Лекция 19. Генераторы шумовых сигналов

Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) предназначены для формирования флуктуационного напряжения с определенными (заданными) вероятностными характеристиками. Структурная схема шумового генератора, в которую входят задающий генератор, преобразователь, выходной аттенюатор, вольтметр действующего напряжения, представлена на (рис. 9.10). Параметр U (∆ f) показывает изменение напряжения в зависимости от частоты колебания.

Основным узлом схемы шумового генератора является задающий генератор. Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе частот (теоретически — это белый шум). В задающем генераторе используются физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статическими характеристиками и параметрами, которые несложно исследовать с помощью математического анализа.

В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, действующее значение напряжения на котором рассчитывается по известной из курса физики формуле

U ² = 4 kTR ∆ f,

где k — постоянная Больцмана, k = 1,38 ∙ 10^{‒ 23} Дж/K; T — абсолютная температура резистора в градусах Кельвина; R — сопротивление резистора; ∆ f — полоса пропускания.

Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной. К источникам тепловой шумовой мощности относится и болометрический генератор. Болометр представляет собой вакуумный стеклянный баллон, внутри которого натянута вольфрамовая нить.

Источники теплового шума используются в качестве образцовых генераторов шумовых напряжений, так как их расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Кроме того, в шумовых генераторах также могут применяться фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т.п. В качестве преобразователей спектра в шумовых генераторах используются усилители, фильтры, ограничители, генераторы перестраиваемой частоты.

Так, применив в качестве преобразователя фильтр с определенным коэффициентом передачи, можно получить из генератора белого шума генератор стационарного случайного процесса со спектральной плотностью мощности, изменяющейся по заданному закону в определенном диапазоне частот. Важным элементом выходного устройства генератора является калиброванный аттенюатор, который должен обеспечивать одинаковый коэффициент деления мощности по всей полосе частот шума. Для контроля уровня выходной мощности в схему генератора встраивается вольтметр действующего значения.

Низкочастотные генераторы шумов работают в диапазоне от 20 Гц до 10 МГц и вырабатывают мощность до 5 Вт. Генераторы сверхвысоких частот имеют высшую частоту рабочего диапазона до 37 ГГц и, как и генераторы синусоидальных колебаний, выполняются однодиапазонными с малым перекрытием по частоте.

Импульсные генераторы

Импульсные (релаксационные) генераторы подразделяются на генераторы периодической последовательности импульсов и генераторы кодовых групп импульсов. Широко применяются генераторы периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Реальная форма импульса несколько отличается от прямоугольной и имеет вид, показанной на (рис. 9.11). В форме импульса есть отклонения, которые не должны превышать значений, указанных в технической документации.

Обычно прямоугольные импульсы характеризуются следующими основными параметрами:

Ø амплитудным значением U _max и напряжением спада вершины U _сп, которое не должно превышать 0,05 U _max;

Ø длительностью фронта нарастания t _ф.н, т.е. интервалом времени, в течение которого мгновенное значение нарастает от 0,1 до 0,9 амплитудного U _max (это время составляет 0,1...0,2 всей длительности импульса);

Ø длительностью фронта спада t _ф.сп, т.е. временем спада напряжения от 0,9 до 0,1 U _max (это время составляет 0,2...0,3 ширины импульса).

Главным параметром импульса служит длительность импульса.

Формирование прямоугольных импульсов со стабильной длительностью, крутыми фронтами и плоской вершиной обеспечивают мультивибраторы и блокинг - генераторы, работающие в автоколебательном и ждущем режимах. В мультивибраторах эти характеристики достигаются за счет применения кварцевой стабилизации частоты.

Упрощенная структурная схема импульсного генератора и временные диаграммы ее работы представлены на (рис. 9.12).

Формирователь временных интервалов (рис. 9.12 а) может работать в режиме автогенератора (ключ K в положении 1) или в ждущем режиме (ключ K в положении 2). Однократный запуск осуществляется с помощью пусковой кнопки K _п (ручной пуск). Интервал T определяет частоту следования импульса f = 1 / T. Длительность импульсов зависит от времени задержки, как в одноименной схеме, т.е. τ_и = τ_з (рис. 9.12 б).

В зависимости от длительности прямоугольных импульсов импульсные генераторы делятся на микро - и наносекундные. Классы точности импульсных генераторов устанавливаются отдельно по амплитуде, частоте следования и длительности импульса. Кроме того, в документации по эксплуатации генератора указываются длительность фронта нарастания t _ф.н и длительность фронта спада t _ф.сп. Классы точности по амплитудному значению устанавливаются через приведенную погрешность, а по остальным параметрам — через относительную погрешность измеряемой величины. Причем погрешности установки временных параметров в среднем достигают нескольких процентов.