مبانی اسیلاتور

در بیشتر سیستم های اندازه گیری و ابزار دقیق، تنظیمات تست، تجهیزات عیب یابی الکترونیکی و سایر سیستم های الکترونیکی، ژنراتورهای سیگنال دستگاه های ضروری هستند که برای تولید شکل های موج (یا سیگنال های) مختلف در فرکانس و دامنه مشخص استفاده می شوند.

این سیگنال ها توسط مولدهای سیگنال ارائه می شوند که برای تحریک دستگاه های اندازه گیری الکترونیکی و مدارهای پردازشی مختلف به منظور تبدیل خروجی های مختلف مبدل به اطلاعات مفید استفاده می شوند.

تحریک از مولد سیگنال می تواند سیگنال های AC پایدار یا DC ثابت باشد و همچنین در برخی موارد لازم است دامنه و فرکانس تحریک تغییر کند.

برخی از شکل موج های تولید شده توسط مولدهای سیگنال عبارتند از شکل موج سینوسی، مستطیلی، مثلثی، مربعی و پالسی. در برخی از کاربردها این شکل موج ها باید در فرکانس صوتی و همچنین فرکانس رادیویی باشند.

بنابراین مدارهای الکترونیکی که چنین شکل موجی را با قدر و فرکانس معین تولید می کنند، نوسانگر نامیده می شوند. انواع مختلفی از اسیلاتورها وجود دارند که می توانند خروجی را با فرکانس بالا تا گیگاهرتز تولید کنند.

قبل از اینکه چند نوع نوسانگر را یاد بگیریم، اجازه دهید اصول دخیل در مدارهای اسیلاتور را درک کنیم.

اسیلاتور چیست؟

مدار الکترونیکی که برای تولید سیگنال خروجی با دامنه ثابت و فرکانس دلخواه ثابت استفاده می شود، نوسانگر نامیده می شود. همچنین به عنوان یک مولد شکل موج نامیده می شود که عناصر فعال و غیر فعال را در خود جای می دهد.

وظیفه اصلی یک نوسان ساز تبدیل توان DC به سیگنال دوره ای یا سیگنال AC در فرکانس بسیار بالا است. یک نوسانگر برای تولید موج سینوسی یا تکراری دیگر با بزرگی و فرکانس دلخواه در خروجی و حتی بدون استفاده از قطعات متحرک مکانیکی به هیچ سیگنال ورودی خارجی نیاز ندارد.

در مورد تقویت کننده ها، تبدیل انرژی تا زمانی شروع می شود که سیگنال ورودی در ورودی وجود داشته باشد، یعنی تقویت کننده سیگنال خروجی را تولید می کند که فرکانس یا شکل موج آن شبیه سیگنال ورودی است، اما مقدار یا سطح توان به طور کلی بالا است. اگر سیگنال ورودی در ورودی وجود نداشته باشد، سیگنال خروجی وجود ندارد.

در مقابل، برای شروع یا حفظ فرآیند تبدیل، یک اسیلاتور به هیچ سیگنال ورودی مانند شکل نشان داده شده نیاز ندارد. تا زمانی که برق DC به مدار اسیلاتور متصل است، به تولید سیگنال خروجی با فرکانس تعیین شده توسط اجزای موجود در آن ادامه می دهد.

شکل فوق نمودار بلوک یک نوسان ساز را نشان می دهد. یک مدار نوسان ساز از یک لوله خلاء یا ترانزیستور برای تولید خروجی AC استفاده می کند.

نوسانات خروجی توسط اجزای مدار مخزن یا به صورت R و C یا L و C تولید می شود. برای تولید مداوم خروجی بدون نیاز به ورودی از مرحله قبل ، از یک مدار بازخورد استفاده می شود.

از نمودار بلوک فوق ، مدار نوسان ساز نوسانات تولید می کند که بیشتر توسط تقویت کننده تقویت می شوند. یک شبکه بازخورد بخشی از خروجی تقویت کننده را بدست می آورد و آن را در فاز و بزرگی مدار نوسان ساز تغذیه می کند.

بنابراین ، نوسانات الکتریکی بدون فشار ، با تأمین مداوم تلفاتی که در مدار مخزن رخ می دهد ، تولید می شود.

نظریه نوسان ساز

بیانیه اصلی نوسان ساز این است که نوسان از طریق بازخورد مثبت حاصل می شود که سیگنال خروجی را بدون سیگنال ورودی تولید می کند. همچنین ، افزایش ولتاژ تقویت کننده با افزایش میزان بازخورد مثبت افزایش می یابد.

برای درک این مفهوم ، اجازه دهید یک تقویت کننده غیر وارونه با افزایش ولتاژ "A" و یک شبکه بازخورد مثبت با افزایش بازخورد β در نظر بگیریم ، همانطور که در شکل نشان داده شده است.

بگذارید فرض کنیم که یک سیگنال ورودی سینوسی در مقابل در ورودی اعمال می شود. از آنجا که آمپلی فایر غیر معکوس است ، سیگنال خروجی VO با VS در مرحله است. یک شبکه بازخورد بخشی از VO را به ورودی تغذیه می کند و مقدار VO که از آن تغذیه می شود بستگی به افزایش شبکه بازخورد دارد.

هیچ تغییر فاز توسط این شبکه بازخورد معرفی نمی شود و از این رو ولتاژ بازخورد یا سیگنال VF با VS در مرحله است. گفته می شود که هنگامی که مرحله سیگنال بازخورد همانند سیگنال ورودی است ، بازخورد مثبت است.

افزایش حلقه باز "A" از آمپلی فایر نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی است ، یعنی ،

با در نظر گرفتن تأثیر بازخورد ، نسبت ولتاژ خروجی خالص VO و عرضه ورودی در مقابل به عنوان یک حلقه بسته بسته (افزایش با بازخورد) نامیده می شود.

از آنجا که بازخورد مثبت است ، با افزودن VF به VS ، ورودی به آمپلی فایر تولید می شود.

بستگی به افزایش بازخورد β دارد ، مقدار ولتاژ بازخورد متنوع است ، یعنی ،

جایگزین کردن در معادله فوق ،

سپس سود می شود

af = vo/ (vi - β vo)

با تقسیم هم شماره و هم مخرج توسط vi ، ما دریافت می کنیم

AF = (VO / VI) / (1 - β) (VO / VI)

af = a/ (1- A β) از A = VO/ VI

جایی که Aβ افزایش حلقه است و اگر Aβ = 1 باشد ، پس از آن بی نهایت می شود. از بیان فوق ، واضح است که حتی بدون ورودی خارجی (VS = 0) ، مدار می تواند با تغذیه بخشی از خروجی به عنوان ورودی خود ، خروجی را تولید کند.

و همچنین با افزایش میزان افزایش بازخورد مثبت ، افزایش حلقه بسته افزایش می یابد. نرخ یا فرکانس نوسان به تقویت کننده یا شبکه بازخورد یا هر دو بستگی دارد.

معیار Barkhausen یا شرایط نوسان

هنگامی که دو شرط ، که به عنوان معیارهای Barkhausen شناخته می شوند ، مدار نوسان خواهد کرد. این دو شرط هستند

1. افزایش حلقه باید وحدت یا بیشتر باشد

2. تغذیه سیگنال بازخورد در ورودی باید فاز 360 درجه (که همان درجه صفر است) تغییر یابد. در بیشتر مدارها ، از آمپلی فایر معکوس برای تولید 180 درجه تغییر فاز استفاده می شود و تغییر فاز 180 درجه اضافی توسط شبکه بازخورد ارائه می شود.

تنها در یک فرکانس خاص ، یک مدار سلف تنظیم شده (مدار LC) این تغییر فاز 180 درجه را فراهم می کند.

به ما اطلاع دهید که چگونه می توان این شرایط را بدست آورد.

همان مدار را که در تئوری نوسان ساز گرفته ایم در نظر بگیرید. آمپلی فایر یک تقویت کننده وارونگی اساسی است و تغییر فاز 180 درجه بین ورودی و خروجی ایجاد می کند.

ورودی مورد استفاده در تقویت کننده از طریق خروجی VO توسط شبکه بازخورد حاصل می شود. از آنجا که خروجی با VI خارج است.

بنابراین شبکه بازخورد باید هنگام تغذیه خروجی به ورودی ، از تغییر فاز 180 درجه اطمینان حاصل کند. این چیزی نیست جز تضمین بازخورد مثبت.

بگذارید در نظر بگیریم که یک ولتاژ ساختگی ، VI در ورودی تقویت کننده اعمال می شود ، سپس

مقدار ولتاژ بازخورد با افزایش شبکه بازخورد تصمیم می گیرد.

این علامت منفی نشانگر تغییر فاز 180 درجه است.

جایگزین VO در معادله فوق ، ما می گیریم

در نوسان ساز ، خروجی بازخورد باید تقویت کننده را هدایت کند ، از این رو VF باید به عنوان vi عمل کند. برای دستیابی به این اصطلاح - یک β در بیان فوق باید 1 ، یعنی ،

vf = در مقابل وقتی - β = 1.

این شرایط به عنوان معیار Barkhausen برای نوسان نامیده می شود.

بنابراین ، β = -1 + J0. این بدان معنی است که بزرگی یک β (مدول β) برابر است با 1. علاوه بر بزرگی ، فاز VS باید همان VI باشد. برای انجام این کار ، شبکه بازخورد علاوه بر تغییر فاز (180 درجه) معرفی شده توسط تقویت کننده ، باید تغییر فاز 180 درجه را معرفی کند.

بنابراین تغییر فاز کل در اطراف حلقه 360 درجه است. بنابراین ، در این شرایط نوسان ساز می تواند بدون استفاده از هیچ ورودی ، شکل موج را نوسان کند یا تولید کند (به همین دلیل ما ولتاژ ساختگی را در نظر گرفته ایم).

این مهم است که بدانید چگونه نوسان ساز حتی بدون سیگنال ورودی در عمل شروع به نوسان می کند؟نوسان ساز با تقویت ولتاژ نویز که همیشه موجود است ، تولید نوسانات را شروع می کند. این ولتاژ نویز نتیجه حرکت الکترونهای آزاد تحت تأثیر دمای اتاق است.

این ولتاژ نویز به دلیل شرایط اشباع مدار عملی دقیقاً در سینوسی نیست. با این حال ، این سیگنال بینی سینوسی خواهد بود که مقدار β نزدیک به یک باشد.

در عمل مدول β در ابتدا بیش از 1 ساخته شده است ، برای تقویت ولتاژ سر و صدای کوچک. بعداً مدار خود را تنظیم می کند تا مدول β را بدست آورد و با تغییر فاز 360 درجه برابر است.

طبیعت نوسانات

نوسانات پایدار

نوسانات پایدار چیزی نیست جز نوسانات که با دامنه و فرکانس ثابت نوسان می کند. بر اساس معیار Barkhausen نوسانات پایدار تولید می شود که بزرگی افزایش حلقه یا مدول یک β برابر با یک باشد و تغییر فاز کل در اطراف حلقه 0 درجه یا 360 است که بازخورد مثبت را تضمین می کند.

نوسانات در حال رشد

اگر مدول β یا بزرگی افزایش حلقه از وحدت بیشتر باشد و تغییر فاز کل در اطراف حلقه 0 یا 360 درجه باشد ، نوسانات تولید شده توسط نوسان ساز از نوع رشد است. شکل زیر خروجی نوسان ساز با افزایش دامنه نوسانات را نشان می دهد.

نوسانات پوسیدگی نمایی: اگر مدول β یا بزرگی افزایش حلقه کمتر از وحدت باشد و تغییر فاز کل در اطراف حلقه 0 یا 360 درجه باشد ، پس دامنه نوسانات به صورت نمایی کاهش می یابد و در نهایت این نوسانات متوقف می شود.

طبقه بندی نوسان سازها

نوسان سازها بر اساس عوامل مختلفی مانند طبیعت شکل موج ، دامنه فرکانس ، پارامترهای مورد استفاده و غیره به انواع مختلفی طبقه بندی می شوند. در زیر طبقه بندی گسترده ای از نوسان سازها است.

با توجه به شکل موج تولید شده

بر اساس شکل موج خروجی ، نوسان سازها به عنوان نوسان سازهای سینوسی و نوسان سازهای غیر سینوسی طبقه بندی می شوند.

نوسان سازهای سینوسی

این نوع نوسان ساز جریان یا ولتاژ سینوسی را تولید می کند.

نوسان سازهای غیر سینوئیدی

این نوع نوسان ساز خروجی تولید می کند که دارای شکل موج مثلثی، مربعی، مستطیلی، دندانه ای یا به شکل پالس است.

با توجه به اجزای مدار

بسته به استفاده از قطعات در مدار، اسیلاتورها به نوسانگرهای LC، RC و کریستالی طبقه بندی می شوند. اسیلاتور با استفاده از اجزای سلف و خازن به عنوان نوسانگر LC نامیده می شود در حالی که نوسانگر با استفاده از اجزای مقاومت و خازن به عنوان نوسانگر RC نامیده می شود. همچنین از کریستال در برخی از نوسانگرها که به آنها نوسانگر کریستالی می گویند استفاده می شود.

با توجه به فرکانس تولید شده

از اسیلاتورها می توان برای تولید شکل موج در فرکانس های مختلف از سطوح پایین تا بسیار زیاد استفاده کرد. نوسانگرهای فرکانس پایین یا فرکانس صوتی برای ایجاد نوسانات در محدوده 20 هرتز تا 100-200 کیلوهرتز استفاده می شود که یک محدوده فرکانس صوتی است.

نوسانگرهای فرکانس بالا یا فرکانس رادیویی در فرکانس های بیش از 200-300 کیلوهرتز تا گیگاهرتز استفاده می شود. اسیلاتورهای LC در محدوده فرکانس بالا استفاده می شوند، در حالی که نوسانگرهای RC در محدوده فرکانس پایین استفاده می شوند.

بر اساس استفاده از بازخورد

نوسانگرهای متشکل از شبکه فیدبک برای برآوردن شرایط مورد نیاز نوسانات، نوسانگرهای بازخورد نامیده می شوند. در حالی که نوسانگرهای فاقد شبکه بازخوردی به عنوان نوسانگرهای بدون فیدبک نامیده می شوند.

نوسان ساز آرامش UJT نمونه ای از نوسان ساز بدون فیدبک است که از ناحیه مقاومت منفی ویژگی های دستگاه استفاده می کند.

برخی از نوسان سازهای سینوسی زیر دسته های فوق هستند

• مدارهای تنظیم شده یا نوسانگرهای بازخورد LC مانند هارتلی، کولپیتس و کلاپ و غیره.
• نوسان سازهای تغییر فاز RC مانند نوسان ساز پل Wein.
• نوسانگرهای مقاومت منفی مانند نوسانگر دیود تونلی. مانند نوسانگر پیرس.
• هترودین یا نوسانگر فرکانس ضربان (BFO).

پایداری فرکانس اسیلاتورها

در نوسانگرها، فرکانس نوسانات در یک بازه زمانی طولانی ثابت می ماند. ثبات فرکانس اندازه گیری درجه ای است که فرکانس مورد نظر به دست می آید. اگر ثبات فرکانس بهتر باشد، بسته شدن خروجی یک فرکانس ثابت خواهد بود.

فرکانس نوسان به ویژگی های مختلف مدار مانند اجزای مختلف، ولتاژهای تغذیه، عناصر سرگردان، پارامترهای مشخصه دستگاه های فعال و غیره بستگی دارد.

ناپایداری فرکانس یا تغییرات فرکانس خروجی مورد نظر ممکن است ناشی از تغییرات در عناصر مدار خارجی یا با ویژگی های دستگاه باشد. در نوسان سازهای ترانزیستور مانند نوسان ساز هارتلی یا نوسانگرهای کلپیتس ، فرکانس نوسانات در طول کار طولانی پایدار نیست.

این امر به این دلیل است که خازن موجود در محل اتصال پایه در شرایط مغرضانه معکوس در فرکانس های بالا حاکم است و از این رو بر خازن در مدار مخزن تأثیر می گذارد.

همچنین ، به دلیل تغییر دما ، مقادیر حاکم بر فرکانس مانند ترانزیستور ، سلف ، مقاومت و خازن نیز تغییر می کند.

تغییر فرکانس با دما توسط

S wo t = (ΔW / WR) (ΔT / TR)

جایی که WR و TR به ترتیب فرکانس مورد نظر و دمای کار هستند. ΔW و ΔT به ترتیب تغییر در فرکانس و تغییر دما دارند.

ثبات فرکانس را می توان به عنوان

تغییر فرکانس کوچک در یک فرکانس مورد نظر ، تغییر فاز را معرفی می کند که به عنوان Dθ نشان داده شده است. از این رو اگر مدار مقدار بیشتری از Dθ/DW را ارائه دهد ، نوسان ساز پایدارتر خواهد بود.

پایداری فرکانس را می توان با محصور کردن مدار نوسان ساز در یک محفظه دمای ثابت و با استفاده از دیودهای زنر در مدار برای حفظ ولتاژ ثابت بهبود بخشید.

اثر بارگذاری با اتصال مدار نوسان ساز به بار شل و یا با استفاده از مدار دارای امپدانس خروجی کم و امپدانس ورودی بالا کاهش می یابد.

پایداری دامنه نوسان سازها

ثبات دامنه مقداری را که دامنه خروجی واقعی از دامنه خروجی مورد نظر در یک نوسان ساز متفاوت است ، اندازه گیری می کند. با افزایش سود تقویت کننده ، دامنه شکل موج تغییر می کند.

مقدار افزایش نیز به دلیل اجزای مدار نوسان ساز و از این رو دامنه تغییر می کند. برای ثابت نگه داشتن سود ، از تکنیک های مختلف کنترل افزایش استفاده می شود تا ثبات دامنه حفظ شود.

عامل دیگر تغییر دامنه ولتاژ تأمین است. دامنه شکل موج با تغییر در ولتاژ عرضه تغییر می کند. برای حفظ ثبات دامنه خوب ، از تنظیم کننده های ولتاژ استفاده می شود.

عوامل مؤثر بر پایداری نوسان ساز

پایداری نوسان ساز شامل هم دامنه و هم فرکانس است که به عوامل مختلفی بستگی دارد. با در نظر گرفتن نکات مورد بحث در فرم ذکر شده ، عوامل زیر را دریافت می کنیم.

نقطه عملیاتی

در مورد نوسان سازهای ترانزیستوری ، تغییرات در دستگاه یا پارامترهای ترانزیستور (که متفاوت است بستگی به عملکرد در قسمت غیرخطی دارد) بر پایداری نوسان ساز تأثیر می گذارد. از آنجا که ترانزیستور به گونه ای انتخاب شده است که در منطقه خطی از ویژگی های آن فعالیت می کند.

اجزای مدار

مقادیر اجزای مدار مانند سلف ، خازن و مقاومتها به دما بستگی دارد. اگر مقادیر این مؤلفه ها متفاوت باشد ، در فرکانس نوسانات رانش می شود.

خازن های بین عنصر

یک ترانزیستور از خازن بین عنصر ، یعنی جمع کننده خازن امیتر تشکیل شده است. اگر مقدار این خازن تغییر کند فرکانس نوسانات نیز در حال تغییر است ، از این رو ثبات نوسان ساز است. این اثر را می توان با قرار دادن خازن باتلاق در عناصر متخلف خنثی کرد.

منبع تغذیه

تغییر در ولتاژ منبع تغذیه DC بر فرکانس نوسان ساز تأثیر می گذارد. با استفاده از منبع تغذیه تنظیم شده می توان از این امر جلوگیری کرد.

بار خروجی

عامل Q مدار مخزن به بار خروجی بستگی دارد و از این رو هرگونه تغییر در بار باعث تغییر در فرکانس نوسان می شود. برای نوسان سازهای تنظیم شده ، ثبات فرکانس متناسب با Q یک مدار تنظیم شده است.