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
U2 = 4kTR∆f,
где k — постоянная Больцмана, k = 1,38∙10‒23Дж/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 20Гц до 10МГц и вырабатывают мощность до 5Вт. Генераторы сверхвысоких частот имеют высшую частоту рабочего диапазона до 37ГГц 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 Umax и напряжением спада вершины Uсп, которое не должно превышать 0,05Umax;
Ø длительностью фронта нарастания tф.н, т.е. интервалом времени, в течение которого мгновенное значение нарастает от 0,1 до 0,9 амплитудного Umax (это время составляет 0,1...0,2 всей длительности импульса);
Ø длительностью фронта спада tф.сп, т.е. временем спада напряжения от 0,9 до 0,1Umax (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 Kп (ручной пуск). Интервал T определяет частоту следования импульса f = 1/T. Длительность импульсов зависит от времени задержки, как в одноименной схеме, т.е. τи = τз (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 tф.н и длительность фронта спада tф.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.