مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة
مذبذب يعمل بالجهد الكهربائي في نطاق الموجات الميكروية (12-18  جيجاهرتز)

المذبذب المُتحكم فيه بالجهد ( VCO ) هو مذبذب إلكتروني يُتحكم في تردد تذبذبه بواسطة جهد دخل . يحدد جهد الدخل المُطبق تردد التذبذب اللحظي. بالتالي، يُمكن استخدام المذبذب المُتحكم فيه بالجهد لتعديل التردد (FM) أو تعديل الطور (PM) بتطبيق إشارة تعديل على دخل التحكم. كما يُعد المذبذب المُتحكم فيه بالجهد جزءًا أساسيًا من حلقة قفل الطور . تُستخدم المذبذبات المُتحكم فيها بالجهد في أجهزة المزج لتوليد شكل موجي يُمكن ضبط درجة صوته بواسطة جهد يُحدده لوحة مفاتيح موسيقية أو أي مدخل آخر.

محول الجهد إلى التردد ( VFC ) هو نوع خاص من مذبذبات التحكم بالجهد (VCO) مصمم ليكون خطيًا للغاية في التحكم بالتردد عبر نطاق واسع من جهود التحكم المدخلة. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

الأنواع

يمكن تصنيف مذبذبات التحكم بالجهد (VCOs) بشكل عام إلى مجموعتين بناءً على نوع شكل الموجة المنتجة. [ 4 ]

  • تُنتج المذبذبات الخطية أو التوافقية موجة جيبية. تتكون المذبذبات التوافقية في الإلكترونيات عادةً من رنان مزود بمضخم يعمل على تعويض فقدان الطاقة في الرنان (لمنع انخفاض السعة) ويعزل الرنان عن الخرج (بحيث لا يؤثر الحمل على الرنان). من أمثلة المذبذبات التوافقية مذبذبات LC ومذبذبات الكريستال .
  • تستطيع مذبذبات الاسترخاء توليد موجة سن المنشار أو موجة مثلثية. وهي شائعة الاستخدام في الدوائر المتكاملة . ويمكنها توفير نطاق واسع من ترددات التشغيل بأقل عدد ممكن من المكونات الخارجية.

التحكم في التردد

رسم تخطيطي لمذبذب بتردد صوتي يتم التحكم فيه بالجهد

المكثف المُتحكم فيه بالجهد هو إحدى طرق تغيير تردد مذبذب LC استجابةً لجهد تحكم. أي ثنائي أشباه موصلات منحاز عكسيًا يُظهر سعةً تعتمد على الجهد، ويمكن استخدامه لتغيير تردد المذبذب بتغيير جهد التحكم المُطبق عليه. تتوفر ثنائيات فاراكتور ذات سعة متغيرة لأغراض خاصة ، تتميز بقيم سعة واسعة النطاق ومحددة بدقة. يُستخدم الفاراكتور لتغيير سعة (وبالتالي تردد) دائرة LC. كما يُمكن للفاراكتور تغيير الحمل على رنان بلوري وسحب تردد رنينه.

يحدث التأثير نفسه مع الترانزستورات ثنائية القطب ، كما وصفه دونالد إي . توماس في مختبرات بيل عام 1954: عند توصيل دائرة رنانة بالمجمع وتطبيق إشارة صوتية معدلة بين الباعث والقاعدة، يتم إنشاء جهاز إرسال FM أحادي الترانزستور. [ 6 ] عمل توماس مع ترانزستور ذي نقطة تلامس ، لكن التأثير يعمل أيضًا في ترانزستورات الوصلة ؛ وتشمل التطبيقات الميكروفونات اللاسلكية مثل تلك التي حصل ريموند أ. ليتك على براءة اختراعها عام 1964. [ 7 ]

بالنسبة للمذبذبات ذات التردد المنخفض، يتم استخدام طرق أخرى لتغيير التردد (مثل تغيير معدل شحن المكثف عن طريق مصدر تيار يتم التحكم فيه بالجهد) (انظر مولد الوظائف ).

يتم التحكم في تردد المذبذب الحلقي عن طريق تغيير إما جهد الإمداد، أو التيار المتاح لكل مرحلة من مراحل العاكس، أو الحمل السعوي على كل مرحلة.

معادلات مجال الطور

تُستخدم مذبذبات التحكم بالجهد (VCOs) في التطبيقات التناظرية مثل تعديل التردد وتعديل إزاحة التردد . قد لا تكون العلاقة الوظيفية بين جهد التحكم وتردد الخرج لمذبذب التحكم بالجهد (خاصةً تلك المستخدمة في ترددات الراديو ) خطية، ولكن ضمن نطاقات صغيرة، تكون العلاقة خطية تقريبًا، ويمكن استخدام نظرية التحكم الخطي. يُعد محول الجهد إلى التردد (VFC) نوعًا خاصًا من مذبذبات التحكم بالجهد، مصممًا ليكون خطيًا للغاية ضمن نطاق واسع من جهود الدخل.

لا يركز تصميم نماذج المذبذبات المتحكم بها بالجهد ( VCOs ) عادةً على السعة أو الشكل (موجة جيبية، موجة مثلثية، موجة سن المنشار)، بل على طورها اللحظي. بمعنى آخر، لا ينصب التركيز على إشارة المجال الزمني A sin( ωt + θ0 ) بل على وسيط دالة الجيب (الطور). لذا، غالبًا ما تتم عملية التصميم في مجال الطور.

غالبًا ما يتم تمثيل التردد اللحظي لمذبذب التحكم بالجهد (VCO) كعلاقة خطية مع جهد التحكم اللحظي الخاص به. وتكون مرحلة خرج المذبذب هي تكامل التردد اللحظي.

و(ت)=و0+ك0⋅ vفي(ت)θ(ت)=∫-∞تو(τ)دτ{\displaystyle {\begin{aligned}f(t)&=f_{0}+K_{0}\cdot \ v_{\text{in}}(t)\\\theta (t)&=\int _{-\infty }^{t}f(\tau )\,d\tau \\\end{aligned}}}
  • و(ت){\displaystyle f(t)}يمثل التردد اللحظي للمذبذب عند الزمن t (وليس سعة شكل الموجة).
  • و0{\displaystyle f_{0}}يمثل التردد الساكن للمذبذب (وليس سعة شكل الموجة).
  • ك0{\displaystyle K_{0}}يُطلق عليه حساسية المذبذب أو كسبه. ووحدته هي هرتز لكل فولت.
  • و(τ){\displaystyle f(\tau )}تردد مذبذب التحكم بالجهد
  • θ(ت){\displaystyle \theta (t)}هي مرحلة خرج مذبذب التحكم بالجهد
  • vفي(ت){\displaystyle v_{\text{in}}(t)}يمثل جهد إدخال التحكم في المجال الزمني أو جهد الضبط لمذبذب التحكم بالجهد

لتحليل نظام التحكم، تعتبر تحويلات لابلاس للإشارات المذكورة أعلاه مفيدة.

F(s)=ك0⋅ Vفي(s)Θ(s)=F(s)s{\displaystyle {\begin{aligned}F(s)&=K_{0}\cdot \ V_{\text{in}}(s)\\\Theta (s)&={F(s) \over s}\\\end{aligned}}}

التصميم والدوائر

يُعد نطاق الضبط، وكسب الضبط، وضوضاء الطور من أهم خصائص مذبذب التحكم بالجهد (VCO). وبشكل عام، يُفضل انخفاض ضوضاء الطور في مذبذب التحكم بالجهد. يؤثر كل من كسب الضبط والضوضاء الموجودة في إشارة التحكم على ضوضاء الطور؛ فارتفاع الضوضاء أو ارتفاع كسب الضبط يعني زيادة ضوضاء الطور. ومن العناصر المهمة الأخرى التي تحدد ضوضاء الطور مصادر ضوضاء الوميض (ضوضاء 1/ f ) في الدائرة، [ 8 ] ومستوى طاقة الخرج، ومعامل الجودة (Q) للمرنان المحمل. [ 9 ] (انظر معادلة ليسون ). تؤثر ضوضاء الوميض منخفضة التردد على ضوضاء الطور لأنها تُخلط مع تردد خرج المذبذب بسبب دالة النقل غير الخطية للأجهزة النشطة. ويمكن تقليل تأثير ضوضاء الوميض باستخدام التغذية الراجعة السالبة التي تُخطّط دالة النقل (على سبيل المثال، انحلال الباعث ).

تتميز مذبذبات التحكم بالجهد (VCOs) عمومًا بمعامل جودة (Q) أقل مقارنةً بمذبذبات التردد الثابت المماثلة، وبالتالي تعاني من ارتعاش أكبر . يمكن تقليل هذا الارتعاش إلى مستوى مناسب للعديد من التطبيقات (مثل تشغيل الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات ASIC)، وفي هذه الحالة، تتمتع مذبذبات التحكم بالجهد بمزايا عدم وجود مكونات خارجية (مكلفة) أو ملفات حث داخلية (ذات إنتاجية منخفضة في عمليات CMOS العامة).

مذبذبات LC

من دوائر المذبذبات ذات التحكم بالجهد (VCO) الشائعة الاستخدام مذبذبات كلاب وكولبيتس . يُعد مذبذب كولبيتس الأكثر استخدامًا بينهما، ويتشابه هذان المذبذبان في التكوين. في أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية المتكاملة ، تُستخدم مذبذبات LC المتقاطعة على نطاق واسع نظرًا لإشارة خرجها التفاضلية، مما يوفر مزايا مقارنةً بالتكوينات التقليدية أحادية الطرف مثل مذبذبات كلاب وكولبيتس. [ 10 ]

المذبذبات البلورية

دائرة متكاملة لتوليد الساعة VCXO بتردد 27  ميجاهرتز (TLSI T73227)، تستخدم في جهاز استقبال DVB-T .

أيُستخدم مذبذب الكريستال المُتحكم فيه بالجهد (VCXO) لضبط تردد التشغيل بدقة. ويمكن تغيير تردد هذا المذبذب ببضع عشرات من الأجزاء في المليون (ppm) ضمن نطاق جهد تحكم يتراوح عادةً بين 0 و3 فولت، وذلك لأن عامل الجودة العالي للبلورات يسمح بالتحكم في التردد ضمن نطاق ضيق فقط.

مذبذب بلوري متحكم فيه بالجهد بتردد 26  ميجاهرتز

أيشتمل مذبذب الكريستال المتحكم بالجهد والمعوض حرارياً (TCVCXO) على مكونات تُصحح جزئياً اعتمادتردد الرنين للبلورة. وبذلك، يكفي نطاق أصغر للتحكم في الجهد لتحقيق استقرار تردد المذبذب في التطبيقات التيدرجة الحرارة، مثلالحرارةداخلجهاز الإرسال.

يُعد وضع المذبذب في فرن بلوري عند درجة حرارة ثابتة أعلى من درجة حرارة المحيط طريقة أخرى لتحقيق استقرار تردد المذبذب. غالبًا ما تُوضع البلورة في فرن خاص بالمذبذبات البلورية عالية الاستقرار، ويُستخدم مدخل جهد للتحكم الدقيق. [ 11 ] تُختار درجة الحرارة لتكون درجة حرارة التحول : وهي درجة الحرارة التي لا تؤثر عندها التغيرات الطفيفة على الرنين. يمكن استخدام جهد التحكم لضبط تردد المرجع بشكل دوري ليتوافق مع مصدر NIST . قد تقوم التصاميم المتطورة أيضًا بضبط جهد التحكم بمرور الوقت للتعويض عن تقادم البلورة.

مولدات الساعة

مولد الساعة هو مذبذب يوفر إشارة توقيت لمزامنة العمليات في الدوائر الرقمية. تُستخدم مولدات الساعة VCXO في العديد من المجالات مثل التلفزيون الرقمي، وأجهزة المودم، وأجهزة الإرسال، والحواسيب. تشمل معايير تصميم مولد الساعة VCXO نطاق جهد الضبط، والتردد المركزي، ونطاق ضبط التردد، وارتعاش التوقيت لإشارة الخرج. الارتعاش هو نوع من ضوضاء الطور التي يجب تقليلها إلى أدنى حد في تطبيقات مثل أجهزة استقبال الراديو، وأجهزة الإرسال، ومعدات القياس.

عند الحاجة إلى نطاق أوسع من ترددات الساعة، يمكن تمرير خرج مذبذب الكريستال المتحكم بالجهد (VCXO) عبر دوائر مقسمة رقمية للحصول على ترددات أقل، أو تغذيته إلى حلقة قفل الطور (PLL). تتوفر دوائر متكاملة (ICs) تحتوي على كلٍ من مذبذب الكريستال المتحكم بالجهد (VCXO) (للاستخدام مع بلورة خارجية) وحلقة قفل الطور (PLL). ومن التطبيقات الشائعة توفير ترددات ساعة تتراوح بين 12 و96  كيلوهرتز لمحول الصوت الرقمي إلى التناظري .

أجهزة توليف التردد

يُنتج مُركِّب التردد ترددات دقيقة وقابلة للتعديل بالاعتماد على إشارة ساعة ثابتة أحادية التردد. ويمكن أن يُستخدم مُذبذب مُتحكَّم به رقميًا، قائم على مُركِّب التردد، كبديل رقمي لدوائر المُذبذب التناظرية المُتحكَّم بها بالجهد.

التطبيقات

جهاز Korg Monologue هو جهاز توليف صوتي أحادي الصوت مزود بمذبذبين للتحكم في الجهد (VCO).

تُستخدم مذبذبات التحكم بالجهد في مولدات الوظائف ، وحلقات قفل الطور ، بما في ذلك أجهزة توليف التردد المستخدمة في معدات الاتصالات وإنتاج الموسيقى الإلكترونية ، لتوليد نغمات متغيرة في أجهزة التوليف .

مولدات الوظائف هي مذبذبات منخفضة التردد تتميز بأشكال موجية متعددة، عادةً ما تكون موجات جيبية ومربعة ومثلثة. مولدات الوظائف المتكاملة يتم التحكم فيها بالجهد.

تحتوي حلقات التزامن الطوري التناظرية عادةً على مذبذبات ذات تحكم بالجهد (VCOs). وتُستخدم مذبذبات VCOs عالية التردد عادةً في حلقات التزامن الطوري لأجهزة استقبال الراديو. ويُعدّ تشويش الطور أهمّ المواصفات في هذا التطبيق.

تُستخدم مذبذبات التحكم بالجهد (VCOs) ذات الترددات الصوتية في أجهزة توليف الموسيقى التناظرية. وتُعدّ نطاقات المسح والخطية والتشويه من أهم المواصفات في هذه الأجهزة. في ثمانينيات القرن الماضي، حلت محل مذبذبات التحكم الرقمي (DCOs) الرقمية، وهي مذبذبات التحكم بالجهد ذات الترددات الصوتية المستخدمة في السياقات الموسيقية، وذلك بفضل استقرار خرجها في مواجهة تغيرات درجة الحرارة أثناء التشغيل. ومنذ تسعينيات القرن الماضي، أصبحت برامج الموسيقى هي الطريقة السائدة لتوليد الصوت.

محولات الجهد إلى التردد هي مذبذبات يتم التحكم فيها بالجهد، وتتميز بعلاقة خطية عالية بين الجهد المطبق والتردد. تُستخدم هذه المحولات لتحويل إشارة تناظرية بطيئة (مثل إشارة محول درجة الحرارة) إلى إشارة مناسبة للإرسال عبر مسافات طويلة، حيث لا ينحرف التردد ولا يتأثر بالضوضاء. قد تُنتج المذبذبات في هذا التطبيق موجات جيبية أو مربعة.

عندما يقوم المذبذب بتشغيل المعدات التي قد تولد تداخل الترددات الراديوية، فإن إضافة جهد متغير إلى مدخل التحكم الخاص به، والذي يسمى التذبذب ، [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] يمكن أن يشتت طيف التداخل لجعله أقل إزعاجًا (انظر ساعة الطيف المنتشر ).

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جودسي، أتول ب.؛ باكشي، يو إيه (2009). الدوائر المتكاملة الخطية وتطبيقاتها . منشورات تقنية. ص  497. ISBN 978-8189411305.
  2. ^ دروسج ، مانفريد. ستيورر، مايكل مورتن (2014). التعامل مع الالكترونيات . والتر دي جرويتر GmbH. ص 4.5.3. رقم ISBN  978-3110385625.
  3. ↑ ساليفاهانان، س. (2008). الدوائر المتكاملة الخطية . دار نشر تاتا ماكجرو هيل للتعليم. ص 515. ISBN  978-0070648180.
  4. ↑ Electrical4U. "مذبذب مُتحكم فيه بالجهد | VCO | Electrical4U" . Electrical4U . تم الاسترجاع بتاريخ 22-04-2021 .{{cite news}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  5. ^ "دي توماس" . آي إي إي إكسبلور . تم الاسترجاع في 15 يناير 2025 .
  6. ↑ توماس، دي إي (فبراير 1954). "جهاز إرسال FM أحادي الترانزستور" (ملف PDF) . الإلكترونيات . 27 (2). ماكجرو هيل: 130-133 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 يناير 2025 .
  7. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 3134074 ، راي أ. ليتك، "جهاز إرسال ميكروفون مزود بهوائي من نوع لافالير"، صدرت في 19 مايو 1964، مسجلة باسم شركة فيغا للإلكترونيات. 
  8. ↑ مذبذب تحكم بالجهد واسع النطاق من هيرلي - جنرال مايكروويف - "للحصول على الأداء الأمثل، يُستخدم ترانزستور ثنائي القطب من السيليكون كعنصر نشط. (وذلك بدلاً من ترانزستورات GaAs FET التي عادةً ما تُظهر أداءً أسوأ في ضوضاء الطور بمقدار 10-20 ديسيبل)" مؤرشف في 8 مارس 2012 في Wayback Machine
  9. ↑ ريا، راندال و. (1997)، تصميم المذبذبات والمحاكاة الحاسوبية ( الطبعة الثانية)، ماكجرو هيل، رقم ISBN  0-07-052415-7
  10. ^ أندرياني ، بيترو. بيفيلاكوا، أندريا (2021). "المذبذبات التوافقية في CMOS - نظرة عامة على البرنامج التعليمي" . مجلة IEEE المفتوحة لجمعية دوائر الحالة الصلبة . 1 : 2– 17. بيب كود : 2021IOJSS...1....2A . دوى : 10.1109/OJSSCS.2021.3109854 . اتش دي ال : 11577/3405060 . ISSN 2644-1349 . 
  11. ↑ على سبيل المثال، مذبذب مرجعي HP/Agilent 10811
  12. ↑ "تعديل تردد ساعات النظام للحد من التداخل الكهرومغناطيسي" (ملف PDF) . hpl.hp.com . HP. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 25 يناير 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يناير 2020 .
  13. ↑ "الحد من التداخل الكهرومغناطيسي عن طريق تقنية التردد المنتشر" . incompliancemag.com . Same Page Publishing. يوليو 2018. تاريخ الاطلاع: 23 يناير 2020 .
  14. ↑ "مذبذب - قابل للبرمجة بواسطة مقاومات ذات طيف منتشر" . www.planetanalog.com . بلانيت أنالوج. 6 يوليو 2004. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يناير 2020 .
  15. ↑ "تقنية التمويه الترددي باستخدام UCC28950 وTLV3201". تقرير تطبيقي من شركة TI . SLUA646. frequency-dithering-with-the-ucc28950-and-tlv3201-1339689710.pdf: TI. مايو 2012.{{cite journal}}: CS1 maint: location ( link )
  16. ↑ بيل، بوب. "تغيير تردد تشغيل محول الطاقة لتقليل ذروة الانبعاثات" (ملف PDF) . m.eetcom . EE Times . تاريخ الاسترجاع: 23 يناير 2020 .
  17. ↑ "دائرة تذبذب التردد لمنظم التردد المسبق لوحدة تصحيح معامل القدرة" (ملف PDF) . www.ti.com . شركة TI . تاريخ الاطلاع: 23 يناير 2020 .