اسیلاتور
یک اسیلاتور، به زبان ساده، یک مدار الکترونیکی است که بدون نیاز به یک سیگنال ورودی، یک سیگنال خروجی تولید می‌کند. اسیلاتورها در بسیاری از وسایل الکترونیکی، از رادیوهای ساده تا سیستم‌های رادار پیچیده، کاربرد دارند. هدف اصلی یک اسیلاتور تولید یک فرکانس خاص است که می‌تواند در طیف وسیعی از وسایل الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد.
اصل اولیه عملکرد یک اسیلاتور، وجود یک شبکه بازخورد یا مسیر بازخورد است. سیگنال خروجی به ورودی بازخورانده می‌شود و حلقه‌ای از سیگنال ایجاد می‌کند که منجر به نوسان می‌شود. سیگنال تولیدی می‌تواند به صورت سینوسی، مربعی، مثلثی یا سایر اشکال موج باشد. اسیلاتورها در فرستنده‌ها و گیرنده‌ها برای تولید و پردازش سیگنال‌های فرکانس رادیویی (RF) استفاده می‌شوند.
اسیلاتور در فرستنده
مولد موج حامل FM
وظیفه: تولید فرکانس حامل که سیگنال اطلاعات بر روی آن مدوله می‌شود.
اهمیت: فرکانس حامل تعیین می‌کند که سیگنال در چه فرکانسی در محیط انتشار منتقل می‌شود.
مثال: در یک ایستگاه رادیویی FM، اسیلاتور فرکانس حامل می‌تواند سیگنالی با فرکانس 98.9 مگاهرتز تولید کند.
اسیلاتورهای HF و VHF
وظیفه: تولید سیگنال‌های فرکانس بالا (HF) و فرکانس بسیار بالا (VHF) برای تقویت و ارسال سیگنال به آنتن.
نحوه عملکرد: این اسیلاتورها سیگنال حامل مدوله شده را به سیگنالی با توان بالا تبدیل می‌کنند که می‌تواند به طور موثر از طریق آنتن منتشر شود.
کاربرد: در فرستنده‌های رادیویی و تلویزیونی برای ارسال سیگنال به گیرنده‌ها.
در گیرنده
اسیلاتور محلی (local oscillator):
وظیفه: تبدیل سیگنال RF دریافت شده از آنتن به فرکانس میانی (IF)
نحوه عملکرد: اسیلاتور محلی سیگنالی با فرکانسی نزدیک به فرکانس حامل سیگنال دریافت شده تولید می‌کند. با مخلوط کردن این دو سیگنال، فرکانس میانی (IF) ایجاد می‌شود.
مزیت: فرکانس میانی فرکانسی ثابت است که فیلتر کردن و تقویت آن آسان‌تر است.
اسیلاتورهای IF:
وظیفه: فیلتر کردن و تقویت سیگنال IF.
نحوه عملکرد: این اسیلاتورها سیگنال IF را در کانال‌های مختلف رادیویی یا تلویزیونی جدا می‌کنند.
کاربرد: در گیرنده‌های رادیویی و تلویزیونی برای انتخاب کانال مورد نظر
اسیلاتور دمدولاتور
وظیفه: دمدولاتور کردن سیگنال اطلاعات از سیگنال حامل.
نحوه عملکرد: این اسیلاتور از سیگنال IF برای بازیابی سیگنال اطلاعات اصلی استفاده می‌کند.
ساختار مختلف اسیلاتورها
اسیلاتور LC یک مدار الکترونیکی است که از ترکیب سلف (L) و خازن (C) برای تولید یک سیگنال الکتریکی با فرکانس نوسانی پایدار استفاده می‌کند.
اجزاء:
سلف (L): یک سیم‌پیچ است که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند.
خازن (C): دو صفحه فلزی است که توسط یک عایق از هم جدا شده‌اند.
نحوه عملکرد: خازن با ولتاژ اولیه شارژ می‌شود. با شارژ شدن خازن، میدان الکتریکی بین صفحات آن ایجاد می‌شود. با قطع شدن منبع ولتاژ، خازن شروع به دشارژ شدن از طریق سلف می‌کند. جریان عبوری از سلف، میدان مغناطیسی در آن ایجاد می‌کند. با تخلیه کامل خازن، میدان مغناطیسی سلف، انرژی خود را به خازن برمی‌گرداند و خازن دوباره شارژ می‌شود. این فرآیند شارژ و دشارژ خازن و سلف به طور متناوب ادامه می‌یابد و نوسانات الکتریکی ایجاد می‌کند.
مزایا: ساده و ارزان، قابل استفاده در طیف گسترده‌ای از فرکانس‌ها
معایب:
دقت فرکانس آنها می‌تواند به دلیل تغییرات دما و ولتاژ ناپایدار باشد. حساسیت به نویز و تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
کاربرد:
در مدارهای ساده مانند رادیوهای AM، به عنوان فیلتر در مدارهای الکترونیکی
یک اسیلاتور، به زبان ساده، یک مدار الکترونیکی است که بدون نیاز به یک سیگنال ورودی، یک سیگنال خروجی تولید می‌کند. اسیلاتورها در بسیاری از وسایل الکترونیکی، از رادیوهای ساده تا سیستم‌های رادار پیچیده، کاربرد دارند. هدف اصلی یک اسیلاتور تولید یک فرکانس خاص است که می‌تواند در طیف وسیعی از وسایل الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد.
اسیلاتور کریستالی
اسیلاتور کریستالی یک مدار الکترونیکی است که از خاصیت پیزوالکتریک کریستال برای تولید فرکانس‌های دقیق و پایدار استفاده می‌کند.
اجزاء:
کریستال کوارتز: یک ماده معدنی با ساختار بلوری خاص است که در اثر عبور جریان الکتریکی، ارتعاش مکانیکی می‌کند.
مدار تقویت کننده: سیگنال الکتریکی ضعیف حاصل از ارتعاش کریستال را تقویت می‌کند.
نحوه عملکرد:
ولتاژ به کریستال کوارتز اعمال می‌شود.
کریستال کوارتز در اثر عبور جریان الکتریکی، ارتعاش مکانیکی می‌کند.
فرکانس ارتعاش کریستال کوارتز به طور دقیق و ثابتی توسط ساختار بلوری آن تعیین می‌شود.
ارتعاش کریستال کوارتز، سیگنال الکتریکی ضعیفی ایجاد می‌کند.
مدار تقویت کننده، سیگنال الکتریکی ضعیف را تقویت می‌کند.
مزایا: دقت فرکانس بالا، پایداری فرکانس در برابر تغییرات دما و ولتاژ
معایب:گران‌تر و پیچیده‌تر از اسیلاتورهای LC، حساسیت به ضربه و ارتعاش
کاربرد: در ساعت‌ها، در تجهیزات مخابراتی، در مدارهایی که نیاز به دقت فرکانس بالا دارند
اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (VCO)
یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (VCO) نوعی اسیلاتور الکترونیکی است که فرکانس نوسان آن توسط یک ولتاژ ورودی کنترل می‌شود. ولتاژ ورودی اعمال شده، فرکانس لحظه‌ای نوسان را تعیین می‌کند. در نتیجه، با اعمال یک سیگنال مدولاسیون به ورودی کنترل، می‌توان از VCO برای مدولاسیون فرکانس (FM) یا مدولاسیون فاز (PM) استفاده کرد. VCO همچنین جزء جدایی ناپذیر یک حلقه قفل فاز (PLL) است. VCOها در سینتی‌سایزرها برای تولید شکل موجی با «گام» قابل تنظیم توسط ولتاژی که توسط کیبورد موسیقی یا ورودی دیگری تعیین می‌شود، به کار می‌روند.
یکی از روش‌های تغییر فرکانس یک اسیلاتور LC در پاسخ به ولتاژ کنترل، استفاده از خازن کنترل‌شده با ولتاژ است. هر دیود نیمه‌رسانا با بایاس معکوس، میزان مشخصی از ظرفیت وابسته به ولتاژ را نشان می‌دهد و می‌تواند با تغییر ولتاژ کنترل اعمال‌شده به دیود، فرکانس اسیلاتور را تغییر دهد. دیودهای واراکتور (varactor) با قابلیت خازنی گسترده و مشخص‌شده به طور ویژه برای این منظور ساخته می‌شوند. از واراکتور برای تغییر ظرفیت (و در نتیجه فرکانس) یک مدار مخزن LC استفاده می‌شود. همچنین یک واراکتور می‌تواند بارگذاری روی یک رزوناتور کریستالی را تغییر داده و فرکانس رزونانس آن را تنظیم کند. برای VCOهای با فرکانس پایین، از روش‌های دیگری برای تغییر فرکانس استفاده می‌شود (مانند تغییر سرعت شارژ خازن با استفاده از یک منبع جریان کنترل‌شده با ولتاژ). فرکانس یک اسیلاتور رینگی با تغییر ولتاژ تغذیه، جریان در دسترس برای هر طبقه مبدل یا بار خازنی روی هر طبقه کنترل می‌شود.
نوسانگر ایده‌آل در مقابل نوسانگر واقعی
همانطور که در مورد سایر قطعات الکترونیکی صادق است، بین عملکرد ایده‌آل و عملکرد واقعی در نوسانگر نیز فاصله زیادی وجود دارد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.
در سمت راست شکل، سه پاسخ فرکانسی مختلف از نوسانگرهای واقعی را مشاهده می‌کنید. اولین نمودار (بالا) رایج‌ترین مشکلات غیر ایده‌آل (ناخواسته) را نشان می‌دهد. بالاترین قله مرکزی، مورد نظر ما از نوسانگر است، اما تمام قله‌های کوچک‌تر دیگر اطراف قله مرکزی، مواردی هستند که ما نمی‌خواهیم. در این مورد، به نظر می‌رسد فاصله بین آن قله‌های کوچک نسبتاً ثابت است که حداقل سرنخی را برای عیب‌یابی به ما می‌دهد. (در اینجا عمیق‌تر به این نوع قله‌های کوچک نمی‌پردازم.) دومین نمودار (وسط) قله‌های کوچک زیادی را در اطراف قله مرکزی نشان می‌دهد، برخی از قله‌ها به نظر می‌رسد در فاصله‌های مشابه و برخی دیگر در فواصل جدید قرار دارند. به طور کلی، پاسخ فرکانس در اطراف قله مرکزی چندان متقارن نیست. سومین نمودار (پایین) قله مرکزی را در امتداد محور فرکانس (محور افقی) بزرگنمایی می‌کند. قله مرکزی یک نوسانگر ایده‌آل باید هر چقدر آن را بزرگ کنید، نوک بسیار تیزی را نشان دهد، اما این قله با پایین آمدن به سمت پایین، نوعی دامنه‌ی باز شونده را نشان می‌دهد. این پدیده به دلیل نویز فاز نوسانگر ایجاد می‌شود و چیزی است که همه می‌خواهند از آن اجتناب کنند، اما حذف کامل آن غیرممکن است.
تغییرات با دما
یک ویژگی مهم دیگر وجود دارد که تفاوت زیادی بین نوسانگرهای ایده‌آل و واقعی ایجاد می‌کند. این مورد در رابطه با تغییرات فرکانس نوسانگر با دما است. انتظار می رود که فرکانس یک نوسان گر به هیچ وجه با دما تغییر نکند، همانطور که در نمودار سمت چپ نشان داده شده است. اما این نوع نوسانگر فقط در ایده ما وجود دارد، نه در واقعیت. نوسانگرهای واقعی، پاسخ فرکانسی نسبت به دما را نشان می‌دهند که در نمودارهای سمت راست دیده می‌شود. این نمودارها تغییرات فرکانس را بر حسب دما نشان می‌دهند و این نوع تغییر فرکانس می‌تواند تأثیر زیادی بر عملکرد یک سیستم ارتباطی داشته باشد. روش‌های مختلفی برای جبران این نوع تغییرات فرکانس وجود دارد (به عنوان مثال، حلقه قفل فاز (PLL)، کنترل فرکانس با اوون و غیره اما حذف کامل این تغییرات فرکانس تقریباً غیرممکن است.
انواع اسیلاتور
انواع مختلفی از اسیلاتور وجود دارد. اگر هر یک از محصولات الکترونیکی خود را باز کنید، ممکن است با اسیلاتورهایی شبیه به شکل (a) تا (d) مواجه شوید. اگر تجهیزات الکترونیکی را باز کنید که به دقت فرکانس بالایی نیاز دارند، اسیلاتورهایی مانند شکل (f) تا (g) را مشاهده خواهید کرد که به آنها OCXO (اسیلاتور کریستالی کنترل شده توسط اوون) گفته می شود.
اگر محصولاتی مانند شکل (j) تا (l) را ببینید، به نظر نمی رسد شبیه یک اسیلاتور باشند، اما من آنها را در دسته اسیلاتور قرار داده ام زیرا عملکرد آنها اساساً مشابه همان اسیلاتورهایی است که به طور معمول می بینیم. اینها مگنترون نامیده می شوند که معمولاً در مایکروویو یا فرستنده های بسیار پرقدرت مانند سیستم رادار استفاده می شوند.
