درسنامه آموزشی ساخت پروژه (برد الکترونیکی دستگاه) کلاس یازدهم الکترونیک

واحد یادگیری 6: ساخت پروژه کاربردی مخابراتی

آیا تا به حال فکر کرده‌اید؟

- فرکانس‌ها چگونه دسته‌بندی می‌شوند و هر محدوده فرکانسی چه کاربردی دارد؟
- چه مدارهایی فرکانس‌های مختلف را از یکدیگر جدا می‌کنند؟
- چگونه می‌توانیم با منبع DC، موج متناوب تولید کنیم؟
- پیام‌های صوتی و تصویری چگونه در فضا پخش و ارسال می‌شوند؟
- آیا با عملکرد سامانه‌های مخابراتی مانند تلفن و موبایل آشنا هستید؟
- انتقال داده‌ها از طریق تلفن جهت کنترل دستگاه‌ها چگونه انجام می‌شود؟
- سامانه‌های مخابراتی چه کاربردی در کنترل دستگاه‌ها دارند؟
- چه ضرورتی برای هوشمندسازی ساختمان‌ها وجود دارد؟
- سامانه‌های کنترلی در ساختمان هوشمند چگونه عمل می‌کنند؟

یکی از مهم‌ترین امواجی که در زندگی روزمره با آن سروکار داریم، امواج صوتی و تصویری است. از طریق این امواج با هم گفت‌وگو و تبادل اطلاعات می‌کنیم. در مخابرات دسته بندی امواج، کاربرد آن‌ها و چگونگی ارسال و دریافت پیام از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. لذا در این واحد یادگیری، در مورد انواع فرکانس‌ها، کاربرد آن‌ها، چگونگی جداسازی فرکانس‌ها از یکدیگر، اصول نوسان‌سازی و شناخت انواع مدولاسیون بحث می‌کنیم و به انجام برخی آزمایش‌های مرتبط به‌صورت نرم‌افزاری و سخت‌افزاری می‌پردازیم و در نهایت یک پروژه مخابراتی را دربارۀ ساختمان‌های هوشمند به اجرا در می‌آوریم. یادآور می‌شود درباره مدارهای ساختمان‌های هوشمند مانند سامانه اعلام حریق، دوربین مدار بسته و آنتن مرکزی در پایه دوازدهم بحث خواهد شد.

پروژه مخابراتی ارائه شده در این کتاب نیمه تجویزی بوده و با توجه به نیاز به امکانات و علاقه هنرآموزان و هنرجویان قابل تغییراست، به عبارت دیگر می‌توانید با توجه به محیطی که در آن کار می‌کنید یک پروژه را انتخاب کرده و اجرا نمایید. در تمام مراحل یاد گیری، توجه به شایستگی‌های غیرفنی، مانند کار گروهی، رعایت نظم و ترتیب، توجه به فناوری‌های نوین و رعایت نکات ایمنی و زیست‌محیطی مهم بوده و باید در مراحل انجام کار به آن‌ها توجه شود.

استاندارد عملکرد

راه‌اندازی و عیب‌یابی پروژه کاربرُدی مخابراتی با رعایت استانداردهای تعریف شده

مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز

ابزار عمومی برق یا الکترونیک- لوازم‌التحریر- منبع تغذیه- مولتی‌متر- اسیلوسکوپ- سیگنال ژنراتور- رایانه- نرم‌افزار مناسب- وسایل لحیم‌کاری- مواد پاک‌کننده- دریل- مته مناسب- قطعات الکترونیکی مورد نیاز پروژه

اجزاءِ سامانه‌های مخابراتی و نحوۀ ارتباط رادیویی

هر سامانه مخابراتی شامل بخش‌های فرستنده (Transmitter)، کانال ارتباطی (Channel) و گیرنده (Receiver) است.

در یک سامانه مخابراتی ساده، دهان انسان نقش فرستنده، هوا نقش کانال ارتباطی و گوش نقش گیرنده را دارد.

در شکل 1-6 یک سامانه ارتباطی رادیویی ترسیم شده است. در این سامانه فرستنده رادیویی از طریق آنتن (Antenna) امواج را در فضا پخش می‌کند. آنتن گیرنده، امواج رادیویی منتشر شده از فرستنده را از فضا دریافت می‌کند. کانال ارتباطی در این سامانه، فضای بین فرستنده و گیرنده است. یادآور می‌شود که امواج ارسالی از آنتن فرستنده از نوع امواجی است که رفتاری مشابه امواج نورانی دارد و با سرعتی تقریبا برابر با سرعت نور در فضا حرکت می‌کند.

دسته‌بندی فرکانس‌ها

علل دسته‌بندی فرکانس و واحدهای آن:

فرکانس‌های مختلف در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند. همین رفتار متفاوت است که برای هر مورد کاربرد ویژه‌ای را فراهم می‌کند. بدین سبب، فرکانس‌ها را در دسته‌بندی‌های مختلف طبقه‌بندی می‌کنند.

دسته‌بندی عمومی فرکانس‌ها:

تنوع تقسیم‌بندی فرکانس بسیار زیاد است. در این واحد یادگیری بیشتر به تقسیم‌بندی کلی فرکانس‌ها با تأکید روی فرکانس‌های رادیویی می‌پردازیم. فرکانس‌های کم و فرکانس‌های رادیویی را به محدوده‌های کوچک‌تری نیز تقسیم می‌کنند که حالت عمومی دارد. در این روش هر محدوده را باند فرکانسی (Frequency Band) می‌نامند. در جدول 1-6 این نوع تقسیم‌بندی را آورده‌ایم. توجه داشته باشید که این روش تقسیم‌بندی فرکانس‌ها با حاصل ضرب عدد 3 در توان‌های صحیح عدد 10 انجام شده است.

فیلترها (Filters)

فیلترها مدارهایی هستند که فرکانس یا باند فرکانسی معینی را از میان سایر فرکانس‌ها انتخاب می‌کنند. فیلترهای الکترونیکی از نظر نوع کار مشابه فیلتر هوای اتومبیل یا فیلتر آب هستند. در شکل 3-6 مقایسه فیلترهای الکترونیکی با فیلترهای معمولی آمده است. در فیلترهای معمولی مکانیکی برای صاف کردن مایعات از یک لایه نازک کاغذی، پارچه‌ای یا پلاستیکی استفاده می‌کنند. در فیلترهای الکترونیکی برای جداسازی فرکانس‌ها از یکدیگر، ترکیب اجزای الکترونیکی مانند سلف، خازن و مقاومت به کار می‌رود. در شکل الف-6-3 یک فیلتر مکانیکی ترسیم شده است. در این فیلتر یک لایه پارچۀ منفذدار نقش فیلترکردن را بر عهده دارد. در شکل ب-6-3 به ورودی فیلتر الکترونیکی، پنج فرکانس مختلف وارد می‌شود و از میان این پنج فرکانس دو فرکانس انتخاب و جدا شده است. همان‌طور که در شکل نشان داده شده است عمل فیلتر کردن با ترکیب عناصری مانند خازن، سیم‌پیچ و مقاومت صورت می‌گیرد.

محدودۀ فرکانسی فیلتر (Filter Band Width)

محدوده فرکانسی فیلتر عبارت است از مجموعه فرکانس‌هایی که فیلتر می‌تواند از خود عبور دهد. این محدوده فرکانسی را پهنای باند یا پاسخ فرکانسی فیلتر می‌نامند. شکل 4-6 این محدوده را نشان می‌دهد.

فیلتر ایده‌آل

فیلتر ایده‌آل فیلتری است که در خروجی آن دقیقاً فرکانس‌های معین و از پیش تعیین شده ظاهر می‌شود. مثلاً اگر قرار است فرکانس‌هایی را که در محدوده باند فرکانسی 100 کیلوهرتز تا 150 کیلوهرتز قرار دارد در خروجی داشته باشیم، دقیقاً باید فقط این فرکانس‌ها را در خروجی داشته باشیم. در شکل 5-6 منحنی پاسخ فرکانسی فیلتر ایده‌آل آمده است.

فیلتر واقعی (Real Filter)

به علت استفاده از مقاومت، سلف و خازن در فیلترها، نمی‌توانیم پاسخ فرکانسی ایده‌آل داشته باشیم، زیرا این عناصر نمی‌توانند مانند یک کلید عمل کنند و فرکانس‌های ناخواسته را در لحظه تعیین شده حذف کنند. در این حالت دامنه فرکانس‌های ناخواسته به تدریج کم می‌شود تا به صفر می‌رسد. در شکل الف-6-6 منحنی پاسخ فرکانسی فیلتر واقعی ترسیم شده است.

فرکانس قطع فیلتر (Cut Of f Frequency)

حد فرکانس قابل قبول در خروجی فیلتر را فرکانس قطع فیلتر می‌نامند. فیلترها با توجه به کاربرد و ساختمان می‌توانند دارای یک، دو یا چند فرکانس قطع باشند. در فیلترهای ایده آل فرکانس قطع دقیقاً روی فرکانس موردنظر قرار می‌گیرد. در شکل 4-6 فرکانس‌های قطع فیلتر ایده‌آل برابر با ${f_1}$ و ${f_2}$ است. در فیلترهای واقعی ولتاژ خروجی به تدریج به حداکثر ولتاژ ورودی، یا صفر می‌رسد، از این رو نقاط متعددی وجود دارد که می‌تواند به عنوان فرکانس قطع فیلتر انتخاب شود. طبق تعریف در فیلترهای واقعی، فرکانس قطع فیلتر ${f_c}$ عبارت است از فرکانسی که در آن فرکانس، تطابق توان صورت می‌گیرد و نیمی از توان ورودی به خروجی منتقل می‌شود. در این نقطه معمولاً 70/7 درصد ولتاژ ورودی در خروجی ظاهر می‌شود. این نقطه را نقطه نصف قدرت نیز می‌نامند. در شکل ب-6-6 فرکانس قطع فیلتر واقعی نشان داده شده است. 

انواع فیلترها از نظرکاربرد

فیلترها از نظرکاربرد به چهار گروه تقسیم‌بندی می‌شوند:

فیلتر پایین‌گذر Low Pass Filter) LPF:

فیلتر پایین‌گذر فیلتری است که اجازه می‌دهد فرکانس‌هایی را از حد صفر تا مقدار معینی، که به عنوان فرکانس قطع مطرح می‌شود، از خود عبور دهد. در شکل الف-7-6 پاسخ فرکانسی فیلتر پایین‌گذر را مشاهده می‌کنید. در شکل ب و پ-7-6 دو نوع مدار فیلتر پایین‌گذر RC و RL ترسیم شده است.

فیلتر بالاگذر High Pass Filter) HPF:

این فیلترها از یک فرکانس معینی به بالا را از خود عبور می‌دهند. اصول کار و ساختمان فیلترهای بالاگذر مشابه فیلترهای پایین‌گذر است، با این تفاوت که خروجی فیلتر بالاگذر، از نقطه مشخصی شروع به افزایش می‌کند. در شکل الف-8-6 پاسخ فرکانسی این فیلتر را مشاهده می‌کنید. در شکل ب-8-6 فیلتر RL بالاگذر را ملاحظه می‌کنید. خروجی این مدار از دو سر سلف (دو سر L) گرفته شده است. در شکل پ-8-6 فیلتر بالاگذر RC ترسیم شده است. خروجی این مدار برخلاف فیلتر پایین‌گذر از دو سر مقاومت R گرفته شده است.

فیلترهای میان‌گذر Band Pass Filters) BPF):

فیلترهای میان‌گذر فیلترهایی هستند که اجازه عبور باند فرکانسی معینی را می‌دهند. این فیلترها را فیلترهای عبور باند نیز می‌نامند. درفیلترهای میان‌گذر از مدارهای ترکیبی مقاومت، سلف و خازن به صورت سری و موازی استفاده می‌شود.

فیلتر حذف باند Band Reject Filter = Notch filter) BRF:

فیلترهای حذف باند فیلترهایی هستند که باند معینی از فرکانس را حذف می‌کنند. این فیلترها از نظر چگونگی عملکرد، مشابه فیلترهای میان‌گذرند. با این تفاوت که باند خروجی آن‌ها با هم متفاوت است.

انواع فیلترهای میان‌گذر و حذف باند:

همان طور که اشاره شد فیلترهای میان گذر از نظر قطعاتی که در مدار وجود دارد با هم مشابه هستند، یعنی در هر دو نوع فیلتر از مقاومت، سلف و خازن استفاده می‌شود. در شکل 13-6 دو نوع فیلتر میان گذر را ملاحظه می‌کنید که در آنها از مدارهای LC سری و LC موازی استفاده شده است.

در شکل 14-6 دو نمونه فیلتر حذف باند (میان‌گذر) را مشاهده می‌کنید که از مدارهای LC سری و LC موازی در آن‌ها استفاده شده است.

مشخصه‌های فیلتر میان‌گذر

به طور کلی برای فیلترهای میان گذر سه مشخصه فرکانس رزونانس ${F_r}$ پهنای باند BW و ضریب کیفیت Q تعریف می‌شود.

الف) فرکانس رزونانس (Resonance Frequency):

فرکانس رزونانس فیلترهای میان‌گذر از رابطه ${F_r} = \frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}$ قابل محاسبه است. در این فرکانس دامنۀ ولتاژ خروجی به حداکثر مقدار خود می‌رسد.

ب) پهنای (Band Width = BW):

پهنای باند فیلتر میان‌گذر فاصله بین فرکانس‌های قطع بالا و قطع پایین است.

پهنای باند از رابطۀ $BW = {F_H} - {F_L}$ به دست می‌آید (شکل 15-6).

پ) ضریب کیفیت Quality Factor) Q):

این ضریب میزان تیزی منحنی مشخصه و پهنای باند را تعیین می‌کند و مقدار آن از رابطۀ $Q = \frac{{{F_r}}}{{BW}}$ به‌دست می‌آید. هر قدر ضریب کیفیت (Q) کمتر شود پهنای باند بیشتر می‌شود. در شکل 16-6 منحنی پاسخ فرکانسی مدار رزونانس موازی با یک فرکانس رزونانس و دو مقدار Q متفاوت رسم شده است. مقدار Q مدار رزونانس بستگی به مقدار مقاومت اهمی مدار دارد. در این شکل محور افقی برحسب فرکانس و محور قائم بر حسب بهره ولتاژ درجه‌بندی شده است. 

نوسان‌سازها (Oscillator)

نوسان‌سازها مدارهای ویژه‌ای هستند که کاربرد نسبتاً گسترده‌ای در مدارهای مخابراتی دارند. بدون نوسان‌سازها ارسال و دریافت پیام‌های رادیویی امکان‌پذیر نیست. نوسان سازها یا مولدهای شکل موج، در دستگاه‌هایی نظیر مولتی‌مترهای دیجیتالی، اسیلوسکوپ، گیرنده و فرستنده‌های رادیویی، رایانه‌ها ،تایمرها و ماشین حساب‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. لذا می‌توان گفت نوسان‌ساز یکی از اجزاءِ اساسی دستگاه‌های الکترونیکی است.

تعریف نوسان‌ساز:

نوسان‌ساز، مداری است که بدون اعمال سیگنال متناوب به ورودی آن، در خروجی، سیگنال متناوب تولید کند. شکل 23-6 نقشه بلوکی (بلوک دیاگرام) نوسان‌ساز سینوسی را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید به مدار الکترونیکی نوسان‌ساز، ولتاژ DC داده می‌شود و مدار نوسان‌ساز ولتاژ DC را به ولتاژ متناوب سینوسی تبدیل می‌کند. نوسان‌ساز ترجمه کلمه Oscillator است که در متون فنی و محاوره عمومی آن را اسیلاتور نیز می‌نامند.

انواع نوسان‌ساز از نظر شکل موج تولیدی 

نوسان‌سازها می‌توانند انواع شکل موج‌ها را به وجود آورند. در شکل 24-6 چهارنمونه نوسان‌ساز و شکل موج خروجی آن‌ها به‌صورت بلوک دیاگرام ترسیم شده است. این نوسان سازها شامل نوسان سازهای موج سینوسی، مربعی، دندانه اره‌ای و مثلثی است.

اصول کار مدارهای نوسان‌ساز

نوسان‌سازها از یک طبقه تقویت‌کننده و طبقه‌ای به نام شبکه برگشتی یا فیدبک (Feed Back) تشکیل شده‌اند. شبکه برگشتی معمولاً بخشی از سیگنال خروجی تقویت‌کننده را به ورودی تقویت‌کننده برگشت می‌دهد. شکل 25-6 بلوک دیاگرام کلی نوسان‌ساز را نشان می‌دهد. هر مدار نوسان‌ساز نیاز به مدار تولید نوسان دارد که غالباً در شبکه برگشتی یا فیدبک گنجانده می‌شود. 

نیازهای اولیه برای نوسان‌سازی 

در کلیه نوسان‌سازها باید شرایط و عوامل زیر وجود داشته باشد تا مدار به نوسان درآید.

منبع انرژی: 

منبع انرژی می‌تواند منبع تغذیه، باتری شیمیایی یا باتری نوری باشد.

مدار تعیین‌کننده فرکانس:

این مدار معمولاً یک مدار رزونانس LC مدار RC یا مدارهایی با مشخصات ویژه است. نوسان‌های اولیه برای شروع نوسان‌سازی، در این مدارها تولید می‌شود. شکل‌های الف، ب و پ 26-6 مدار تعیین فرکانس LC و RC را نشان می‌دهد.

تقویت‌کننده:

مدار تقویت‌کننده معمولا یکی از انواع تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری یا IC است. سیگنال‌های اولیه تولید شده توسط مدار تعیین‌کننده فرکانس به وسیله مدار تقویت‌کننده تقویت می‌شود.

مدار فیدبک یا بازخورد (Feed Back)

فیدبک به مفهوم انتقال بخشی از سیگنال خروجی به ورودی مدار است.در نوسان‌سازها قسمتی از سیگنال خروجی طوری به ورودی منتقل می‌شود که با آن هم فاز باشد. در این حالت فید بک را مثبت یا Positive Feed Back می‌نامند. درصورتی که سیگنال برگشتی با سیگنال ورودی 180 درجه اختلاف فاز داشته باشد به آن فیدبک منفی یا Negative Feed Back گویند. شکل 27-6 فیدبک مثبت را نشان می‌دهد.

در این حالت سیگنال خروجی مدار فیدبک با سیگنال ورودی تقویت‌کننده هم فاز است. در شکل 27-6 بین ورودی و خروجی تقویت‌کننده هیچ اختلاف فازی وجود ندارد. مدار فیدبک سیگنال خروجی را بدون اختلاف فاز به ورودی تقویت‌کننده برگشت می‌دهد. در شکل 28-6 سیگنال ورودی با 180 درجه اختلاف فاز در خروجی و به‌صورت تقویت‌شده ظاهر می‌شود. در این حالت مدار فیدبک در سیگنال خروجی 180 درجه اختلاف فاز ایجاد می‌کند تا سیگنال برگشتی با سیگنال ورودی تقویت‌کننده هم فاز شود.

نوسان‌های اولیه برای نوسان‌سازی به وسیله مدار تعیین‌کننده فرکانس تولید می‌شود. این نوسان‌ها توسط مدار تقویت‌کننده تقویت می‌شود و سپس از طریق مدار فیدبک به ورودی انتقال می‌یابد. اگر فیدبک مثبت باشد نوسان‌ها تداوم می‌یابد و پایدار می‌شود. در شکل 29-6 بخش‌های مورد نیاز جهت نوسان‌سازی به‌صورت بلوک دیاگرام ترسیم شده است.

اصل بارک هاوزن (Barkhausen Criterion)‌

بنابر اصل بارک هاوزن، زمانی نوسان‌های یک نوسان‌ساز پایدار می‌شود که حاصل ضرب بهره ولتاژ تقویت‌کننده $({A_V})$ در ضریب بهره ولتاژ مدار فیدبک $({B_V})$ برابر یک شود. تنها در این شرایط است که مدار دارای نوسان‌های پایدار می‌شود. در شکل 30-6 مفهوم اصل بارک هاوزن نشان داده شده است. با توجه به این اصل همواره باید بهره کل سامانه برابر با یک باشد تا نوسان‌های مدار تداوم یابد.

برای تولید نوسان پایدار در مدار باید سه شرط ${A_V}.{B_V} = 1$ فیدبک مثبت و مدار تولیدکننده نوسان وجود داشته باشد.

یک اسیلاتور چگونه به نوسان درمی‌آید؟

در شکل 31-6 سه مرحله از تولید نوسان‌ها در نوسان‌ساز نشان داده شده است. این سه مرحله به ترتیب عبارت‌اند از:

الف) مرحله شروع کار یعنی روشن کردن دستگاه از طریق فعال کردن کلید
ب) تولید سیگنال اولیه
پ) مرحله پایدار شدن نوسان‌ها

انواع نوسان‌سازهای سینوسی

همان‌طور که اشاره شده مدارهای نوسان‌ساز را از نظر نوع مدار تعیین‌کننده فرکانس و چگونگی انجام فیدبک، به دو دسته LC و RC تقسیم‌بندی می‌کنند. در مدارهای LC مدار تعیین‌کننده فرکانس، یک مدار هماهنگی موازی LC است. چون این مدار انرژی را در خود ذخیره می‌کند، آن را مدار تانک می‌نامند. در مدارهای RC مدار تعیین‌کننده فرکانس یک مدار ترکیبی RC است. چون نوسان‌ساز LC بیشتر در فرستنده‌ها و گیرنده‌های رادیویی به کار می‌رود، در این فصل، به تشریح نوسان‌ساز با شبکه تولید فرکانس LC می‌پردازیم و سپس یک یا چند نمونه مدار نوسان‌ساز RC را تشریح می‌نماییم. در شکل‌های 32-6 الف-ب-پ انواع شبکه‌های تعیین فرکانس و فیدبک LC نشان داده شده است.

مدار چند نمونه نوسان‌ساز LC

در شکل 33-6 مدار چهار نمونه نوسان‌ساز را مشاهده می‌کنید. در همۀ این مدارها تقویت‌کننده به‌صورت بایاس سرخود رسم شده است. تفاوت مدارها در نوع آرایش ترانزیستور (امیترمشترک یا بیس مشترک) و مدار تعیین فرکانس است.

در مدار هارتلی از L معادل (سلف‌های سری) و در مدارهای کول‌پیتس و کلاپ از Cمعادل (خازن‌های سری) در رابطه استفاده شود. 

نوسان‌ساز RC

در این نوسان سازها مانند نوسان‌سازهای LC حداقل دو جزء تقویت‌کننده و مدار برگشتی وجود دارد. در این نوسان‌سازها مدار برگشتی معمولاً از C و R تشکیل می‌شود. در نوسان ساز RC مانند سایر نوسان‌سازها لازم است دو شرط اصلی ایجاد نوسان یعنی اصل بارک هاوزن و فیدبک مثبت برقرار شود تا مدار بتواند نوسان‌های پایداری را ایجاد کند. شکل‌های 34-6 الف،-ب و پ آرایش‌های مختلف شبکه RC را نشان می‌دهد. این نوسان‌سازها برای تولید فرکانس‌های تا حدود 100KHz مناسب هستند.

نوسان‌ساز پل‌وین (Wein Bridge Oscillator)

نوسان‌ساز پل‌وین یک مولد سیگنال سینوسی با اعوجاج کم است. مدار این نوسان‌ساز از یک تقویت‌کننده و شبکه برگشتی RC تشکیل می‌شود. شکل 35-6 نقشه بلوکی تقویت کننده و شبکه برگشتی نوسان‌ساز و رابطه محاسبه فرکانس آن را نشان می‌دهد.

نوسان‌سازکریستالی (Crys tal Oscillator)

عواملی نظیر درجه حرارت، تغییرات ولتاژ و سایر کمیت‌ها می‌تواند فرکانس نوسان را در یک نوسان‌ساز تغییر دهد. برای پایداری فرکانس از نوسان‌ساز کریستالی استفاده می‌کنند. هر قطعه کریستال با توجه به برش و شکل مکانیکی آن می‌تواند در یک فرکانس کاملاً ثابت به ارتعاش درآید. در نوسان‌ساز کریستالی، کریستال در مدار تعیین فرکانس یا در مسیر فیدبک قرار می‌گیرد و فقط به فرکانس رزونانس خود اجازه عبور می‌دهد. شکل 36-6 یک نوسان‌ساز کریستالی که کریستال در مدار تعیین فرکانس قرار گرفته است را نشان می‌دهد.

نوسان‌ساز مربعی

در بحث‌های گذشته با آی‌سی 555 به عنوان مولد موج مربعی آشنا شده‌اید.

نمونه دیگر نوسان‌ساز موج مربعی، مولتی ویبراتور آاِستابل نام دارد. این نوسان‌ساز شامل دو طبقه تقویت‌کننده است که خروجی هریک به ورودی دیگری با کوپلاژ خازنی متصل شده است. در شکل 41-6 این نوسان‌ساز به‌صورت بلوکی نشان داده شده است. هنگامی که یک تقویت‌کننده در حالت اشباع قرار دارد تقویت‌کننده دیگر به قطع می‌رود. وضعیت قطع و اشباع تقویت‌کننده‌ها دوام چندانی ندارد و پس از مدتی، وضعیت عوض می‌شود. شکل‌های الف و ب 42-6 این دو حالت را نشان می‌دهد.

در شکل 43-4 مدار یک نمونه مولتی ویبراتور آاستابل رسم شده است.

مدولاسیون

برای انتقال سیگنال‌های صوتی یا تصویری به فواصل دور باید این امواج را به امواج الکترومغناطیس تبدیل و آن را از طریق آنتن انتشار دهیم. شکل 47-6 تبدیل امواج صوتی به امواج الکترومغناطیس و انتشار آن را نشان می‌دهد.

تعریف مدولاسیون

اگر سیگنال صوتی (سیگنال پیام) را روی سیگنال دیگری که دارای فرکانس بالا است سوار کنیم، می‌توانیم آن را به‌صورت امواج الکترومغناطیس در فضا پخش کنیم. به این عمل در اصطلاح عمومی، مدولاسیون (Modulation) می‌گویند. سیگنال پیام را سیگنال مدوله‌کننده (Modulating Signal) می‌نامند. سیگنالی که پیام روی آن سوار می‌شود، سیگنال حامل (Carrier) یا سیگنال مدوله‌شونده (Modulation Signal) نام دارد. به مدار یا دستگاهی که عمل مدولاسیون را انجام می‌دهد، مدولاتور (Modulator) می‌گویند. شکل 48-6 چگونگی انجام مدولاسیون را به‌صورت بلوکی نشان می‌دهد. 

انواع مدولاسیون

در مدولاسیون یکی از مشخصه‌های اصلی موج حامل که یک سیگنال سینوسی با فرکانس بالا است، توسط پیام کنترل می‌شود. این عمل باید به گونه‌ای به اجرا درآید که گیرنده بتواند اطلاعات ارسال شده از قبیل صوت، موسیقی یا تصویر را مجدداً بازسازی کند. چون موج حامل تنها سه مشخصۀ دامنه، فرکانس و فاز را دارد بنابراین تنها می‌توان یکی از این سه مشخصه سیگنال حامل را با سیگنال پیام کنترل کرد و به این ترتیب سه نوع مدولاسیون، دامنه، فرکانس و فاز شکل می‌گیرد. 

مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation)

در مدولاسیون دامنه، فرکانس موج حامل (کاریر) ثابت است و دامنه حامل متناسب با دامنه پیام (موج مدوله‌کننده) تغییر می‌کند. در این حالت سرعت تکرار تغییرات دامنه حامل متناسب با فرکانس پیام خواهد بود. مدولاسیون دامنه را به اختصار به‌صورت AM می‌نویسند. در شکل 49-6 سیگنال پیام سینوسی، سیگنال حامل سینوسی و سیگنال مدوله شده AM را مشاهده می‌کنید.

در شکل‌های 50-6 و 51-6 دو نوع پیام غیرسینوسی و حامل سینوسی و موج مدوله شده AM مربوط به آن‌ها را مشاهده می‌کنید.

درصد مدولاسیون (Percent of Modulation)

میزان درصد نسبت دامنه سیگنال پیام به دامنه سیگنال حامل را درصد مدولاسیون می‌گویند و آن را با M یا ${m_P}$ نشان می‌دهند.

$\frac{{{E_m}}}{{{E_c}}} \times 100\% $=نسبت دامنۀ پیام بر دامنۀ حامل ضربدر صد درصد ${m_P}$=M=درصد مدولاسیون

اشاره‌ای به مدولاسیون فرکانس (Frequency Modulation)

در صورتی که فرکانس سیگنال حامل، متناسب با تغییرات دامنه پیام تغییر کند مدولاسیون فرکانس ایجاد می‌شود. در این حالت سرعت تکرار تغییرات فرکانس موج حامل متناسب با فرکانس پیام خواهد بود. مدولاسیون فرکانس را با FM نشان می‌دهند. درشکل 54-6 مدولاسیون FM با پیام سینوسی نشان داده شده است. همان‌طورکه مشاهده می‌شود، هنگامی که دامنه پیام صفر است، فرکانس موج مدوله شده برابر با موج حامل می‌شود. با افزایش دامنه سیگنال پیام، فرکانس حامل افزایش می‌یابد (فشرده می‌شود) و با کاهش دامنه پیام، فرکانس حامل کم می‌شود.

شکل 55-6 پیام مربعی که روی سیگنال حامل سینوسی به‌صورت FM مدوله شده است را نشان می‌دهد.

نوسان‌ساز Voltage Controlled Oscillator) VCO)

اسیلاتور VCO یک نوع نوسان‌ساز است که فرکانس آن را می‌توان با استفاده از ولتاژِ DC ورودی تغییر داد. در فرکانس‌های بالا برای کنترل فرکانس معمولا دیود ورکتور (Varactor) به کار می‌رود. این دیود بخشی از مدار هماهنگ اسیلاتور LC را تشکیل می‌دهد. در شکل 56-6 بلوک نوسان‌ساز LC را همراه با مدار رزونانس آن و دیود خازنی مشاهده می‌کنید.با تغییر ولتاژ DC ظرفیت دیود خازنی تغییر می‌کند و در نهایت ظرفیت خازنی معادل مدار تانک را تغییر می‌دهد. با تغییر ظرفیت خازنی فرکانس نوسان‌ساز تغییر می‌کند.

شکل 57-6 یک نوسان‌ساز VCO را نشان می‌دهد که به وسیله آی‌سی 566 دو نوع موج مربعی و مثلثی را تولید می‌کند. ولتاژ DC کنترل‌کننده فرکانس از طریق پتانسیومتر ${R_1}$ به پایۀ شماره 5 آی‌سی می‌رسد. آی‌سی 566 یک نوع مدار خاص است که با استفاده از آن می‌توانید فرکانس خروجی نوسان‌ساز موج مربعی و دندان اره‌ای را تغییر دهید.

با توجه به توضیحات داده شده، مشاهده می‌شود که با تغییر ولتاژ توانسته ایم فرکانس را تغییر دهیم، به عبارت دیگر نوعی موج FM به وجود آورده‌ایم. بنابراین تولید مدولاسیون FM و مدولاسیون پالس با استفاده از این نوع مدارها امکان‌پذیر است.

مدولاسیون فاز (Phase Modulation)

اگر فاز سیگنال حامل متناسب با دامنه سیگنال پیام تغییر کند مدولاسیون فاز به وجود می‌آید. در این حالت سرعت تکرار تغییرات فاز برابر با فرکانس پیام خواهد بود. مدولاسیون فاز از پاره‌ای جهات مشابه مدولاسیون FM است. مدولاسیون فاز را با FM نشان می‌دهند (شکل 60-6)

مدولاسیون‌های پالس و دیجیتال (Pulse and Digital modulation)

در روش‌های جدید مدولاسیون از مدولاسیون پالس و مدولاسیون دیجیتال استفاده می‌شود. در این نوع مدولاسیون‌ها، سیگنال‌های آنالوگ پیام به نوعی از سیگنال‌های پالسی یا دیجیتالی که منشأ آن موج‌های حامل یا کریر است تبدیل می‌شود. این نوع مدولاسیون‌ها انواع متنوع و گسترده‌ای دارد که در این قسمت به تشریح اختصاری و اجمالی آن می‌پردازیم.

اگر سیگنال کریر (حامل) به‌صورت پالس (به صورت منفصل) باشد، در این صورت مدولاسیون‌های پالسی شکل می‌گیرد. مدولاسیون‌های پالسی به دو دسته تقسیم می‌شوند.

الف) مدولاسیون‌های منفصل:

این نوع مدولاسیون‌ها به‌صورت PAM ،PPM و PDM) PWM) تولید می‌شوند که کاربردهای مخابراتی و صنعتی دارند، از کاربردهای مخابراتی می‌توان کاربرد PPM را در اندازه‌گیری‌های رادار نام برد. از کاربردهای صنعتی این نوع مدولاسیون می‌توان کنترل دور و سرعت موتور را با روش‌های PWM نام برد.

ب) مدولاسیون‌های دیجیتال:

این نوع مدولاسیون بسیار متداول است مثلاً PCM که در سیستم‌های مخابره دیجیتال (مانند تلفنی، تصویری) به‌کار می‌رود. در PCM پیام به کدهای دیجیتالی تبدیل و منتقل می‌شود. برای مسافت‌های طولانی‌تر از انواع دیگر مدولاسیون‌های دیجیتال مانند ASK ،FSK و PSK استفاده می‌شود.

سیگنال منفصل (گسسته-Discrete)

یکی دیگر از روش‌های مدولاسیون معمولا استفاده از نمونه‌برداری است. اگر از سیگنال آنالوگ به‌صورت پالسی نمونه‌برداری (Sampling) کنیم، سیگنال منفصل به‌دست می‌آید. این نمونه‌برداری مطابق شکل 64-6 در فواصل زمانی معین که زمان تناوب نمونه‌برداری (Sampling Period) نامیده می‌شود، صورت می‌گیرد. عمل نمونه‌برداری به‌وسیله پالس‌های سیگنال حامل صورت می‌گیرد. در این حالت دامنه سیگنال حامل (Ac) تحت تأثیر سیگنال پیام قرار می‌گیرد و متناسب با آن تغییر می‌کند.سیگنال منفصل حاصل شده را سیگنال مدوله شده دامنه تالس (Pulse Amplitude Modulation یا PAM) می‌نامند. در شکل 64-6 یک نمونه سیگنال پیام آنالوگ، حامل پالسی و سیگنال مدوله شده PAM را مشاهده می‌کنید. در شکل 65-6 نوع دیگری از پیام را ملاحظه می‌کنید که به‌صورت PAM در آمده است. در این شکل پهنای پالس‌های حامل بسیار کم است که به آن پالس‌های سوزنی (Impulse) می‌گویند.

مدولاسیون پالسی کد شده (Pulse Code Modulation) PCM

اگر سیگنال منفصل (PAM) را با یک درجه‌بندی مشخص و تعریف شده به کدهای باینری تبدیل کنیم مدولاسیون PAMشکل می‌گیرد. این روش راکوآنتیزه کردن (Quantization) می‌نامند.

در شکل 66-6 سیگنال آنالوگ را مشاهده می‌کنید که ابتدا به سیگنال PAM تبدیل شده است. در مرحله بعد سیگنال PAM را درجه‌بندی کرده‌ایم و کد معادل آن را به‌دست آورده ایم. در این مرحله سیگنال PAM به PCM تبدیل شده است. کد استفاده شده در این تبدیل سه بیتی است.

در شکل 67-6 چهار فرایند PCM که شامل PAM، کوآنتیزه کردن، کدبندی باینری و کدبندی دیجیتال به دیجیتال است، نشان داده شده است.

برخی از تعاریف مهم

فاصله زمانی بیت Bit Interval

فاصله زمانی بیت، زمان لازم برای ارسال یک بیت است. شکل 68-6 یک نمونه سیگنال دیجیتالی و فاصله زمانی یک بیت را نشان می‌دهد.

نرخ بیت Bit Rate

سرعت انتشار بیت‌ها را نرخ بیت می‌نامند. نرخ بیت بر حسب بیت در ثانیه (Bit Per Second) BPS می‌باشد. در شکل 69-6 یک سیگنال دیجیتالی با BPS برابر 8 رسم شده است. نرخ بیت در واقع تعیین‌کننده سرعت انتشار و انتقال اطلاعات است.

فرکانس نمونه‌برداری (Sampling Rate)

نرخ نمونه‌برداری Sampling Frequency

سرعت نمونه‌برداری عبارت از تعداد نمونه‌هایی است که در یک ثانیه از پیام برداشته می‌شود. هر قدر تعداد نمونه‌ها در ثانیه بیشتر شود، هنگام تبدیل و بازسازی نمونه‌ها (سیگنال منفصل یا PAM) به سیگنال آنالوگ با تغییر شکل موج کمتری روبه‌رو می‌شویم. در شکل 70-6 نمونه‌برداری از سیگنال آنالوگ و موج بازسازی شده آن را در شکل 71-6 مشاهده می‌کنید.

مدولاسیون‌های دیجیتال 

برای ارسال علائم صفر و یک منطقی (PCM) به منظور کاهش پهنای باند بهتر است از سیگنال سینوسی استفاده کنیم. در ادامه به شرح مدولاسیون‌های ASK ،PSK و FSK می‌پردازیم. سیگنال مورد استفاده در این نوع مدولاسیون‌ها را سیگنال حامل اولیه می‌نامند. 

مدولاسیون Amplitude Shift Keying) ASK)

در مدولاسیون ASK برای نمایش 0یا 1 باینری دامنه سیگنال حامل تغییر می‌کند و فرکانس و فاز حامل ثابت می‌ماند. مقدار دامنه کاریر در مقادیر صفر و یک باینری به عهده طراحان سیستم است.

 شکل 74-6 یک نمونه سیگنال مدوله‌شده ASK را نشان می‌دهد. ASK بسیار نویزپذیر است زیرا نویز می‌تواند روی دامنه قرار گیرد و 0 را به 1و 1 را به 0 تبدیل کند.

مدولاسیون Frequency Shift Keying) FSK)

در مدولاسیون FSK برای نمایش 0 یا 1 باینری، فرکانس سیگنال حامل تغییر داده می‌شود و دامنه و فاز حامل ثابت باقی می‌ماند. فرکانس حامل در فاصله زمانی هر بیت مقدار ثابتی است. شکل 75-6 مدولاسیون FSK را نشان می‌دهد. FSK نسبت به نویز مقاوم‌تر از ASK است.

مدولاسیون Phase Shift Keying) PSK)

در مدولاسیون PSK فاز سیگنال سینوسی را برای نمایش باینری «1» و «0» تغییر می‌دهند. در این حالت دامنه و فرکانس حامل ثابت است. به عنوان مثال اگر برای نمایش عدد باینری (1)، سیگنال حامل با فاز صفر درجه شروع شود، می‌توان فاز سیگنال حامل را 180 درجه تغییر داد تا عدد باینری (0) را ارسال نمود. فاز سیگنال حامل در طول هربیت باینری ثابت است.در شکل 76-6 مدولاسیون PSK برای یک نمونه سیگنال دیجیتالی رسم شده است.

اجرای پروژه کاربرُدی

مدیریت هوشمند ساختمان (BMS)

در قرن حاضر ساختمان‌ها با فناورهای روز همگام شده و از آن‌ها در راستای بهره‌وری مناسب و مهیا ساختن محیطی امن و راحت استفاده می‌کنند. در یک ساختمان هوشمند از ابداعات و فناورهای جدید بر اساس مدیریتی هوشمند استفاده می‌شود که در راستای افزایش کارایی و آسایش و رفاه ساکنین به اجرا در می‌آید. در ساختمان هوشمند منابع نور مانند روشنایی سقفی، دیواری، رومیزی، رنگی و تزیینی، فلورسنت و لامپ‌های LED به‌صورت مجزا یا گروهی قابل کنترل هستند. بنابراین با این روش می‌توان بدون نیاز به سرکشی به تمامی چراغ‌ها، از وضعیت هریک از آن‌ها مطلع شد و آن‌ها را با توجه به نیاز «روشن-خاموش» کرد. بنا بر تعریف: «ساختمان هوشمند ساختمانی است که در آن از آخرین فناوری‌ها در راستای بیشترین کارایی و رفاه استفاده شده است».

توضیح عملکرد پروژه

یکی از سامانه‌های مورد استفاده در ساختمان هوشمند «شبیه ساز حضور در منزل» است، که در این قسمت به‌طور اجمالی به آن پرداخته می‌شود. این مدار از طریق خط تلفن قابلیت کنترل چراغ‌ها و لامپ‌های منزل را دارد و برای روشن/خاموش کردن آن‌ها استفاده می‌شود. در این مدار با شماره‌گیری و تماس تلفنی، بعد از چندبار زنگ خوردن، دستگاه فعال می‌شود و خط تلفن در حالت مکالمه قرار می‌گیرد و دستگاه منتظر دریافت کد دستور می‌شود. بعد از ارسال کد توسط کاربر با توجه به دستور اقدام می‌کند و فرایند اجرا به پایان می‌رسد. لازم به ذکر است که این دستگاه، علاوه بر کنترل روشنایی می‌تواند کاربردهای دیگری مانند کنترل وسایل الکتریکی در منزل را نیز داشته باشد. 

بلوک دیاگرام مدار

بلوک دیاگرام کلی مدار «شبیه‌ساز حضور در منزل» در شکل 79-6 نشان داده شده است که دارای چهار قسمت اصلی است.

بلوک تشخیص و آشکارسازی زنگ

وضعیت Ring یا حالت زنگ، یک ولتاژ AC سینوسی سوار بر ولتاژ (On Hook) DC است. ولتاژ زنگ یک موج سینوسی با دامنه 80 تا 130 ولت و فرکانس 25 هرتز می‌باشد که برای آشکارسازی آن روش‌های متفاوتی وجود دارد. در شکل 80-6 یک نمونه مدار آشکارساز زنگ نمایش داده شده است. در این مدار از آی‌سی LM555 به عنوان تایمر استفاده کرده‌ایم که مدت زمان مشخصی را در اختیار تلفن می‌گذارد و پس از خوردن چند زنگ درصورتی که گوشی برداشته نشود دستگاه به‌طور خودکار وارد عمل شود. 

بلوک ارتباطی بین خط، تلفن و دستگاه

در حالت عادی خط به تلفن وصل است. بعد از فعال شدن مدار زنگ و تعدادی زنگ خوردن، این بلوک خط را از تلفن جدا کرده و به دستگاه وصل می‌کند. در این حالت شرایطی مشابه هنگام استفاده از تلفن با Off Hook (زمانی که گوشی از روی تلفن برداشته می‌شود) به وجود می‌آید. در این شرایط ولتاژ DC خط به حدود 12 ولت افت می‌کند. برای استفاده از این تغییر حالت از رله استفاده می‌شود. 

2- در آزمایشگاه مدار بلوک ارتباطی بین خط، تلفن و دستگاه شکل 81-6 را به مدار مرحله 1 اضافه کنید و برای تشخیص صحت عملکرد از یک گوشی تلفن متصل به سمت دیگر رله استفاده کنید. با شماره‌گیری خط حالت زنگ خوردن گوشی تلفن را بررسی نمایید.

بلوک دریافت شماره کد فرمان

بلوک دریافت شماره کد فرمان امکان کنترل متنوعی را برای دستگاه‌ها را فراهم می‌کند. این بلوک متناسب با نوع سیستم شماره‌گیری مورد استفاده (پالس یا تن) تقسیم‌بندی می‌شود. مدار شکل 82-6 به عنوان تبدیل کننده شماره‌گیری‌های تن به عدد دیجیتالی یا باینری (Binary) ستفاده می‌شود. عدد باینری توسط آی‌سی 4028 با فعال شدن یکی از پایه‌ها رمزگشایی می‌شود.

3- برای تشخیص صحت عملکرد مدار، بلوک دریافت شماره کد فرمان را در آزمایشگاه ببندید و با شماره‌گیری کلیدهای تلفن، خروجی پایه متناسب با آن را با ولت‌متر اندازه‌گیری کنید.

بلوک کنترل‌کننده دستگاه

در بلوک کنترل‌کننده دستگاه، از یک ترانزیستور BC107 به عنوان سوئیچ الکترونیکی استفاده شده است. این بلوک دستور لازم جهت فعال شدن را از فلیپ فلاپ دوم آی‌سی 4013 دریافت می‌کند. این سوئیچ می‌تواند رله‌ای را که با ولتاژ 220 کار می‌کند فعال کرده و دستگاه دیگری را راه‌اندازی کند. طبق شکل 83-6 جهت رعایت نکات ایمنی در آزمایشگاه، هنگام تست مدار، به جای دستگاه 220 ولت از یک عدد LED استفاده کنید.

4- بلوک کنترل کننده دستگاه را به‌طور کامل در آزمایشگاه ببندید و با شماره‌گیری تلفن، خروجی پایه متناسب با آن را با ولت‌متر اندازه‌گیری کنید.

نقشه فنی کلی مدار

در شکل 84-6 نقشه فنی کلی مدار رسم شده است.

5- مدارهای بخش‌های مختلف را با استفاده از یکی از نرم‌افزارهای طراحی مدار چاپی کنار هم رسم کنید. توجه داشته باشید که از نام‌گذاری‌ها و علائم مناسب الکترونیکی استفاده نمایید.

در شکل‌های 85-6 و 86-6 این مدار با استفاده از نرم‌افزار PCB Wizard و Protel 99 SE به‌طور کامل رسم شده است. شما می‌توانید از نرم‌افزار آلتیوم دیزاینر نیز استفاده کنید.

6- مدار چاپی شکل 86-6 را با نرم‌افزار طراحی مدار چاپی انجام دهید. به دلیل متنوع بودن مدارهای چاپی طراحی شده با استفاده از نرم‌افزار، نتایج نهایی را با مربی کارگاه بررسی کنید، سپس اقدام به تهیه و ساخت آن نمایید.

فهرست قطعات مورد نیاز 

کلیه قطعات مورد نیاز برای این پروژه در جدول 10-6 آمده است.