المذبذبات في الاتصالات - Oscillator

إنّ المذبذب هو الجزء الأكثر أهمية في أي نظام اتصال، فهو يحدد تردد القناة أو التوقيت والتزامن في نظام رقمي حيث تكون ضوضاء الطور لأي مذبذب لها حد أدنى أساسي، وإنّه يحد من الكفاءة التي يمكن تحقيقها لاستخدام الطيف ويقلل من معدل الخطأ في التطبيقات العملية، كما يمكن وصف أي مذبذب منخفض الضوضاء على أنّه دائرة ذات ردود فعل إيجابية (Q) مضاعف.

ما هو المذبذب – Oscillator؟

المذبذب (Oscillator): هو الدائرة التي تنتج إشارة مستمرة ومتكررة أي دورية وتكون إمّا موجة جيبية أو موجة مربعة، وتقوم بتحويل التيار المباشر (DC) من مصدر طاقة إلى إشارة تيار متردد (AC) حيث يتم استخدامها على نطاق واسع في العديد من الأجهزة الإلكترونية التي تتراوح من أبسط مولدات الساعة إلى الأدوات الرقمية مثل الآلات الحاسبة وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الطرفية المعقدة.

ومن الأمثلة الشائعة للإشارات التي تم إنشاؤها بواسطة المذبذبات الإشارات التي يتم بثها عن طريق أجهزة الإرسال الإذاعية والتلفزيونية وإشارات الساعة التي تنظم أجهزة الكمبيوتر والكوارتز الساعات والأصوات التي تصدرها أجهزة التنبيه الإلكترونية وألعاب الفيديو.

آلية عمل المذبذبات:

تقوم آلية عمل المذبذبات على تحويل تدفق التيار أحادي الاتجاه (DC) من مصدر التيار المستمر إلى شكل موجة متناوبة تكون بالتردد المطلوب ووفقاً لما تحدده مكونات دائرته، كما يمكن فهم المبدأ الأساسي وراء عمل المذبذبات من خلال تحليل سلوك دائرة (LC)، والتي تستخدم المحرِّض (L) ومكثف مشحون بالكامل (C) في مكوناتها حيث يبدأ المكثف في التفريغ عبر المحرِّض ممّا يؤدي إلى تحويل طاقته الكهربائية إلى المجال الكهرومغناطيسي والذي يمكن تخزينه في المحرِّض، وبمجرد تفريغ المكثف تماماً فلن يكون هناك تدفق تيار في الدائرة.

ومع ذلك، يكون الحقل الكهرومغناطيسي المخزن قد أنتج قوة (emf) خلفية ينتج عنها تدفق التيار عبر الدائرة في نفس الاتجاه الذي كان عليه من قبل حيث يستمر تدفق التيار عبر الدائرة حتى ينهار المجال الكهرومغناطيسي ممّا يؤدي إلى التحويل العكسي للطاقة الكهرومغناطيسية إلى شكل كهربائي، وممّا يتسبب في تكرار الدورة، ومع ذلك فإنّ المكثف الآن سيشحن بالقطبية المعاكسة بسبب حصول المرء على شكل موجة متذبذبة كناتج.

ومع ذلك، فإن التذبذبات التي تنشأ بسبب التحويل البيني بين شكلي الطاقة لا يمكن أن تستمر إلى الأبد لأنّها ستتعرض لتأثير فقدان الطاقة بسبب مقاومة الدائرة، نوتيجة لذلك يتناقص اتساع هذه التذبذبات بشكل مطرد لتصبح صفراً، ممّا يجعلها مغمورة في الطبيعة حيث يشير هذا إلى أنّه من أجل الحصول على التذبذبات المستمرة وذات السعة الثابتة، يحتاج المرء إلى تعويض فقد الطاقة ومع ذلك يجب التحكم في الطاقة الموردة بدقة ويجب أن تكون مساوية للطاقة المفقودة من أجل الحصول على التذبذبات ذات الاتساع الثابت.

من الناحية العملية في مكبرات الصوت، لا تُعد المذبذبات سوى دوائر مكبر للصوت يتم تزويدها بتعليقات إيجابية أو متجددة حيث يتم تغذية جزء من إشارة الناتج إلى المدخلات وهنا يتكون مكبر الصوت من عنصر نشط مضخم يمكن أن يكون ترانزستور أو أمبير، وتكون الإشارة في الطور ذات التغذية الخلفية مسؤولة عن مواكبة أي الحفاظ على التذبذبات من خلال تعويض الخسائر في الدائرة، وبمجرد تشغيل مصدر الطاقة ستبدأ التذبذبات في النظام بسبب الضوضاء الإلكترونية الموجودة فيه حيث تنتقل إشارة الضوضاء هذه حول الحلقة، ويتم تضخيمها وتتقارب إلى موجة جيبية أحادية التردد بسرعة كبيرة.

أنواع Oscillator:

هناك أنواع عديدة من المذبذبات، ولكن يمكن تصنيفها على نطاق واسع إلى فئتين رئيسيتين، هما: المذبذبات التوافقية والمعروفة أيضاً باسم المذبذبات الخطية ومذبذبات الاسترخاء.

في المذبذب التوافقي، يكون تدفق الطاقة دائماً من المكونات النشطة إلى المكونات السلبية ويتم تحديد وتيرة التذبذبات بواسطة مسار التغذية المرتدة، بينما في مذبذب الاسترخاء يتم تبادل الطاقة بين المكونات النشطة والمكونات السلبية ويتم تحديد تواتر التذبذبات بواسطة ثوابت وقت الشحن والتفريغ المتضمنة في العملية، وعلاوة على ذلك تنتج المذبذبات التوافقية مخرجات موجة جيبية منخفضة التشوه بينما تولد مذبذبات الاسترخاء أشكال موجية غير جيبية تأخذ شكل سن المنشار أو مثلثة أو مربعة.

الأنواع الرئيسية للمذبذبات:

• مذبذب جسر فيينا ومذبذب هارتلي.

• مذبذب تحول الطور (RC).

• مذبذب التحكم في الجهد.

• مذبذب كولبيتس.

• مذبذبات كلاب.

• المذبذبات البلورية ومذبذب ارمسترونغ.

• مذبذب جامع مضبوط.

• مذبذب (Gunn).

• المذبذبات المتقاطعة والمذبذبات متعددة الموجات.

• المذبذبات الحلقية والمذبذبات الإلكترونية المقترنة.

• مذبذبات (Dynatron).

• مذبذبات ميسنر ومذبذبات روير.

• المذبذبات الإلكترونية البصرية ومذبذبات خط التأخير.

• المذبذبات بيرس ومذبذبات بيرسون-أنسون.

• مذبذبات روبنسون وثلاثي تيت المذبذبات.

أصناف المذبذبات:

يمكن تصنيف المذبذبات إلى أنواع مختلفة اعتماداً على آلية التغذية الراجعة وشكل الموجة الناتج.

• التصنيف على أساس آلية التغذية الراجعة: مذبذبات التغذية الراجعة الإيجابية ومذبذبات التغذية الراجعة السلبية.

• التصنيف بناءً على شكل الشكل الموجي الناتج: مذبذبات الموجة الجيبية ومذبذبات الموجة المربعة أو المستطيلة ومذبذبات الاجتياح التي تنتج شكل موجة ناتجة كسن المنشار.

• التصنيف بناءً على تردد إشارة الناتج: مذبذبات التردد المنخفض ومذبذبات الصوت التي يكون تردد نواتجها من نطاق الصوت ومذبذبات التردد اللاسلكي والمذبذبات عالية التردد والمذبذبات فائقة التردد.

• التصنيف بناءً على نوع التحكم في التردد المستخدم: مذبذبات (RC) ومذبذبات (LC) ومذبذبات الكريستال التي تستخدم بلورة كوارتز لتنتج شكل موجة ناتج ثابت التردد.

• التصنيف على أساس طبيعة تردد الشكل الموجي الناتج: مذبذبات التردد الثابت ومذبذبات التردد المتغيرة أو المضبوطة.

تطبيقات المذبذب:

المذبذبات طريقة رخيصة وسهلة لتوليد تردد محدد للإشارة، فعلى سبيل المثال يتم استخدام مذبذب (RC) لتوليد إشارة منخفضة التردد، ويتم استخدام مذبذب (LC) لتوليد إشارة عالية التردد ويستخدم مذبذب (Op-Amp) لتوليد تردد ثابت حيث يمكن أن يتنوع تواتر التذبذب عن طريق تغيير قيمة المكون بترتيبات مقياس الجهد، كما تتضمن بعض التطبيقات الشائعة للمذبذبات ما يلي:

• ساعات الكوارتز التي تستخدم مذبذب بلوري.

• يستخدم في أنظمة الصوت وأنظمة الفيديو المختلفة.

• تستخدم في أجهزة الراديووالتلفاز وأجهزة الاتصال الأخرى.

• يستخدم في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكشف عن المعادن وبنادق الصعق والمحولات والموجات فوق الصوتية وتطبيقات التردد اللاسلكي.

• تُستخدم لتوليد نبضات على مدار الساعة للمعالجات الدقيقة وأجهزة التحكم الدقيقة.

• تستخدم في أجهزة الإنذار والطنين.

• تستخدم لتشغيل الأضواء الزخرفة.

أنواع المذبذبات الأساسية المستخدمة في الاتصالات:

• تكمن المذبذبات في قلب العديد من الأنظمة الإلكترونية وأنظمة الاتصالات التي تعتمد على قياس وتنسيق الوقت بدقة حيث يتم استخدامها لتحقيق الاستقرار في مولدات التردد الزمني والتي بدورها توفر إشارات الناقل والطيار للاتصالات الإلكترونية وأنظمة الملاحة.

• توفر المذبذبات إشارات الساعة التي تستخدمها معدات معالجة البيانات، بالإضافة إلى الإشارات المرجعية للأنظمة الأخرى ذات الأغراض الخاصة حيث تعتمد الدقة المطلوبة واستقرار تردد ناتج المذبذب على التطبيق، كما تتراوح من حوالي (± 1000 جزء في المليون) في حالة ساعات المعالجات الدقيقة البسيطة إلى أقل من (± 5 جزء في المليون) للتطبيقات التي تتطلب تحكماً دقيقاً في التردد.

إمكانيات نوع وتصميم المذبذب لا حدود لها تقريباً، وفي الواقع تتوفر المذبذبات التي يتم التحكم فيها بالكريستال في العديد من الأنواع والأحجام التي تستخدم العديد من تصميمات الدوائر المختلفة، ومع ذلك يمكن تجميع المذبذبات التي يتم التحكم فيها بالكريستال في أربع فئات عامة هي: (SPXOs وVCXOs وTCXOs وOCXOs).

متغيرات التذبذب التوافقي:

تُستخدم المذبذبات التوافقية الإلكترونية بشكل شائع في الساعات ودوائر الراديو بسبب موجتها الجيبية التوافقية البسيطة حيث تم تصميم اهتزاز شحنة النواتج للحفاظ على الساعة في الوقت المحدد والراديو مضبوط بشكل صحيح على إشارة البث، ومن أجل الحفاظ على شحنة ناتجة ثابتة يتطلب المذبذب التوافقي شحنة مناسبة.

السمتان الرئيسيتان لهذه الشحنة هما أمبير وقدرات الجهد حيث يمثل أمبير سرعة النقل الكهربائي ويمثل الجهد الكهربائي قوة الشحنة، كما يمكن أن تؤدي الشحنة القوية جداً إلى تعطيل عمل الجهاز الإلكتروني بينما يؤدي ضعف الشحن إلى ظهور إشارة ثابتة لن تكون كافية لتشغيل الجهاز، ويُعد مصدر المقاوم للمذبذب التوافقي مهماً، لضمان توفر مصدر ثابت وموثوق للطاقة لشحن الجهاز بشكل صحيح.

أحد أنواع المذبذبات التوافقية هو المذبذب التوافقي الكمومي، والذي يتضمن مبادئ ميكانيكا الكم لتشغيل الشحنة حيث يتم التحكم في الشحنة بواسطة جزيئات ذرية يمكنها الحفاظ على موجة جيبية لا نهائية تقريباً من الطاقة، كما يتم التحكم في العناصر عالية الجودة مثل الساعات الكمومية بواسطة مذبذبات توافقية كمومية بسبب دقتها.

يمكن إقران المذبذبات التوافقية لإنتاج ترددات شحن أكثر تعقيداً، وهذا يعني أنّ العديد من الرنانات تتصل ببعضها البعض لنقل ترددات الشحن المعقدة التي تعمل على ترددات مختلفة من مذبذب أحادي التوافقية، وقد يكون هذا ضرورياً للآلات الموسيقية الإلكترونية التي تعمل في ظل ظروف مختلفة عند العزف عليها، كما تؤدي المذبذبات التوافقية المخمدة إلى إنتاج شحنة مخمدة أو التي تفشل تدريجياً ممّا ينتج عن هذا موجة جيبية بسيطة تنتهي في النهاية عند مستوى محايد، وهذا النوع من الشحنة مهم للتطبيقات التي لا يحتاج فيها المذبذب للقيام بعمل طويل.