مذبذب Pierce Oscillators

تتوفر أنواع مختلفة من المذبذبات المتاحة حسب خصائصها وميزاتها، ولكنّ المذبذبات الأكثر استخداماً هي المذبذبات البلورية ومذبذب هارتلي ومذبذب “Dynatron” ومذبذبات “RC”، والهدف الأساسي من هذه المذبذبات هو توليد تذبذبات تردد مستقرة بشكل مستمر ومتكرر، ومن بين جميع الأنواع المختلفة للمذبذبات البلورية تُظهر المذبذبات البلورية ثباتاً ممتازاً للتردد.

ما هو مذبذب Pierce Oscillators؟

مذبذب “Pierce Oscillators”: هو أحد أنواع المذبذبات الإلكترونية المستخدمة بشكل خاص في المذبذبات البلورية لإنشاء تردد ثابت من التذبذبات باستخدام مبدأ التأثير الكهروضغطي، ونظراً للتكلفة والحجم والتعقيد والقوة مقارنة بالمذبذبات القياسية، فهي مفضلة على نطاق واسع في معظم الحلول والأجهزة المدمجة لإنشاء تذبذبات تردد مستقرة، كما يحتوي مذبذب الثقب البسيط على المكونات التالية مثل العاكس الرقمي والمقاوم ومكثفتين وبلورة كوارتز واحدة.

يمكن أن تولد التذبذبات عند تردد الرنين دون أي تشوهات وحتى تأثير درجة الحرارة منخفض جداً في المذبذب البلوري بسبب الميزة الفريدة للمادة البلورية، كما يستخدم المذبذب البلوري مبدأ التأثير الكهرضغطية لتوليد اهتزازات التردد.

• “RC” هي اختصار لـ “resistor-capacitor”.

دائرة مذبذب Pierce Oscillators:

يوضح الشكل التالي الرسم التخطيطي البسيط لمذبذب الثقب ويظهر الشكل الآخر مخطط الدائرة المبسط لمذبذب خارقة، وفي الدائرة يدل “X1” إلى الجهاز البلوري والمقاوم “R1″ كمقاوم ردود الفعل و”U1″ هو عاكس رقمي و”C1″ و”C2” هُما المكثفات المتوازية المتصلة، وهذه تأتي تحت جزء التصميم.

تتم التغذية الراجعة من خلال البلورة، وكما يتم قطع تردد التشغيل عن طريق ضبط “C1″، ولا يمكن ضبط الدائرة على نطاق، لكنّها تفسح المجال للتبديل بين البلورات المختلفة ممّا يسمح لهذا المذبذب بتغطية نطاقات تردد مختلفة، ويعمل “C2” على تجاوز بعض طاقة التغذية المرتدة وبالتالي الحفاظ على نظافة الموجة الجيبية الناتجة، وبدون “C2” سيكون شكل الموجة الناتج موجة مربعة أكثر من موجة جيبية وعادةً ما يتم بناء مذبذب بيرس باستخدام بلورة ذات وضع متوازي تعمل بترددها الأساسي.

آلية عمل مذبذب Pierce Oscillators:

مقاوم التغذية الراجعة “R1” في الشكل السابق هو صنع عاكس خطي عن طريق شحن سعة إدخال العاكس من ناتج العاكس، وإذا كان العاكس مثالياً عندئذٍ مع مقاومة إدخال لانهائية وقيم مقاومة ناتج صفرية، ومع هذا يجب أن تكون الفولتية المدخلات والمخرجات متساوية، لذلك يعمل العاكس في المنطقة الانتقالية.

• يوفر العاكس “U1” تحول طور “180 درجة” في الحلقة.

• تتيح المكثفات “C1″ و”C2” والبلورة “X1” معاً تحولاً إضافياً في الطور بمقدار “180 درجة” للحلقة لتلبية معايير إزاحة الطور “Barkhausen” للتذبذبات.

• كما يتم اختيار قيم “C1″ و”C2” لتكون متساوية.

• في الشكل السابق من مذبذب “Pierce” الكريستال “X1” هو وضع موازٍ مع “C1″ و”C2” للعمل في المنطقة الاستقرائية، وهذا ما يسمى بلورة متوازية.

• لتوليد التذبذبات عند تردد الرنين يجب أن تحقق دائرة المذبذب الشرطين اللذين يطلق عليهما معايير “Parkhausen”، وكما يجب أن تكون قيمة حجم كسب الحلقة هي الوحدة، كما يجب أن يكون قيمة تحول الطور حول الحلقة “360°” أو “0°”.

• إذا كان المذبذب يفي بالشرطين، فيمكن أن يكون مذبذباً جديراً فقط، كما يفي هذا المذبذب بشرط “Barkhausen” السابق من خلال حلقة الدائرة واستخدام العاكس.

تطبيقات مذبذب Pierce Oscillators:

• هذه المذبذبات قابلة للتطبيق في الحلول المدمجة والأجهزة ذات الحلقة المغلقة “PLL”.

• في الميكروفونات والأجهزة التي يتم التحكم فيها بالصوت والأجهزة التي تحول الطاقة الصوتية إلى طاقة كهربائية في تلك الأجهزة، تُفضل هذه الأجهزة نظراً لعامل ثبات التردد الممتاز.

• نظراً لتكلفة تصنيعها المنخفضة، فهي مفيدة في معظم التطبيقات الإلكترونية الاستهلاكية.

وبالتالي، فإنّ مذبذب بيرس هو مذبذب يستخدم على نطاق واسع في الحلول المدمجة وبعض الأجهزة بسبب دارته البسيطة وتردد الرنين المستقر، كما لا يمكن أن تؤثر أي معلمة على تردد الرنين، لذلك يمكن أن يولد ترددات ثابتة من التذبذبات، ولكن في عدد قليل من المحولات الرقمية يكون تأخير الانتشار صغيراً جداً، لذلك يتم الحاجة إلى التفكير في أيُّهما لا يحتوي على مزيد من التأخير في الانتشار.

ملاحظة:“PLL” هي اختصار لـ “phase-locked loop”.

مبدأ عمل مذبذب Pierce Oscillators:

إنّ عاكس “CMOS” الفردي متحيز لتشكيل مضخم خطي عن طريق “R1″، كما يمكن رؤية بلورة متصلة بين المدخلات والمخرجات لدائرة الثقب من خلال مكثف الانتهازي “TCI”، وتم تصميم هذه الدائرة المقترحة للعمل بتردد الرنين المتسلسل للبلورة، كما لم يتم استخدام ردود فعل إيجابية بين ناتج ومدخلات الدائرة، وهذا لأنّ مدخلات ومخرجات مضخم “CMOS” تعمل في وضع الطور المضاد.

مع الرنين المتسلسل قد يبدو كما لو أنّ البلورة توفر ردود فعل سلبية لمكبر الصوت، ومع ذلك قد لا يكون هذا صحيحاً في الواقع، لأنّ “C1″ و”C2” ينشئان نقرة مركزية كاباشطة حول البلورة، حيث يمكن رؤية الصنبور المركزي على الأرض.

تتصرف البلورة نتيجة لذلك كشكل من أشكال المحولات التي تعمل في وضع الرنين المتسلسل، وذلك باستخدام زوج من التوصيلات التي تعمل في الطور المضاد، وبالتالي قد يتم إيجاد تحولاً في الطور بمقدار “180 درجة” عن طريق مضخمين وبلورة وأيضاً مع ردود فعل إيجابية.

تم تضمين “TC1” لتكييف تردد تذبذب الدائرة لمطابقة التردد الاسمي للبلورة، ولكن على أي حال يمكن حذف هذه الوظيفة المحددة في حالة عدم الحاجة إليها، ويمكن إزالة “TC1” ويمكن توصيل البلورة مباشرةً عبر “R1”.

يمكن رؤية المكثفات “C1″ و”C2” بقيم “470 pF” لكل منهما في تصميم الدائرة المثقوبة، ومع هذه القيم يجب أن تتأرجح الدائرة دون أي مشاكل ضمن نطاق واسع من الترددات، وإذا كان التردد بضع ميجاهرتز فقط فقد يتم تقليل قيمة “C1″ و”C2” نسبياً حتى تتمكن من الحفاظ على التذبذب بشكل صحيح، وبدلاً من ذلك عندما تكون الترددات أقل من بضع “100 كيلو هرتز” يمكن تحديد قيم “C1″ و”C2” أكبر قليلاً.

• “TC” هي اختصار لـ “Crystal Oscillator”.

• “CMOS” هي اختصار لـ “Complementary metal–oxide–semiconductor”.

آلية عمل مذبذب “Pierce Oscillators” باستخدام “FET”:

من مزايا دائرة المذبذب الكريستالي بيرس أنّها لا تتطلب أي تعديلات ضبط، ويوضح الشكل التالي كيفية بناء دائرة مذبذب بيرس باستخدام ترانزستور وحيد التأثير “2N3823” أو “2N3821″ و”2N3822”.

في هذا الإعداد يتم تحريك بلورة الكوارتز “XTAL” بين مراحل الإخراج الخاصة بـ “FET” والبوابة أو الإدخال ولا يقوم حصر التردد اللاسلكي “2.5 مللي أمبير في الساعة” بضبط الدائرة عادةً، ولكنّه يساعد فقط على إبقاء طاقة التردد اللاسلكي بعيداً عن مصدر التيار المستمر، وتبدأ الدائرة في تأرجح المفتاح اللحظي “S1” في وضع التشغيل.

يتم توفير اقتران الناتج السعوي عن طريق المكثف “C1” والذي يضمن أن تكون مقاومة الحمل الخارجية عالية بما يكفي بحيث لا تفرط في تحميل الدائرة وتدمر التذبذبات، وخلال الوقت الذي تتأرجح فيه دائرة المذبذب المثقوب عند التردد البلوري؛ فإنّها تصل إلى حوالي “2.3 مللي أمبير” من التيار المستمر بجهد “12 فولت”.

في هذا الوقت وبدون أي حمل تبلغ سعة إشارة ناتج التردد اللاسلكي “6.2 فولت” “RMS” وتم تنفيذ ذلك بتردد “7 ميجاهرتز”، كما تم تصميم دائرة بيرس بحيث تتأرجح عند التردد الأساسي للبلورة، ومن ثم في حالة وجود بلورة من النوع التوافقي، سيحدث التذبذب في التردد الأساسي للبلورة وليس بالضرورة في التردد المحدد “التوافقي”، وبالإضافة إلى ذلك يتطلب مذبذب بيرس بلورة نشطة للغاية.

• “FET” هي اختصار لـ “field-effect transistor”.

• “RMS” هي اختصار لـ “Root Mean Square value”.