Генераторы шумовых сигналов

Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) вырабатывают флуктуационные напряжения с определенными (заданными) вероятностными характеристиками. 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, поддающимися достаточно несложному математическому анализу. В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, действующее значение напряжения на котором рассчитывается по известной формуле:

U² = 4k_БTRDf (6.5),

где k_Б- постоянная Больцмана; Т и R - температура и сопротивление резистора; Df - полоса пропускания регистрирующего прибора. Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной.

Источники теплового шума используются в качестве образцовых генераторов шумовых напряжений, так как расчетные данные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумовых генераторах также применяют фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т. п. В качестве преобразователей спектра в шумовых генераторах применяются усилители, фильтры, ограничители, генераторы перестраиваемой частоты — в зависимости от того, какое преобразование шума требуется. Так, применив в качестве преобразователя спектра 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. Низкочастотные шумовые генераторы действуют в диапазоне от 20 Гц до 10 МГц и вырабатывают мощность до 5 Вт. Шумовые СВЧ-генераторы имеют высшую частоту рабочего диапазона до 10¹⁰Гц.

Генераторы релаксационных (импульсных) колебаний.

Если в автогенераторе гармонических колебаний глубину положительной ОС теоретически приблизить к 100% (b=1) и убрать узкополосную избирательную систему, то синусоидальное выходное напряжение должно превратиться в колебание прямоугольной формы. Поэтому в релаксационных автогенераторах вместо колебательных контуров применяется апериодическое электрическое звено с одним энергоемким (накопительным) элементом, например, RС-цепь. При этом баланс фаз и амплитуд выполняется в достаточно широкой полосе частот.

Мультивибраторы.

Автогенератор прямоугольных импульсов, длительность и частота следования которых определяется параметрами времязадающих RC-цепей, называют мультивибратором. Мультивибраторы имеют два временно устойчивых (квазиустойчивых) состояния. Классическая схема симметричного мультивибратора содержит два транзисторных ключа, взаимно охваченных с входов на выходы двумя петлями положительных ОС: одна из них образована резистивно-емкостной цепью R₁C₁, а другая — идентичной цепью R₂C₂ (рис.6.10.а).

Рассмотрим работу классической схемы мультивибратора, полагая, что транзисторы практически неинерционные (т. е. достаточно высокочастотны) и переключаются мгновенно. Упрощенные временные диаграммы напряжений на базах и коллекторах обоих транзисторов показаны на рис.6.10.б. Пусть в момент времени t =0 анализируемый мультивибратор находится в квазиустойчивом состоянии, при котором транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт.

Рис.6.10.

В схеме в этом случае имеет место следующее состояние — напряжение на коллекторе транзистора VT1 U_k1»0; напряжение на коллекторе транзистора VT2 составляет U_k2»E; конденсатор С₁ заряжен отрицательно и напряжение на базе VT2 минус относительно эмиттеров. Конденсатор С₂ также заряжен, но напряжение на базе транзистора VT1 положительно и равно произведению базового тока на сопротивление перехода эмиттер-база. Такое состояние мультивибратора не является устойчивым т.к. происходит разряд конденсатора С1 по цепи: источник +Е, резистор R₂, конденсатор С₁, цепь коллектор-эмиттер открытого транзистора VT1. Как только напряжение на базе транзистора VT2 станет больше нуля (конденсатор С1 практически разряжен, а напряжение на переходе коллектор-эмиттер VT1 небольшое положительное) транзистор VT2 начнёт открываться. Этот транзистор откроется, через него потечет коллекторный ток, вызывая уменьшение напряжения U_k2. Отрицательный скачок данного напряжения через конденсатор С₂ передастся на базу транзистора VT1, приводя последний к закрыванию и увеличению его коллекторного напряжения U_k1. Положительный скачок напряжения U_kl через конденсатор С₂ поступит на базу транзистора VT2, что еще больше откроет этот транзистор. В схеме начинается лавинообразный процесс, заканчивающийся переключением мультивибратора в другое квазиустойчивое состояние, когда транзистор VТ2 открыт и насыщен, а транзистор VT1 закрыт. Однако напряжение на транзисторе VT1 нарастает не скачком, а экспоненциально с характерным временем заряда конденсатора C1 через резистор R_k1 и сопротивление перехода база-эмиттер VT2 ( t_з1= (R_k1+r_эб1)C₁ ). Этот процесс также вызывает характерный небольшой положительный импульс напряжения на базе VT2. Конденсатор С1 заряжается практически до напряжения питания Е. На интервале t₁...t₂ происходит разряд конденсатора С₂ и в момент времени t₂ произойдет новое переключение мультивибратора. Далее процессы в схеме начнут периодически повторяться, а на коллекторах транзисторов будут формироваться импульсы выходного напряжения. Поскольку в мультивибраторе всегда сопротивления R₁ > R_k2 (соответственно и R₂ > R_k1), то постоянная времени разряда конденсаторов С₁ t_р1=R₂C₁ и С₂ t_р2=R₁C₂ больше постоянной времени заряда конденсаторов С1 и С₂ t_з1 = R_k1C₁, t_з2 = R_k2C₂. Длительность импульсов напряжения на коллекторах транзисторов соответствует времени перезаряда соответствующего конденсатора. Можно показать, что для симметричного мультивибратора, у которого C₁=C₂=С, R₁=R₂=R и R_k1=R_k2=R_k, длительность импульса определяется формулой:

t_и=RCln2=0,7RC (6.6).

Очевидно, что период повторения импульсов

Т=2t_и»1,4RC (6.7).

Поиск по сайту: