نوسان‌ساز

یک نوسان ساز الکتریکی، مدار الکتریکی است که سیگنال الکتریکی تکرارشونده ،نوسانی تولید می‌کند، اغلب یک موج سینوسی یا یکموج مربعی. نوسان سازها جریان مستقیم(DC)را از منبع تغذیه به سیگنالی با جریان متناوب تبدیل می‌کنند. این‌ها به‌طور گسترده درخیلی از دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. مثال‌های رایجی از سیگنال‌هایی که توسط نوسان سازها تولید می‌شوند شامل سیگنال‌هایی که توسطفرستنده‌های رادیو و تلویزیون، پخش می‌شوند، علامت زمان‌سنجی که ساعت‌های کامپیوترها و کوارتزها را تنظیم می‌کنند و صدای تولید شده توسط بیپر الکترونیکی وبازی‌های ویدئویی است.
نوسان سازها اغلب توسطفرکانس سیگنال خروجی خود توصیف می‌شوند.
یک نوسان ساز صوتی، فرکانس‌هایی را در محدوده صوتی تولید می‌کند، تقریبا از20HZ تا 20KHZ.
یک نوسان ساز RF، سیگنال‌هایی را در محدوده فرکانس رادیویی از 100KHZ تا 100GHZ تولید می‌کند.
یکنوسان ساز فرکانس پایین، یک نوسان ساز الکترونیکی است که فرکانس‌های زیر 20HZ تولید می‌کند. این واژه به‌طور نوعی در زمینه ترکیب‌کننده‌های صوتی استفاده می‌شود، برای تشخیص دادن ان از یک نوسان ساز فرکانس صوتی.
نوسان سازهایی که برای تولید یک خروجی AC توان بالا از یک منبع DC طراحی شده‌اند معمولا مبدل‌ها نامیده می‌شوند.
دو نوع اصلی از نوسان سازها وجود دارد: نوسان ساز خطی یا هارمونیک و نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون.
نوسان ساز خطی
نمودار بلوکی یک نوسان ساز خطی پس خورد؛ تقویت‌کننده A با خروجی ولتاژش از طریق یک فیلتر به ورودی ولتاژش فید بک می‌شود.
نوسان ساز هارمونیک، یا خطی یک خروجی سینوسی تولید می‌کند. دو نوع وجود دارد:
نوسان ساز بازخورد
رایج‌ترین نوع یک نوسان ساز خطی، یک تقویت‌کننده الکترونیکی مثل یکترانزیستور یا آپ امپی است که در یک حلقه وصل شده به گونه‌ای که خروجی آن از طریق یک فیلتر الکترونیکی مناسب فرکانس برای تولید بازخورد مثبت به ورودی‌اش پس خورد می‌شود.
وقتی توان به تقویت‌کننده تحویل داده می‌شود و برای اولین بار وصل می‌شود، نویز الکترونیکی در مدار یک سیگنالی را به وجود می‌آورد تا نوسان‌سازی شروع شود، نویز در حلقه می‌چرخد و تقویت می‌شود و فیلتر می‌شود تا خیلی سریع به یک موج سینوسی با فرکانس واحد تبدیل می‌شود.
مدارهای نوسان ساز بازخورد می‌توانند مطابق با نوع فیلتر انتخاب‌کننده فرکانس که در حلقه بازخورد استفاده می‌کنند طبقه‌بندی شوند.
در مدار نوسان ساز RC، فیلتر شبکه از مقاومت‌ها و خازن هاست، نوسان سازهای RC بیشتر برای تولید فرکانس‌های پایین‌تر استفاده می‌شوند، به عنوان مثال در محدوده صوتی. انواع رایج نوسان سازهای RC، نوسان ساز تغییر فاز و نوسان ساز پل وین است.
در مدار نوسان ساز LC، فیلتر یک مدار تشدید (اغلب مدار مخزنی نامیده می‌شود) شامل یکالقاگر(L) و خازن(C) که به هم وصل هستند، است. بار بین صفحه‌های خازن از طریق القاگر جلو و عقب می‌رود و جابه جا می‌شود، بنابراین مدار تشدید می‌تواند انرژی الکتریکی نوسانی را در فرکانس تشدیدش ذخیره کند. در مدار مخزنی مقدار کمی اتلاف وجود دارد، اما تقویت‌کننده ان اتلاف را جبران می‌کند و انرژی را برای سیگنال خروجی فراهم می‌کند. نوسان‌های LC اغلب در فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌شوند، وقتی یک منبع فرکانس تنظیم پذیر لازم است، مثل تولیدکننده‌های سیگنال، فرستنده‌های رادیویی تنظیم پذیر و نوسان سازهای موجود درگیرنده‌های رادیویی. مدارهای نوسان ساز LC نوعی، مدارهای هارتلی، کولپیتس و کلاپ هستند.
در یک مدار نوسان ساز کریستالی، فیلتر یک کریستال فیزوالکتریک (معمولا یک کریستال کوارتز) است. کریستال به‌طور مکانیکی مثل یک تشدیدگر می‌لرزد، و فرکانس لرزش ان، فرکانس نوسان ساز را تعیین می‌کند. کریستال دارای عامل Q خیلی بالایی است، همچنین پایداری دمای بهتری نسبت به مدارهای میزان شده دارد، بنابراین نوسان سازهای کریستالی پایداری فرکانس بهتری نسبت به نوسان سازهای LC و RC دارند. ان‌ها برای ثابت کردن فرکانس بیشترفرستنده‌های رادیویی و برای تولید علامت زمان‌سنج در کامپیوترها و ساعت‌های کوارتز استفاده می‌شوند. نوسان سازهای کریستالی اغلب از مدارهای مشابه استفاده می‌کنند مثل نوسان سازهای LC، با کریستالی که جایگزین مدار تشدید می‌شود؛ مدارهای نوسان ساز شکست معمولا استفاده می‌شوند. کریستال‌های کوارتز به‌طور کلی به فرکانس 30MHZ یا کمتر محدودند. دستگاه‌های سطح موج صوتی نوع دیگری از تشدیدگرهای فیزیوالکتریکی هستند که در نوسان سازهای کریستالی استفاده می‌شوند که می‌توانند به فرکانس‌های بالاتر برسند. این‌ها در وسایل مخصوصی که نیاز به فرکانس بالا دارند مثل تلفن‌های سلول دار استفاده می‌شوند.
نوسان ساز مقاومت منفی
نمودار بلوکی نوعی یک نوسان ساز مقاومت منفی. در بعضی نوع‌ها، دستگاه مقاومت منفی با مدار تشدید موازی وصل شده‌است.
علاوه بر نوسان سازهای بازخوردی که در بالا توصیف شد که المان‌های فعال تقویت‌کننده با دو ورودی مثل ترانزیستور و آپ امپ استفاده می‌کنند، نوسان سازهای خطی هم می‌توانند با استفاده از دستگاه‌هایی با یک ورودی (دو ترمینال) با مقاومت منفی مثل تیوب‌های ماگنترون ،دیودهای تونلی و دیودهای کان ساخته شوند. نوسان سازهای مقاومت منفی اغلب در فرکانس‌های بالا در محدودهمیکرو موج و بالا استفاده می‌شوند، چون در این فرکانس‌ها نوسان سازهای بازخورد به‌طور ناچیز کار می‌کنند که باعث تغییر فاز زیاد در راه بازخورد می‌شود.
در نوسان سازهای مقاومت منفی، مدار تشدید، مثل مدار LC، کریستالی، یا تشدیدگر جعبه‌ای، در میان دستگاه با مقاومت دیفرانسیلی منفی وصل شده و ولتاژ DC بایاس برای فراهم شدن انرژی اعمال می‌شود. مدار تشدید خودش تقریبا یک نوسان ساز است، اگر برانگیخته شود، می‌تواند انرژی را به عنوان نوسان الکتریکی ذخیره کند، اما چون مقداری مقاومت داخلی دارد یا سایر اتلاف‌ها، نوسانات میرا می‌شوند و به صفر افت می‌کنند. در اثر ایجاد یک تشدیدگر با هیچ میرایی، که نوسانات پیوسته خود به خود در فرکانس تشدید تولید می‌کند، مقاومت منفی دستگاه‌های فعال، اتلاف داخلی مقاومت را در تشدیدگر لغو می‌کند.
مدارها
تعدادی از مدارهای نوسان ساز خطی:
نوسان ساز آرمسترانگ
نوسان ساز هارتلی
نوسان ساز کولپیتس
نوسانساز کلاپ
نوسان ساز خط تاخیر
نوسان ساز شکست (کریستال)
نوسان ساز تغییر فاز
نوسان ساز RC (پل وین و تی وین -تی)
نوسان ساز LC تزویج شده
نوسان ساز وکر
نوسان ساز نوری الکترونیکی
نوسان ساز‌تری -تت
نوسان ساز رابینسون
نوسان ساز پیرس
نوسان ساز میلر
نوسان ساز رلاکسیون
نوسان ساز غیرخطی یا رلاکسیون یک خروجی غیر سینوسی تولید می‌کند مثل موج مربعی، دندان اره‌ای یا مثلثی. آن شامل یک المان ذخیره‌کننده انرژی (یک خازن، یا به ندرت یک القاگر) و یک مدار سویچ‌کننده غیرخطی (یک بست، اشمیت تریگر، یا المان مقاومت منفی) که به صورت دوره‌ای انرژی ذخیره شده در المان ذخیره‌کننده را شارژ و دشارژ می‌کند که باعث تغییر ناگهانی در شکل موج خروجی می‌شود.
نوسان ساز رلاکسیون موج مربعی برای تولید علامت زمان‌سنجی مدارهای منطق ترتیبی مثل، تایمرها و شمارنده‌ها استفاده می‌شوند، اگرچه نوسان سازهای بلوری اغلب به خاطر پایداری بیشتر ترجیح داده می‌شوند. نوسان سازهای موج مثلثی یا دندان اره‌ای در مدارهای زمان مبنا که سیگنال‌های افقی برای لوله پرتو کاتدی در اسیلوسکوپ‌های آنالوگ و دستگاه‌های تلویزیون تولید می‌کنند، استفاده می‌شوند. درفانکشن ژنراتورها این موج مثلثی ممکن است با یک تقریب نزدیک به شکل یک موج سینوسی درآید.
نوسان سازهای حلقه‌ای از یک حلقه از طبقه‌های تاخیر فعال ساخته شده‌اند. در حالت کلی حلقه اعداد فرد تبدیل طبقات را دارد، بنابراین هیچ حالت پایداری برای حلقه ولتاژ داخلی وجود ندارد. درعوض یک انتقال حالت بدون پایان در اطراف حلقه پخش می‌شود.
انواع مدارهای نوسان ساز رلاکسیون شامل:
لرزه گر مرکب
نوسان ساز حلقه‌ای
نوسان ساز خط تاخیر
نوسان ساز رویر
نوسان ساز موج چرخان
مقایسه بین نوسان سازهای هارتلی و کولپیتس
تاریخچه
یکی از نوسان سازهای الکترونیکی بود که توسط الیهو توماس در ۱۸۹۲ ساخته شد. نوسان ساز توماس مدار تشدیدLC موازی را با قوس جایگزین کرد، که از الکترودهای فلزی استفاده می‌کرد، و شامل ترکیدن مغناطیسی می‌شد. یک آهنگ قوس دیگر توسط ویلیام دودل در ۱۹۰۰ توصیف شد؛ دودل از الکترودهای کربنی استفاده کرد ولی از ترکیدن مغناطیسی استفاده نکرد. قوس‌های الکتریکی برای بهتر تولید شدت روشنایی در قرن ۱۹ استفاده می‌شدند، اما جریان قوس پایدار نبود، آن‌ها اغلب صداهای هیس، وزوز کردن یا زوزه تولید می‌کردند. دودل یک دانشجو در کالج صنعتی لندن درباره این اثر تحقیق کرد. او مدار LC را به الکترودهای قوس لامپ و مقاومت منفی قوس که فرکانس صوتی نوسانات را در مدار تشدید در فرکانس تشدید ش تحریک می‌کرد، وصل کرد. بعضی از انرژی‌هایی که مثل امواج صوتی از قوس پخش می‌شوند، تولید یک آهنگ موسیقی می‌کنند. دودل برای ثبت کردن نوسان سازش قبل از موسسه مهندسان برق لندن، یک سری از مدارهای تشدید را به قوس سیم کشی کرد و یک آهنگ را نواخت، " خدا ملکه را نجات دهد ". دودل اختراعش را بیشتر توسعه نداد، اما در ۱۹۰۲ فیزیکدان‌های دانمارکی ولدمار پولسن و پی.او. پدرسون قادر بودند فرکانس تولید شده در محدوده رادیویی را افزایش دهند، مبدل فرستنده قوس رادیریی پولسن، اولین فرستنده موج رادیویی پیوسته بود که در سال ۱۹۲۰ استفاده شد.
نوسان ساز بازخورد تیوب خلا در سال ۱۹۱۲ اختراع شد. وقتی که کشف شد، بازخورد در تیوب خلا صوت اخیرا کشف شده می‌تواند نوسان‌هایی تولید کند. حداقل شش محقق به‌طور جداگانه این کشف را انجام دادند، می‌توان گفت که نقشی در اختراع داشتند. در تابستان ۱۹۱۲ ادوین ارمسترانگ نوسانات را در مدارهای گیرنده رادیویی صوت مشاهده کرد و در صدد استفاده از بازخورد مثبت در اختراع گیرنده احیاکننده‌اش برآمد. الکساندر میسنر آلمانی به‌طور جداگانه بازخورد مثبت را کشف کرد و نوسان سازها را در مارج ۱۹۱۳ اختراع کرد. اروینگ لانگ میور در الکتریک عمومی بازخورد را در ۱۹۱۳ مشاهده کرد. فریتز لاوستین ممکن است با یک نوسان ساز خام در ۱۹۱۱ از بقیه جلوتر بوده باشد. در بریتانیا اچ.جی. روند مدارهای تقویت کنندگی و نوسان‌سازی را در ۱۹۱۳ ثبت کرد. در اگوست ۱۹۱۲ لی د فوریست مخترع صوت، نیز نوسانات را در تقویت‌کننده‌اش مشاهده کرد اما نتوانست معنی و مفهوم ان را بفهمد و سعی کود ان را نادیده بگیرد. تا اینکه او حق ثبت اختراع آمسترانگ را در ۱۹۱۴ خواند و خیلی سریع به چالش کشیده شد. آمسترانگ و د فورست جنگ حقوقی طولانی بر سر حقوق مدارهای نوسان ساز احیاکننده داشتند که " پیچیده‌ترین دادخواهی حق امتیاز در تاریخ رادیو " نامیده شده‌است. د فورست سرانجام قبل از دیوان عالی کشور در ۱۹۳۴ بر اساس تکنیک پیروز شد، اما بیشتر منابع ادعای آمسترانگ را قوی‌تر می‌دانند.
نوسان سازهای بازخورد در سال ۱۹۲۰ اساس انتقال رادیو شدند. مسایل ریاضی برای نوسانات بازخورد امروزه بارخایوسن کریتریون نامیده می‌شوند، که توسط هنریک جورج بارخایوسن در ۱۹۲۱ نتیجه گرفته شد. اولین مدل ریاضی پایدار نوسان ساز الکتریکی، نوسان ساز ون در پل، توسط بالتاسار ون در پل در ۱۹۲۷ استنتاج شد. او نشان داد که پایداری نوسانات (سیکل‌های محدود) در نوسان سازهای واقعی به خاطر دستگاه‌های تقویت‌کننده غیرخطی است
به‌طور خلاصه خصوصیات یک اسیلاتور را می‌توان به شرح زیر توصیف نمود:
اسیلاتور یا نوسان‌ساز مداری است که پس از طی مدت زمان کوتاهی پس از اتصال تغذیه مستقیم، به نوسان پایدار می‌رسد.
اسیلاتورها در ابتدا با استفاده از بازخورد مثبت ناپایدار شده و دامنه نوسان رو به افزایش می‌نهد. اما در دامنه‌ای معین این افزایش دامنه متوقف شده و نوسان‌ساز در آن دامنه شروع به نوسان می‌کند.
یک اسیلاتور بایستی دارای بازخورد مثبت برای افزایش دامنه نوسانات باشد.
یک اسیلاتور می‌بایست پس از رسیدن به دامنه نهایی از ناپایدار شدن نوسانات جلوگیری کند؛ و با آن دامنه به نوسانات خود ادامه دهد. این امر از طرق مختلفی قابل دستیابی است. برای مثال استفاده از خاصیت بهره ترانزیستور که در آن با افزایش دامنه سیگنال اعمالی به بیس ترانزیستور، بهره تقویتی ترانزیستور کاهش می‌یابد و به جای تقویت، تضعیف صورت می‌گیرد. بهره متغیر ترانزیستور با پارامتر نشان داده می‌شود و با سیگنال اعمالی به بیس ترانزیستور رابطه معکوس دارد.
نوسان ساز کنترول شده با ولتاژ
نوسان ساز قفل شده القا
نوسان ساز کنترل شده عددی
نوسان ساز نوری الکترونیکی
حلقه قفل شده فاز
پایداری با شاخص بارخایوسن