده‌های رادیویی (موج سینوسی)، تولید سیگنال ساعت (کِلاک، Clock) همهٔ سیستم‌های دیجیتالی مانند رایانه‌ها (موج مربعی)، یا در مدار چراغ راهنمای چشمک‌زن اتومبیل‌ها.

نوسان‌سازها را می‌توان از نظر فرکانس سیگنال خروجی آنها دسته‌بندی کرد، اگر چه این دسته‌بندی چندان جامع و دقیق نیست؛

  • نوسان‌ساز صوتی، فرکانس‌هایی را در محدوده صوتی تولید می‌کند، تقریباً از ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز.
  • نوسان‌ساز RF، سیگنال‌هایی را در محدوده فرکانس رادیویی از ۱۰۰ کیلوهرتز تا حدود ۱۰۰ گیگاهرتز تولید می‌کند.
  • نوسان‌ساز فرکانس پایین، سیگنال‌هایی را با فرکانس‌های زیر ۲۰ هرتز تولید می‌کند.
  • نوسان ساز هایی با فرکانس 20 کیلوهرتز تا 150 کیلو هرتز ( در مدارات تغذیه استفاده میشود)

نوسان‌ساز را نباید با مولد برق (ژنراتور، Generator) اشتباه گرفت، اگرچه ظاهراً هر دوی آنها موج سینوسی تولید می‌کنند، اما اصول عملکرد، قابلیت‌ها و نیز کاربردهای آنها کاملاً متفاوت است. نوسان ساز ولتاژ ورودی را به نوسان تبدیل میکند اما ژنراتور انرژی مکانیکی، نوری، بادی و... را به برق تبدیل میکند.

نوسان‌ساز خطی[ویرایش]

نوسان‌ساز هارمونیک، یا خطی، موج سینوسی تولید می‌کند، و دو نوع دارد.

نوسان‌ساز بازخوردی[ویرایش]

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، سیگنالی را به وجود 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 مقاومت‌ها و خازن‌ها تشکیل می‌شود. نوسان‌سازهای RC بیشتر برای تولید فرکانس‌های پایین‌تر استفاده می‌شوند، به عنوان مثال در محدوده صوت. انواع رایج نوسان‌سازهای RC، نوسان‌ساز تغییر فاز و نوسان‌ساز پل وین است.
  • در نوسان‌ساز LC، فیلتر، یک مدار تشدید (رزونانس)، شامل القاگر (L) و خازن (C) که با هم موازی شده‌اند، است. بار خازن از طریق القاگر کم و زیاد می‌شود، و بنابراین مدار تشدید می‌تواند انرژی الکتریکی نوسانی را در فرکانس تشدید ذخیره کند. مدار تشدید، مقدار کمی اتلاف انرژی دارد، اما تقویت‌کننده این اتلاف را جبران می‌کند. نوسان‌سازهای LC اغلب در فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌شوند، وقتی یک منبع فرکانس تنظیم‌پذیر لازم است؛ مانند مولد سیگنال (به انگلیسی: signal generators)، 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 به‌طور مکانیکی ارتعاش می‌کند، و فرکانس ارتعاش آن، فرکانس نوسان‌ساز را تعیین می‌کند. کریستال، ضریب کیفیت (Q) بسیار بالایی دارد، و همچنین پایداری دمایی بهتری نسبت به مدارهای تنظیم‌شده (tuned circuits) دارد؛ بنابراین نوسان‌سازهای کریستالی پایداری فرکانسی بهتری نسبت به نوسان‌سازهای LC و RC دارند. از آن‌ها برای تثبیت بهتر فرکانس فرستنده‌های رادیویی، و تولید سیگنال کلاک (Clock) کامپیوترها و ساعت‌های کوارتز استفاده می‌شود. مدار نوسان‌سازهای کریستالی اغلب مشابه نوسان‌سازهای LC است که در آنها کریستال جایگزین مدار تشدید می‌شود. کریستال‌های کوارتز به‌طور کلی 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.

نوسان‌ساز با مقاومت منفی[ویرایش]

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

نمونه‌هایی از مدارهای نوسان‌ساز خطی عبارتند از؛

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

نوسان‌ساز غیرخطی یا واهُلِشی[ویرایش]

نوسان‌ساز غیرخطی، واهُلِشی (به انگلیسی: Relaxation) یا رِلکسیشن (که به اشتباه، رلاکسیون گفته می‌شود)، خروجی غیرسینوسی تولیدمی‌کند، مانند موج مربعی، دندانه‌اره‌ای یا مثلثی. این نوسان‌ساز شامل یک قطعهٔ ذخیره‌کننده انرژی (یک خازن، یا به ندرت، یک القاگر) و یک مدار سوییچ‌کننده غیرخطی (اشمیت تریگر، یا مقاومت منفی) که به صورت دوره‌ای، ذخیره‌کنندهٔ انرژی را شارژ و دشارژ می‌کند و باعث تغییر ناگهانی در شکل موج خروجی می‌شود. نوسان‌ساز واهُلِشی، برای تولید سیگنال ساعت (کلاک) تایمرها و شُمارنده‌ها (در دستگاه‌های ساده و ارزان) استفاده می‌شوند، اگرچه نوسان‌سازهای کریستالی اغلب به علت پایداری بیشتر، ترجیح داده می‌شوند. نوسان‌سازهای موج مثلثی یا دندانه‌اره‌ای در مدارهای مولد سیگنال مبنای زمانی (به انگلیسی: time base) در اسیلوسکوپ‌های آنالوگ و تلویزیون نیز استفاده می‌شدند. مدار چراغ راهنمای چشمک‌زن اتومبیل‌ها نیز از این نوسان‌ساز استفاده می‌کند.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]