Раздел 1.

Измерительные генераторы

Измерительные генераторы способствуют получению информации и генерации сигнала, точнее должны вырабатывать наиболее полные модели (имитации) сигналов (реальный сигнал неизвестен). Все системы воспринимают только неопределенный (неизвестный ранее) сигнал.

Принцип измерений, основанный на применении измерительных генераторов, состоит в том, что любая система устроена таким образом, что она должна прореагировать на некоторое возбуждающее воздействие:

ВС – внешний сигнал

С – система

И– измеритель

В процессе регистрации отклика системы на это возбуждающее воздействие, проанализировав отклик возможно получить (измерить) с помощью различного рода измерителей характеристики(параметры) исследуемой системы.

В соответствии с назначением, а также типом генерируемых сигналов генераторы группируют по следующим группам:

1) генераторы шума;

2) генераторы гармонических колебаний;

3) генераторы импульсных сигналов;

4) специальные генераторы.

§ 1.1 Генераторы шумовых сигналов

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Как у процесса у шума выделяют следующие параметры:

- динамический диапазон;

- дисперсия (определяет энергетику процесса);

- дифференциальный закон распределения (плотность вероятности);

- спектральные характеристики шума;

- корреляционные характеристики шума.

Рассмотрим графики шумовых процессов:

Стационарный случайный процесс — такой процесс, в котором в течение времени не изменяется закон распределения и ширина спектра.

Нестационарный случайный процесс — такой процесс, в котором в течение времени изменяется закон распределения и ширина спектра. (С точки зрения измерителей, нестационарный шумовой процесс это шумовой процесс, длящийся короткие промежутки времени (меньшие, чем время усреднения в измерителях)).

§ 1.1.1 Аналоговые генераторы шума

Рассмотрим структуру генератора аналогового шума:

Устройство согласования используется для согласования входного сопротивления входных цепей подключаемого внешнего устройства (усилитель и т.п.) и выходного сопротивления аттенюатора.

Желательно чтобы на выходе генератора был белый шум. Белый шум обладает равномерной спектральной плотностью от 0 до бесконечности. Все элементы структуры генератора аналогового шума должны воспринимать первичный источник шума как источник белого шума (из которого впоследствии, возможно, сформировать требуемый сигнал).

В качестве первичного источника шума используются резисторы, стабилитроны, ионные электровакуумные приборы, возможно, применять специально созданные шумовые приборы: шумовые диоды (вакуумные и газоразрядные). Каждый такой прибор создаёт весьма специфичный закон распределения и спектральную плотность шума, для последующего же использования полученного шума необходимо получить требуемую спектральную плотность и закон распределения.

Спектральную плотность шумового процесса, возможно, устанавливать и корректировать с помощью фильтров, но сформировать закон распределения он не может в принципе, так как для формирования закона распределения необходимо производить нелинейные преобразования. Закон распределения и спектральную плотность шумового процесса в аналоговом генераторе шума формирует специальное устройство — формирователь. Формирователь закона распределения и спектральной плотности имеет ограниченный динамический диапазон, который нельзя превышать во избежание искажения закона распределения, поэтому на вход формирователя подаются относительно слабые по уровню сигналы. Полученный на выходе формирователя сигнал с необходимыми характеристиками далее необходимо усилить. Усиление сигнала происходит в усилителе, при этом к нему предъявляется ряд требований:

- он должен обладать линейностью во всем динамическом диапазоне;

- полоса пропускания усилителя должна быть шире спектральной плотности шумового сигнала на выходе формирователя, с тем, чтобы сигнал не приобрел искажения в процессе усиления.

После усиления необходимо иметь возможность установить требуемый уровень выходного сигнала. Для этой цели нельзя изменять коэффициент усиления усилителя, так как нарушается ряд его характеристик в процессе перестройки, что влияет на уровень искажений сигнала им усиливаемого. Поэтому после усилителя устанавливают делитель (аттенюатор) для установки необходимого коэффициента передачи. Полоса пропускания делителя должна быть такой же что и ширина спектра шумового сигнала на выходе усилителя.

Чтобы иметь возможность контролировать уровень сигнала на выходе прибора, в генераторе устанавливают измеритель, измеряющий уровень сигнала на выходе усилителя с фиксированным коэффициентом усиления и корректирующий свой множитель шкалы в зависимости от настройки делителя, таким образом, позволяя точно измерять значения даже малых по уровню сигналов (что было бы затруднительно если измеритель подключался непосредственно после делителя, так как сигнал, поступающий в измерительное устройство, может оказаться недостаточным по уровню для нормальной работы измерителя). Устройство измерения должно минимально влиять на свойства источника информации и свойства ее получателя, поэтому оно используется совместно с согласующими устройствами (на рисунке не показаны). Измеритель может измерять не только уровень сигнала, но и другие его параметры.

Среди различных генераторов шума выделяют генераторы хаотической импульсной помехи (ХИП), которые используются как генераторы помех.

Если функция описывающая сигнал сложная, то в источнике первичного шума применяют устройства создающие шум в виде числовой последовательности — цифрового шума.

График ХИП (она формируется путем запуска схемы формирования импульсов, в случайные моменты времени, определяемые моментом превышения уровнем аналогового шума определенного порога)