ออสซิลเลเตอร์: คืออะไร? (นิยาม ประเภท และการใช้งาน)

อสซิลเลเตอร์คืออะไร?

อสซิลเลเตอร์เป็นวงจรที่สร้างคลื่นรูปแบบสลับซ้ำอย่างต่อเนื่องโดยไม่จำเป็นต้องมีการป้อนข้อมูลเข้ามา อสซิลเลเตอร์จะแปลงกระแสไฟฟ้าทางเดียวจากแหล่งจ่ายไฟ DC เป็นคลื่นสลับที่มีความถี่ตามที่ต้องการ โดยขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของวงจร

หลักการพื้นฐานในการทำงานของอสซิลเลเตอร์สามารถเข้าใจได้จากการวิเคราะห์พฤติกรรมของวงจร LC ที่แสดงในรูปที่ 1 ด้านล่าง ซึ่งใช้อินดักเตอร์ L และคาปาซิเตอร์ C ที่ชาร์จไฟเรียบร้อยแล้วเป็นส่วนประกอบ ในกรณีนี้ คาปาซิเตอร์จะเริ่มปล่อยประจุผ่านอินดักเตอร์ ทำให้พลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถเก็บไว้ในอินดักเตอร์ หลังจากที่คาปาซิเตอร์ปล่อยประจุหมด จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร

อย่างไรก็ตาม ณ ขณะนั้น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เก็บไว้จะสร้างแรงดันกลับทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรในทิศทางเดิม กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรจะดำเนินต่อไปจนกว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะหายไป ทำให้พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนกลับเป็นพลังงานไฟฟ้า ทำให้วงจรทำงานซ้ำ แต่คราวนี้คาปาซิเตอร์จะชาร์จด้วยขั้วลบ ทำให้ได้คลื่นสลับเป็นผลลัพธ์

อย่างไรก็ตาม การแกว่งตัวที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงระหว่างสองรูปแบบพลังงานไม่สามารถดำเนินต่อไปได้ตลอดเวลา เนื่องจากจะมีการสูญเสียพลังงานจากความต้านทานของวงจร ทำให้ขนาดของการแกว่งตัวลดลงอย่างต่อเนื่องจนกลายเป็นศูนย์ ทำให้การแกว่งตัวมีลักษณะที่ลดลง

นี่หมายความว่า เพื่อให้ได้การแกว่งตัวที่ต่อเนื่องและมีขนาดคงที่ เราต้องทดแทนพลังงานที่สูญเสียไป อย่างไรก็ตาม ควรทราบว่าพลังงานที่ป้อนเข้ามาต้องควบคุมอย่างแม่นยำและเท่ากับพลังงานที่สูญเสียเพื่อให้ได้การแกว่งตัวที่มีขนาดคงที่

เพราะหากพลังงานที่ป้อนเข้ามามากกว่าพลังงานที่สูญเสีย ขนาดของการแกว่งตัวจะเพิ่มขึ้น (รูปที่ 2a) ทำให้ได้สัญญาณที่บิดเบือน ในขณะที่หากพลังงานที่ป้อนเข้ามาน้อยกว่าพลังงานที่สูญเสีย ขนาดของการแกว่งตัวจะลดลง (รูปที่ 2b) ทำให้การแกว่งตัวไม่ยั่งยืน

ในทางปฏิบัติ อสซิลเลเตอร์ไม่ใช่อะไรนอกจากวงจรขยายที่ได้รับการป้อนกลับเชิงบวกหรือการป้อนกลับที่ฟื้นฟู ซึ่งส่วนหนึ่งของสัญญาณออกจะถูกป้อนกลับไปยังสัญญาณเข้า (รูปที่ 3) ที่นี่วงจรขยายประกอบด้วยองค์ประกอบที่มีการขยายเช่นทรานซิสเตอร์หรือโอเปอแอมป์ และสัญญาณป้อนกลับที่อยู่ในเฟสเดียวกันจะรับผิดชอบในการรักษา (ยั่งยืน) การแกว่งตัวโดยการทดแทนการสูญเสียในวงจร

เมื่อสวิตช์เปิดไฟฟ้า ระบบจะเริ่มการแกว่งตัวเนื่องจากสัญญาณเสียงรบกวนที่มีอยู่ในระบบ สัญญาณเสียงรบกวนนี้จะเดินทางรอบวงจร ได้รับการขยายและรวมตัวเป็นคลื่นไซน์ที่มีความถี่เดียวอย่างรวดเร็ว สมการสำหรับการขยายวงจรป้อนกลับของอสซิลเลเตอร์ที่แสดงในรูปที่ 3 คือ:

เมื่อ A คือการขยายแรงดันของวงจรขยายและ β คือการขยายของวงจรป้อนกลับ ที่นี่ หาก Aβ > 1 ขนาดของการแกว่งตัวจะเพิ่มขึ้น (รูปที่ 2a); ในขณะที่หาก Aβ < 1 ขนาดของการแกว่งตัวจะลดลง (รูปที่ 2b) แต่หาก Aβ = 1 จะทำให้การแกว่งตัวมีขนาดคงที่ (รูปที่ 2c) นั่นคือ ถ้าการขยายวงจรป้อนกลับมีขนาดเล็ก การแกว่งตัวจะหายไป แต่หากการขยายวงจรป้อนกลับมีขนาดใหญ่ ผลลัพธ์จะบิดเบือน และเฉพาะเมื่อการขยายวงจรป้อนกลับเท่ากับ 1 การแกว่งตัวจะมีขนาดคงที่ทำให้ได้วงจรแกว่งตัวที่ยั่งยืน

ประเภทของอสซิลเลเตอร์

มีอสซิลเลเตอร์หลายประเภท แต่สามารถแบ่งออกเป็นสองหมวดหลัก ๆ คือ อสซิลเลเตอร์ฮาร์โมนิก (หรือเรียกว่าอสซิลเลเตอร์เชิงเส้น) และอสซิลเลเตอร์ผ่อนคลาย

ในอสซิลเลเตอร์ฮาร์โมนิก พลังงานจะไหลจากองค์ประกอบที่ใช้งานไปยังองค์ประกอบที่ไม่ใช้งาน และความถี่ของการแกว่งตัวจะถูกกำหนดโดยเส้นทางป้อนกลับ

ในขณะที่ในอสซิลเลเตอร์ผ่อนคลาย พลังงานจะแลกเปลี่ยนระหว่างองค์ประกอบที่ใช้งานและองค์ประกอบที่ไม่ใช้งาน และความถี่ของการแกว่งตัวจะถูกกำหนดโดยค่าคงที่เวลาในการชาร์จและปล่อยประจุ นอกจากนี้ อสซิลเลเตอร์ฮาร์โมนิกจะสร้างคลื่นไซน์ที่มีความบิดเบือนน้อย ในขณะที่อสซิลเลเตอร์ผ่อนคลายจะสร้างคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์ (คลื่นฟันเลื่อย คลื่นสามเหลี่ยม หรือคลื่นสี่เหลี่ยม)

ประเภทหลักของอสซิลเลเตอร์ ได้แก่:

• อสซิลเลเตอร์สะพานวีน

• อสซิลเลเตอร์เปลี่ยนเฟส RC

• อสซิลเลเตอร์ฮาร์ตเลย์

• อสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดัน

• อสซิลเลเตอร์คอลพิตส์

• อสซิลเลเตอร์คลาปป์

• อสซิลเลเตอร์คริสตัล

• อสซิลเลเตอร์อาร์มสตรอง

• อสซิลเลเตอร์ตัวเก็บคอลเลคเตอร์ที่ปรับได้

• อสซิลเลเตอร์กันน์

• อสซิลเลเตอร์เชื่อมโยงกัน

• อสซิลเลเตอร์วงแหวน

• อสซิลเลเตอร์ไดนาโทรน

• อสซิลเลเตอร์ไมส์เซอร์

• อสซิลเลเตอร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

• อสซิลเลเตอร์เพียร์ซ

• อสซิลเลเตอร์โรบินสัน

• อสซิลเลเตอร์ไตรเทต

• อสซิลเลเตอร์เพียร์สัน-แอนสัน

• อสซิลเลเตอร์สายล่าช้า

• อสซิลเลเตอร์รอยเออร์

• อสซิลเลเตอร์เชื่อมโยงอิเล็กตรอน

• อสซิลเลเตอร์หลายคลื่น

อสซิลเลเตอร์ยังสามารถแบ่งออกเป็นหลายประเภทขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่พิจารณา ได้แก่ ตามกลไกป้อนกลับ รูปร่างของคลื่นสัญญาณออก ฯลฯ ประเภทการแบ่งประเภทเหล่านี้ได้ระบุไว้ดังนี้:

1. การแบ่งประเภทตามกลไกป้อนกลับ: อสซิลเลเตอร์ป้อนกลับเชิงบวกและอสซิลเลเตอร์ป้อนกลับเชิงลบ

2. การแบ่งประเภทตามรูปร่างของคลื่นสัญญาณออก: อสซิลเลเตอร์คลื่นไซน์ อสซิลเลเตอร์คลื่นสี่เหลี่ยมหรือคลื่นสี่เหลี่ยมผืนผ้า อสซิลเลเตอร์สแกน (ซึ่งสร้างคลื่นสัญญาณออกเป็นคลื่นฟันเลื่อย) ฯลฯ

3. การแบ่งประเภทตามความถี่ของสัญญาณออก: อสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำ อสซิลเลเตอร์เสียง (ซึ่งสัญญาณออกมีความถี่อยู่ในช่วงเสียง) อสซิลเลเตอร์ความถี่วิทยุ อสซิลเลเตอร์ความถี่สูง อสซิลเลเตอร์ความถี่สูงมาก อสซิลเลเตอร์ความถี่สูงมาก ๆ ฯลฯ

4. การแบ่งประเภทตามประเภทของวงจรควบคุมความถี่: อสซิลเลเตอร์ RC อสซิลเลเตอร์ LC อสซิลเลเตอร์คริสตัล (ซึ่งใช้คริสตัลควอตซ์เพื่อให้ได้คลื่นสัญญาณออกที่มีความถี่คงที่) ฯลฯ

5. การแบ่งประเภทตามธรรมชาติของความถี่ของคลื่นสัญญาณออก: อสซิลเลเตอร์ความถี่คงที่และอสซิลเลเตอร์ความถี่ปรับได้หรือความถี่ที่สามารถปรับได้

การประยุกต์ใช้อสซิลเลเตอร์

อสซิลเลเตอร์เป็นวิธีที่ราคาถูกและง่ายในการสร้างสัญญาณที่มีความถี่เฉพาะ เช่น อ