Принсипи кори осцилляторҳо дар электроника
Осциллятор яке аз муҳимтарин схемаҳо дар электроника аст, зеро он сигналҳои давриро мустақилона бидуни ниёз ба вуруди ҷараёни тағйирёбандаи беруна (AC) тавлид мекунад. Қариб ҳамаи дастгоҳҳои муосир аз соатҳо ва радиоҳои рақамӣ то телефонҳои мобилӣ ва компютерҳо то системаҳои алоқаи моҳвораӣ аз осцилляторҳо истифода мебаранд. Ба ибораи дигар, осцилляторро метавон ҳамчун "қалби" схема тасаввур кард, ки импулсҳои такрории сигналро барои танзими вақт (соат), интиқоли иттилоот ё тавлиди мавҷҳои интиқолдиҳанда таъмин мекунад. Дар ин мақола принсипҳои кори осцилляторҳо, ҷузъҳои онҳо ва намудҳои осцилляторҳои маъмулан истифодашаванда баррасӣ мешаванд.
Фаҳмидани осцилляторҳо
Ба таври оддӣ, осциллятор як схемаи электронӣ аст , ки шакли мавҷи электрикии даврӣ, ба монанди мавҷи синусӣ, чоркунҷа, секунҷа ё арраро тавлид мекунад. Хусусияти асосии осциллятор қобилияти он барои тавлиди сигнали такроршавандаи пайваста дар басомади муайян мебошад. Ин басомад вобаста ба талаботи барнома метавонад хеле паст (масалан, чанд Герц) то хеле баланд (ГГц) бошад.
Осцилляторҳо аз тақвиятдиҳандаҳои анъанавӣ фарқ мекунанд. Барои тақвият додан ба тақвиятдиҳандаҳо сигнали вурудӣ лозим аст, дар ҳоле ки осцилляторҳо сигнали худро тавассути механизмҳои бозгашт ва шароитҳои муайяне, ки ларзишро ба вуҷуд меоранд, "эҷод мекунанд".
Консепсияи асосӣ : Фикру мулоҳизаҳои мусбат
Принсипи асосии осцилляторҳо бозгашти мусбат аст. Дар схемаи тақвиятдиҳанда, як қисми сигнали баромад гирифта шуда, ба вуруд баргардонида мешавад. Агар сигнали баргардонидашуда бо вуруд дар фаза бошад, бозгашт мусбат номида мешавад. Бозгашти мусбат сигналро тақвият медиҳад ва агар шартҳо иҷро шаванд, сигнал ба ларзиши устувор табдил меёбад.
Дар амал, осцилляторҳо қариб ҳамеша унсури тақвиятдиҳанда (транзистор, оп-амп ё лампаи вакуумӣ дар технологияҳои кӯҳна) ва инчунин шабакаи интихобии бозгаштро истифода мебаранд, ки басомадро муайян мекунад.
Шароити ба амал омадани лаппиш (Меъёри Баркхаузен)
Барои он ки осциллятор лаппиш кунад, одатан меъёри Баркхаузен истифода мешавад, яъне ду шарти асосӣ:
1. Шароити амплитуда (афзоиши ҳалқа):
Афзоиши ҳалқа ҳангоми оғозёбӣ бояд ба 1 баробар ё каме аз 1 зиёдтар бошад. Аз ҷиҳати математикӣ:
\|Aβ\| ≥ 1
Дар ин ҷо A омили афзоиши пурқувват аст, дар ҳоле ки β омили бозгашт аст.
2. Талабот ба марҳила:
Тағйири умумии фаза дар масири ҳалқа бояд 0° ё зарби 360° бошад. Ин маънои онро дорад, ки сигнале, ки ба вуруд бармегардад, бояд бо сигнали вурудӣ дар фаза бошад.
Агар ин ду шарт иҷро шаванд, сигнали хурд (одатан аз садои гармии ҷузъ сарчашма мегирад) то расидан ба ҳолати устувор пайваста тақвият дода мешавад.
Марҳилаҳои кори осциллятор
1. Оғоз (Оғоз ба ларзиш)
Вақте ки занҷир бори аввал барқ мегирад, сигнали вурудӣ вуҷуд надорад. Аммо, дар дохили ҷузъҳо ҳамеша садои муайяне вуҷуд дорад. Ин садо ба пурқувваткунанда ворид мешавад ва тақвият дода мешавад. Агар дар басомади муайян шабакаи бозгашт ба талаботи фаза ва амплитуда ҷавобгӯ бошад, он ҷузъи басомад бартарӣ пайдо мекунад ва ба афзоиш идома медиҳад.
2. Тақвият ва интихоби басомад
Шабакаҳои бозгашт одатан интихобӣ мебошанд, яъне онҳо танҳо ба басомадҳои муайян имкон медиҳанд, ки бозгашти мусбати дурустро қабул кунанд. Дар натиҷа, осциллятор дар ин басомадҳо кор мекунад, дар ҳоле ки дигар басомадҳо хомӯш карда мешаванд.
3. Устувории амплитуда (ҳолати устувор)
Агар афзоиши ҳалқа аз 1 зиёдтар бошад, амплитуда то он даме, ки схема сер шавад ва таҳрифи шадидро аз сар гузаронад, афзоиш хоҳад ёфт. Барои ба даст овардани натиҷаи устувор, осциллятор механизми маҳдудкунанда ё назораткунандаи амплитударо талаб мекунад, масалан:
– Ғайрихаттии табиии транзисторҳо/ампҳои амалиётӣ,
– Истифодаи диодҳои маҳдудкунанда,
– Чароғи хурди тафсон (дар осциллятори классикии пули Вена),
– AGC (Идоракунии худкори афзоиш) дар баъзе осцилляторҳо.
Дар нуқтаи устувор, фоидаи муассири ҳалқа тақрибан 1 мешавад, то амплитуда дигар зиёд ё кам нашавад.
Унсурҳои муайянкунандаи басомад
Басомади ларзиш одатан аз ҷониби шабакаи муайянкунандаи басомад муайян карда мешавад, масалан:
1. RC (Резистор-Конденсатор)
Муносиб барои басомадҳои паст то миёна (аудио то садҳо кГц).
2. LC (Индуктор-конденсатор)
Барои басомадҳои радиоӣ (садҳо кГц то даҳҳо МГц) маъмул аст.
3. Кристалл (кварс)
Устувории хеле баландбасомадро таъмин мекунад, умумӣ барои соати микроконтроллер, компютерҳо ва коммуникатсия.
Ҳар қадар унсури муайянкунандаи басомад устувортар бошад, ҳамон қадар баромади осциллятор нисбат ба тағирёбии ҳарорат, шиддат ва халалдоршавии сарборӣ устувортар хоҳад буд.
Намудҳои маъмулии осцилляторҳо
1. Осциллятори RC
Осцилляторҳои RC аз комбинатсияи резисторҳо истифода мебаранд ва конденсаторҳо барои ба вуҷуд овардани як гардиши фазаи муайян.
а. Осциллятори гузариши фазаи RC
Бо истифода аз марҳилаҳои сершумори RC бо тағйири умумии фазаи 180°, як тақвиятдиҳандаи инверсионӣ илова карда мешавад, то 180°-и дигарро барои 360° таъмин кунад. Барои тавлиди мавҷҳои синусӣ дар басомадҳои аудио мувофиқ аст.
б) Осциллятори пули Вена
Яке аз машҳуртарин осцилляторҳои синусӣ. Истифодаи пули Вена (омезиши RC) RC-и силсилавӣ ва параллелӣ) ҳамчун муайянкунандаи басомад. Бартарӣ таҳрифи паст аст, агар амплитуда хуб танзим карда шавад, масалан, истифодаи чароғи тафсон ҳамчун унсури идоракунии афзоиш.
2. Осциллятори LC
Осциллятори LC лаппишҳоро дар асоси резонанси занҷири индуктор (L) ва конденсатор (C) ба вуҷуд меорад. Басомади резонансии идеалӣ чунин аст:
\[
f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
\]
Намудҳои маъмул:
– Осциллятори Хартли: аз кранҳо дар як ё ду индуктори пайдарпай истифода мебарад.
– Осциллятори Колпиттс: аз тақсимкунандаи конденсатор (ду конденсатор дар пай) истифода мебарад.
– Осциллятори Клэпп: як варианти Колпиттс бо конденсатори иловагӣ барои устуворӣ.
Осцилляторҳои LC ба таври васеъ дар интиқолдиҳандаҳои радио, қабулкунакҳо, осцилляторҳои бо шиддат идорашаванда (VCO) ва дигар схемаҳои RF истифода мешаванд .
3. Осилятори Кристал
Осцилляторҳои кристаллӣ аз резонанси механикии кристалли кварсии хеле тез (баланди Q) истифода мебаранд. Аз ин рӯ, басомади онҳо хеле дақиқ ва устувор аст. Кристаллҳои маъмулӣ дар 32.768 кГц (соат), 8 МГц, 16 МГц, 25 МГц ва бисёр арзишҳои дигар дастрасанд.
Зиёд:
– Устувории басомади баланд,
– Садои фазаи паст дар муқоиса бо RC/LC-и оддӣ.
Камбудӣ:
– Тағйир додани басомад осон нест,
– Барои он ки кристалл аз ҳад зиёд кор накунад, схемаи драйвери мувофиқ лозим аст.
4. Осциллятори истироҳатӣ
Бар хилофи осциллятори мавҷи синусӣ, осциллятори релаксатсия бо роҳи пур кардан ва холӣ кардани конденсатор мавҷҳои ғайрисинусӣ (чоркунҷа, секунҷа, аррашакл)-ро ба вуҷуд меорад. Мисол:
– Мултивибратори устувор (дар асоси транзистор ё IC 555),
– Осциллятор дар асоси триггери Шмитт.
Ин осциллятор барои генераторҳои импулс, таймерҳо, PWM ва схемаҳои рақамӣ маъмул аст.
Омилҳои муҳим дар тарҳрезии осциллятор
1. Устувории басомад
Таҳаммулпазирии ҷузъҳо, ҳарорат, пиршавӣ ва тағирёбии шиддат таъсир мерасонад. Барои системаҳои дақиқ аксар вақт кристаллҳо ё TCXO/OCXO интихоб карда мешаванд.
2. Садои фаза ва ларзиш
Хеле муҳим аст, ки системаи алоқа ва соати рақамӣ. Садои баланди фаза метавонад сифати модулятсияро паст кунад, BER (сатҳи хатогии бит)-ро афзоиш диҳад ва спектрро халалдор кунад.
3. Таҳрифи мавҷ
Осциллятори синусӣ дар ҳолати идеалӣ таҳрифи паст дорад. Таҳриф дар сурате ба амал меояд, ки назорати амплитуда суст бошад ё тақвиятдиҳанда дар минтақаи ғайрихаттӣ кор кунад.
4. Таъсири бор (боркунӣ)
Агар баромад мустақиман бор карда шавад, шабакаи резонансӣ метавонад тағйир ёбад, ки боиси тағйир ёфтани басомад мегардад. Аз ин рӯ, буферҳо (пайравони эмиттер, буферҳои оп-амп) аксар вақт барои "ҷудо кардани" схемаи муайянкунандаи басомад истифода мешаванд.
Хулоса
Принсипи кори осциллятор дар электроника ба фикру мулоҳизаҳои мусбат ва иҷрои меъёри Баркхаузен такя мекунад: афзоиши кофии ҳалқа ва тағйири умумии фаза 0°/360°. Осциллятор аз садои дохилӣ лаппишҳоро оғоз мекунад, сипас шабакаи муайянкунандаи басомад (RC, LC ё кристалл) басомади мушаххасро интихоб мекунад ва дар ниҳоят амплитуда бо механизми маҳдудкунандаи афзоиш устувор карда мешавад. Намудҳои гуногуни осцилляторҳо - RC, LC, кристалл ва релаксатсия - дар асоси басомад, устуворӣ, шакли мавҷ ва талаботи татбиқ интихоб карда мешаванд. Фаҳмидани ин принсипҳо ба муҳандисон ва донишҷӯёни электроника кӯмак мекунад, ки системаҳои боэътимоди соат, генераторҳои сигнал ва схемаҳои алоқаро тарҳрезӣ кунанд.
Агар шумо хоҳед, ман метавонам мисоли ҳисобкунии басомадро барои яке аз намудҳои осцилляторҳо (масалан, пули Виен ё Колпиттс) дар баробари схемаи асосии схема илова кунам.
