نوسانساز
نوسانساز یا اُسیلاتور (Oscillator)، یک مدار الکتریکی است که سیگنال الکتریکی تکرارشونده (نوسانی) تولید می‌کند، اغلب یک موج سینوسی یا مربعی.
نوسان‌سازها بسیار متنوعند، اگر چه 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 (Carrier) فرستنده‌های رادیویی (موج سینوسی)، تولید سیگنال ساعت (کِلاک، Clock) همهٔ سیستم‌های دیجیتالی مانند کامپیوترها (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 از20 Hz تا 20 KHz.
- نوسانساز RF، سیگنال‌هایی را در محدوده فرکانس رادیویی از 100 KHz تا حدود 100 GHz تولید می‌کند.
- نوسانساز فرکانس پایین، سیگنال‌هایی را با فرکانس‌های زیر 20 Hz تولید می‌کند.
نوسانساز را نباید با مولد برق (ژنراتور، Generator) اشتباه گرفت، اگر چه ظاهراً هر دوی آنها موج سینوسی تولید می‌کنند، اما اصول عملکرد، قابلیت‌ها و نیز کاربردهای آنها کاملاً متفاوت است.
نوسانساز خطی
نوسانساز هارمونیک، یا خطی، موج سینوسی تولید می‌کند، و دو نوع دارد؛
نوسانساز فیدبک دار
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 می شود 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 می شود؛ 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 خازن ها تشکیل می شود. 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 می شود، و بنابراین مدار تشدید می‌تواند انرژی الکتریکی نوسانی را در فرکانس تشدیدش 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 (signal generators)، یا فرستنده-گیرنده‌های رادیویی. نوسان‌سازهای هارتلی (Hartley)، کالپیتس (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، فاکتور 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 30 MHz یا کمتر محدودند. اَدَوات موجِ سطحیِ آکوستیکی (surface acoustic wave)، نوع دیگری از تشدیدگرهای پیزوالکتریکی (Piezoelectric) هستند که در نوسان‌سازهای کریستالی استفاده می‌شوند، و می‌توانند به فرکانس‌های بالاتر برسند.
نوسانساز مقاومت منفی
علاوه بر نوسان‌سازهای فیدبک‌دار که از تقویت‌کننده ترانزیستوری و یا آپ‌اَمپی استفاده می‌کنند، نوسان‌سازهای خطی می‌توانند با استفاده از اَدَواتی با مقاومت منفی، مثل لامپ مگنترون (Magnetron) ،دیود تونلی و دیود گان (Gunn) ساخته شوند. نوسان‌سازهای مقاومت منفی اغلب در فرکانس‌های بالا در محدوده میکروموج استفاده می‌شوند، چون در این فرکانس‌ها نوسان‌سازهای فیدبک‌دار 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.
نمونه هایی 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 (Relaxation)
نوسانساز غیرخطی، واهُلِشی، یا رِلاکساسیون (که به اشتباه، رلاکسیون گفته می‌شود)، خروجی غیرسینوسی تولید می‌کند، 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 رلاکساسیون، برای تولید سیگنال ساعت (کلاک) تایمرها و شمارنده‌ها (در دستگاه های 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 زمان (time base) در اسیلوسکوپ‌های آنالوگ و تلویزیون نیز استفاده می‌شدند. مدار چراغ راهنمای چشمک‌زن اتومبیل‌ها نیز از این نوسانساز استفاده می‌کند.
جستارهای وابسته
- نوسانساز کنترل‌شده با ولتاژ
- نوسانساز کنترل‌شده عددی
- نوسانساز نوری الکترونیکی
- حلقه قفل‌شده فاز
- شاخص پایداری بارک‌هاوزن (به انگلیسی: Barkhausen)
