پرش به محتوا

نوسان‌ساز آرامشی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
چشمک زن چراغ راهنما در وسایل نقلیه موتوری با یک نوسان‌ساز آرامشی ساده که یک رله را تأمین انرژی می‌کند، تولید می‌شود.

در الکترونیک یک نوسان‌ساز آرامشی یک مدار نوسان‌ساز الکترونیکی غیر خطی است که یک سیگنال خروجی تکراری غیرسینوسی، مانند یک موج مثلثی یا موج مربعی را تولید می‌کند.[۱][۲][۳][۴] این مدار شامل یک حلقه بازخورد است که حاوی یک قطعه کلیدزنی مانند ترانزیستور، مقایسه‌کننده، رله،[۵] آمپ‌امپ یا یک قطعه با مقاومت منفی مانند دیود تونلی است که به‌طور مکرر خازن یا سلفی را از طریق یک مقاومت شارژ می‌کند تا زمانی که به یک سطح آستانه برسد، سپس دوباره آن را تخلیه می‌کند.[۶][۷] دوره تناوب نوسان‌ساز به ثابت زمانی مدار خازنی یا سلفی بستگی دارد.[۸] قطعات فعال به‌طور ناگهانی بین حالت شارژ و تخلیه سوئیچ می‌کند و بنابراین شکل‌موج تکراری متناوب متغییری تولید می‌کند.[۹][۱۰] این در تضاد با دیگر انواع نوسان‌ساز الکترونیکی، نوسان‌ساز هارمونیکی یا خطی است که از یک تقویت‌کننده با بازخورد برای تحریک نوسانات تشدیدی در یک تشدیدگر و تولید یک موج سینوسی استفاده می‌کند.[۱۱] نوسان‌سازهای آرامشی برای تولید سیگنال‌هایی با فرکانس پایین برای کاربردهایی مانند چراغ چشمک زن (چراق راهنما) و بوق‌های الکترونیکی و در نوسان‌سازهای کنترل‌شده با ولتاژ (وی‌سی‌او)، اینورترها و منبع تغذیه کلیدزنی، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال دو-شیب و فانکشن ژنراتور استفاده می‌شوند.

اصطلاح نوسان‌ساز آرامشی همچنین در بسیاری از زمینه‌های گوناگون علوم که نوسانات غیرخطی تولید می‌کنند به سیستم‌های دینامیکی اطلاق می‌شود و می‌تواند با استفاده از همان مدل ریاضی نوسان‌سازهای آرامشی الکترونیکی تجزیه و تحلیل شود.[۱۲][۱۳][۱۴][۱۵] به عنوان مثال، آبفشان‌های زمین گرمایی،[۱۶][۱۷] شبکه‌های آتش‌کننده سلول‌های عصبی، سیستم‌های گرمایشی کنترل شده با ترموستات[۱۸] واکنش‌های شیمیایی جفت‌شده، تپش قلب انسان زمین‌لرزه‌ها،[۱۹] جیرجیر گچ بر روی تخته‌سیاه، جمعیت چرخه‌ای حیوانات شکارچی و شکار و سامانه‌های فعال‌سازی ژن به عنوان نوسان‌سازهای آرامشی مدل‌سازی شده‌اند. نوسان‌سازهای آرامشی با دو فرایند متناوب در مقیاس‌های زمانی مختلف مشخص می‌شود: یک دوره آرامش طولانی که طی آن سیستم به یک نقطه تعادل نزدیک می‌شود، تناوب با یک دوره تکانشی کوتاه که در آن نقطه تعادل جابجا می‌شود.[۲۰][۲۱][۲۲][۲۳] دوره یک نوسان‌ساز آرامشی عمدتاً توسط ثابت زمان آرامش تعیین می‌شود. نوسان‌سازهای آرامشی نوعی چرخه محدود است و در نظریهٔ کنترل غیرخطی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.[۲۴]

نوسان‌سازهای آرامشی الکترونیکی

[ویرایش]
یک نوسان‌ساز آرامشی مولتی ویبراتور آبراهام-بلوک، فرانسه، ۱۹۲۰ لامپی (جعبه کوچک، سمت چپ). از هارمونیک‌های آن برای کالیبره کردن یک موج سنج (در مرکز) استفاده می‌شود .
نوسان‌ساز مولتی ویبراتور آبراهام-بلوک، لامپی اصلی، از مقاله سال ۱۹۱۹ آنها

اولین مدار نوسان‌ساز آرامشی، مولتی‌ویبراتور آستابل، توسط هنری آبراهام و یوجین بلوک با استفاده از لامپ‌های خلأ در طول جنگ جهانی اول اختراع شد.[۲۵][۲۶] بالتازار وان دِر پُل برای اولین بار نوسان‌ساز آرامشی را از نوسان‌ساز هارمونیکی متمایز کرد، اصطلاح «نوسان‌ساز آرامشی» را به وجود آورد و اولین مدل ریاضی یک نوسان‌ساز آرامشی، مدل قدرت‌مند نوسان‌ساز وان دِر پُل در سال ۱۹۲۰ به دست آورد.[۲۷][۲۸] وان دِر پُل اصطلاح آرامش را از مکانیک گرفته‌است. تخلیه خازن مشابه روند آرامش تنش، از بین رفتن تدریجی تغییر شکل و بازگشت به حالت تعادل در یک محیط غیرکشسان است.[۲۹] نوسان‌ساز آرامشی را می‌توان به دو کلاس تقسیم کرد[۳۰]

  • نوسان‌ساز دندان‌اره‌ای، جاروب یا فلای‌بک: در این نوع، خازن ذخیره‌کننده انرژی به آرامی شارژ می‌شود اما به سرعت و بلافاصله با اتصال کوتاه از طریق قطعه کلیدزنی تخلیه می‌شود؛ بنابراین فقط یک «سطح شیب دار» در شکل موج خروجی وجود دارد که تقریباً کل دوره تناوب را می‌گیرد. ولتاژ روی خازن یک موج دندان‌اره‌ای است، در حالی که جریان عبوری قطعه کلیدزنی توالی پالس‌های کوتاه است.
  • مولتی ویبراتور آستابل: در این نوع، خازن به آرامی از طریق یک مقاومت هم شارژ می‌شود و هم تخلیه می‌شود، بنابراین شکل موج خروجی از دو قسمت تشکیل می‌شود، یک سطح شیب دار افزایشی و یک سطح شیب دار کاهشی. ولتاژ روی خازن یک شکل‌موج مثلثی است، در حالی که جریان عبوری قطعه کلیدزنی یک موج مربعی است.

کاربردها

[ویرایش]

نوسان‌ساز آرامشی معمولاً برای تولید سیگنال‌های با فرکانس پایین برای کاربردهایی مانند چراغ چشمک زن و بوق الکترونیکی استفاده می‌شوند. و سیگنال‌های ساعت در برخی از مدارهای دیجیتالی. در دوران لامپ خلأ از آنها به عنوان نوسان‌سازها در اندام‌های الکترونیکی و مدارهای انحراف افقی و مبنای‌های زمانی برای اسیلوسکوپ‌های سی‌آرتی استفاده می‌شد. یکی از رایج‌ترین مدارهای انتگرال‌گیر میلر بود که توسط آلن بلوملین اختراع شد، که از لامپ‌های خلأ به عنوان منبع جریان ثابت برای تولید یک شکل‌موج سطح شیب‌دار بسیار خطی استفاده می‌کرد.[۳۱] آنها همچنین در نوسان‌سازهای کنترل شده با ولتاژ (وی‌سی‌او)،[۳۲] اینورترها و منابع تغذیه کلیدزنی، مبدل‌های آنالوگ دیجیتال دو-شیب و در فانکشن ژنراتور برای تولید امواج مربعی و مثلثی استفاده می‌شوند. نوسان‌سازهای آرامشی به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا طراحی آنها آسان‌تر از نوسان‌سازهای خطی است، ساخت آنها بر روی تراشه‌های مدار مجتمع آسان‌تر است زیرا به سلف‌هایی مانند نوسان‌سازهای LC نیازی ندارند[۳۳][۳۴] و می‌توان آنها را در محدوده فرکانس وسیعی تنظیم کرد.[۳۵] با این حال آنها دارای نویز فاز[۳۶] بیشتر و پایداری فرکانس ضعیف‌تری نسبت به نوسان‌سازهای خطی هستند.[۳۷][۳۸] قبل از ظهور میکروالکترونیک، نوسان‌سازهای آرامشی ساده اغلب از یک قطعه مقاومت منفی با پسماند مانند لامپ تایترون،[۳۹] لامپ نئون،[۴۰] یا ترانزیستور تک‌پیوندی استفاده می‌کردند، اما امروزه بیشتر آنها با مدارهای مجتمع اختصاصی مانند تراشه تایمر ۵۵۵ ساخته می‌شوند.

نوسان‌ساز پیرسون-آنسون

[ویرایش]
نمودار مدار یک اسیلاتور آرامش خازنی با دستگاه آستانه لامپ نئون

این مثال را می‌توان با خازن یا مدار یکپارچه مقاومتی-خازنی که به ترتیب توسط یک منبع جریان یا ولتاژ ثابت و یک قطعه آستانه‌ای با پسماند (لامپ نئون،[nb ۱][nb ۲] تایترون، دیاک ، ترانزیستور دو قطبی معکوس-بایاس‌شده،[۴۱] یا ترانزیستور تک‌پیوندی) موازی با خازن متصل شده، ساخت.

اجرای جایگزین با تایمر ۵۵۵

[ویرایش]

یک نوسان‌ساز آرامشی مشابه را می‌توان با آی‌سی تایمر ۵۵۵ (در حالت بی‌ثبات عمل می‌کند) که جای لامپ نئون بالا را می‌گیرد، ساخت.

اسیلاتور القایی

[ویرایش]
مبانی اسیلاتور مسدود کننده حالت جامد

یک نوسان‌ساز مهارساز از خواص القایی ترانسفورماتور پالس برای تولید امواج مربعی با راه‌اندازی ترانسفورماتور به حالت اشباع استفاده می‌کند، که سپس جریان تغذیه ترانسفورماتور را تا زمان تخلیه و غیراشباع کردن ترانسفورماتور قطع می‌کند، که پس از آن یک پالس دیگر از جریان تغذیه را می‌چکاند، به‌طور کلی از یک تک ترانزیستور به عنوان عنصر کلیدزنی استفاده می‌شود.

نوسان‌ساز آرامشی برمبنای مقایسه‌گر

[ویرایش]
یک اسیلاتور پسماندی مبتنی‌بر مقایسه‌گر.

مثال: تحلیل معادلات دیفرانسیل یک نوسان‌ساز آرامشی مبتنی‌بر مقایسه‌گر

[ویرایش]
تجزیه و تحلیل گذرا از یک نوسان‌ساز آرامشی مبتنی‌بر مقایسه‌گر.

تنظیم شده با دوسر مقاومت تقسیم ولتاژ:

با استفاده از قانون اهم و معادله دیفرانسیل خازن بدست می‌آید:

بازنویسی مجدد معادلات دیفرانسیل به فرم استاندارد نتایج زیر را ایجاد می‌کند:

توجه داشته باشید که دو جواب برای معادله دیفرانسیل وجود دارد، جواب تحریک شده یا خصوصی و جواب همگن. حل برای جواب تحریک شده، مشاهده کنید که برای این فرم خاص، جواب یک ثابت است. به عبارت دیگر، که در آن A ثابت است و .

با استفاده از تبدیل لاپلاس برای حل معادله همگن منجر می‌شود به

مجموع جواب خصوصی و همگن است.

حل برای B مستلزم ارزیابی شرایط اولیه است. در زمان ۰ ، و . جایگزینی در معادله قبلی ما،

فرکانس نوسان

[ویرایش]

ابتدا بیایید برای سهولت محاسبه فرض کنیم که . با نادیده گرفتن شارژ اولیه خازن، که برای محاسبه فرکانس بی‌ربط است، توجه داشته باشید که شارژها و تخلیه‌ها بین و است. برای مدار بالا، Vss باید کمتر از ۰ باشد. نیمی از دوره تناوب (T) همان زمانی است که از Vdd سوییچ می‌کند. این اتفاق می‌افتد زمانی که V - شارژ می‌شود از به .

وقتی Vss معکوس Vdd نباشد ، باید نگران زمان شارژ و تخلیه نامتقارن باشیم. با در نظر گرفتن این مسئله در نهایت فرمولی از این شکل بدست می‌آوریم:

که منجر به نتیجه فوق می‌شود .

جستارهای وابسته

[ویرایش]

یادداشت

[ویرایش]
  1. When a (neon) cathode glow lamp or thyratron are used as the trigger devices a second resistor with a value of a few tens to hundreds ohms is often placed in series with the gas trigger device to limit the current from the discharging capacitor and prevent the electrodes of the lamp rapidly sputtering away or the cathode coating of the thyratron being damaged by the repeated pulses of heavy current.
  2. Trigger devices with a third control connection, such as the thyratron or unijunction transistor allow the timing of the discharge of the capacitor to be synchronized with a control pulse. Thus the sawtooth output can be synchronized to signals produced by other circuit elements as it is often used as a scan waveform for a display, such as a cathode ray tube.

منابع

[ویرایش]
  1. Graf, Rudolf F. (1999). Modern Dictionary of Electronics. Newnes. p. 638. ISBN 0-7506-9866-7.
  2. Edson, William A. (1953). Vacuum Tube Oscillators (PDF). New York: John Wiley and Sons. p. 3. on Peter Millet's Tubebooks website
  3. Morris, Christopher G. Morris (1992). Academic Press Dictionary of Science and Technology. Gulf Professional Publishing. p. 1829. ISBN 0-12-200400-0.
  4. Du, Ke-Lin; M. N. S. Swamy (2010). Wireless Communication Systems: From RF Subsystems to 4G Enabling Technologies. Cambridge Univ. Press. p. 443. ISBN 1-139-48576-8.
  5. Varigonda, Subbarao; Tryphon T. Georgiou (January 2001). "Dynamics of Relay Relaxation Oscillators" (PDF). IEEE Transactions on Automatic Control. Inst. of Electrical and Electronic Engineers. 46 (1): 65. doi:10.1109/9.898696. Archived from the original (PDF) on 4 March 2016. Retrieved February 22, 2014.
  6. Du, Ke-Lin; M. N. S. Swamy (2010). Wireless Communication Systems: From RF Subsystems to 4G Enabling Technologies. Cambridge Univ. Press. p. 443. ISBN 1-139-48576-8.
  7. Nave, Carl R. (2014). "Relaxation Oscillator Concept". HyperPhysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. Retrieved February 22, 2014. {{cite web}}: External link in |website= (help)
  8. Edson, William A. (1953). Vacuum Tube Oscillators (PDF). New York: John Wiley and Sons. p. 3. on Peter Millet's Tubebooks website
  9. Edson, William A. (1953). Vacuum Tube Oscillators (PDF). New York: John Wiley and Sons. p. 3. on Peter Millet's Tubebooks website
  10. Du, Ke-Lin; M. N. S. Swamy (2010). Wireless Communication Systems: From RF Subsystems to 4G Enabling Technologies. Cambridge Univ. Press. p. 443. ISBN 1-139-48576-8.
  11. Oliveira, Luis B.; et al. (2008). Analysis and Design of Quadrature Oscillators. Springer. p. 24. ISBN 1-4020-8516-8.
  12. DeLiang, Wang (1999). "Relaxation oscillators and networks" (PDF). Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, Vol. 18. Wiley & Sons. pp. 396–405. Retrieved February 2, 2014.
  13. Sauro, Herbert M. (2009). "Oscillatory Circuits" (PDF). Class notes on oscillators: Systems and Synthetic Biology. Sauro Lab, Center for Synthetic Biology, University of Washington. Retrieved November 12, 2019.,
  14. Letellier, Christopher (2013). Chaos in Nature. World Scientific. pp. 132–133. ISBN 9814374423.
  15. Ginoux, Jean-Marc; Letellier, Christophe (June 2012). "Van der Pol and the history of relaxation oscillations: toward the emergence of a concept". Chaos. American Institute of Physics. 22 (2): 023120. arXiv:1408.4890. Bibcode:2012Chaos..22b3120G. doi:10.1063/1.3670008. PMID 22757527. Retrieved December 24, 2014.
  16. Enns, Richard H.; George C. McGuire (2001). Nonlinear Physics with Mathematica for Scientists and Engineers. Springer. p. 277. ISBN 0-8176-4223-4.
  17. Pippard, A. B. (2007). The Physics of Vibration. Cambridge Univ. Press. pp. 359–361. ISBN 0-521-03333-0.
  18. Pippard, The Physics of Vibration, p. 41-42
  19. Enns, Richard H.; George C. McGuire (2001). Nonlinear Physics with Mathematica for Scientists and Engineers. Springer. p. 277. ISBN 0-8176-4223-4.
  20. Ginoux, Jean-Marc; Letellier, Christophe (June 2012). "Van der Pol and the history of relaxation oscillations: toward the emergence of a concept". Chaos. American Institute of Physics. 22 (2): 023120. arXiv:1408.4890. Bibcode:2012Chaos..22b3120G. doi:10.1063/1.3670008. PMID 22757527. Retrieved December 24, 2014.
  21. Enns, Richard H.; George C. McGuire (2001). Nonlinear Physics with Mathematica for Scientists and Engineers. Springer. p. 277. ISBN 0-8176-4223-4.
  22. Pippard, A. B. (2007). The Physics of Vibration. Cambridge Univ. Press. pp. 359–361. ISBN 0-521-03333-0.
  23. Kinoshita, Shuichi (2013). "Introduction to Nonequilibrium Phenomena". Pattern Formations and Oscillatory Phenomena. Newnes. p. 17. ISBN 0-12-397299-X. Retrieved February 24, 2014.
  24. see Ch. 9, "Limit cycles and relaxation oscillations" in Leigh, James R. (1983). Essentials of Nonlinear Control Theory. Institute of Electrical Engineers. pp. 66–70. ISBN 0-906048-96-6.
  25. Abraham, H.; E. Bloch (1919). "Mesure en valeur absolue des périodes des oscillations électriques de haute fréquence (Measurement of the periods of high frequency electrical oscillations)". Annales de Physique. Paris: Société Française de Physique. 9 (1): 237–302. doi:10.1051/jphystap:019190090021100.
  26. Ginoux, Jean-Marc (2012). "Van der Pol and the history of relaxation oscillations: Toward the emergence of a concepts". Chaos 22 (2012) 023120. arXiv:1408.4890. Bibcode:2012Chaos..22b3120G. doi:10.1063/1.3670008.
  27. van der Pol, B. (1920). "A theory of the amplitude of free and forced triode vibrations". Radio Review. 1: 701–710, 754–762.
  28. van der Pol, Balthasar (1926). "On Relaxation-Oscillations". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine 2. 2: 978–992. doi:10.1080/14786442608564127.
  29. Shukla, Jai Karan N. (1965). "Discontinuous Theory of Relaxation Oscillators". Master of Science thesis. Dept. of Electrical Engineering, Kansas State Univ. Retrieved February 23, 2014. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  30. Pippard, A. B. (2007). The Physics of Vibration. Cambridge Univ. Press. pp. 359–361. ISBN 0-521-03333-0.
  31. Puckle, O. S. (1951). Time Bases (Scanning Generators), 2nd Ed. London: Chapman and Hall, Ltd. pp. 15–27.
  32. Abidi, Assad A.; Robert J. Meyer (1996). "Noise in Relaxation Oscillators". Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits: Theory and Design. John Wiley and Sons. p. 182. Retrieved 2015-09-22.
  33. Abidi, Assad A.; Robert J. Meyer (1996). "Noise in Relaxation Oscillators". Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits: Theory and Design. John Wiley and Sons. p. 182. Retrieved 2015-09-22.
  34. van der Tang, J.; Kasperkovitz, Dieter; van Roermund, Arthur H.M. (2006). High-Frequency Oscillator Design for Integrated Transceivers. Springer. p. 12. ISBN 0-306-48716-0.
  35. van der Tang, J.; Kasperkovitz, Dieter; van Roermund, Arthur H.M. (2006). High-Frequency Oscillator Design for Integrated Transceivers. Springer. p. 12. ISBN 0-306-48716-0.
  36. Abidi, Assad A.; Robert J. Meyer (1996). "Noise in Relaxation Oscillators". Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits: Theory and Design. John Wiley and Sons. p. 182. Retrieved 2015-09-22.
  37. Edson, William A. (1953). Vacuum Tube Oscillators (PDF). New York: John Wiley and Sons. p. 3. on Peter Millet's Tubebooks website
  38. Abidi, Assad A.; Robert J. Meyer (1996). "Noise in Relaxation Oscillators". Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits: Theory and Design. John Wiley and Sons. p. 182. Retrieved 2015-09-22.
  39. Puckle, O. S. (1951). Time Bases (Scanning Generators), 2nd Ed. London: Chapman and Hall, Ltd. pp. 15–27.
  40. Puckle, O. S. (1951). Time Bases (Scanning Generators), 2nd Ed. London: Chapman and Hall, Ltd. pp. 15–27.
  41. http://members.shaw.ca/roma/twenty-three.html