2.1.5. Генератори шумових сигналів

Генератори цього типу призначені для формування флуктуаційної (шумової) напруги з певними імовірносними характеристиками. Їх застосовують при дослідженні завадостійкості електронних вузлів, визначенні АЧХ чотириполюсників, повірці приладів для визначення імовірносних характеристик випадкових процесів і т.і. Генератори шумових сигналів будуються за схемою рис. 10.5.

Рис. 10.5

Основним блоком схеми – первинним джерелом шуму, є задаючий генератор. Як правило він генерує сигнали, близькі за своїми характиристиками до білого шуму (нагадаємо, що білий шум характеризується рівномірною у всьому діапазоні частот спектральною щільністю потужності сигналу – ). В схемі на рис.10.5 робота задаючого генератора може базуватись на використанні різних фізичних явищ, які породжують шумоподібні сигнали і які можуть бути попередньо розраховані. Первинним джерелом шумового сигналу може слугувати, наприклад, нагрітий дротяний резистор. Відомо, що середньоквадратичне значення напруги теплового шуму резистора дорівнює

, (10.1)

де – постійна Больцмана; – абсолютна температура в Кельвінах; – опір резистора в Омах при , - смуга пропускання перетворювача в Герцах. Як первинні джерела шуму можуть бути застосовані і інші прилади: напівпровідникові діоди, вакуумні діоди, фотоелектронні помножувачі, газорозрядні трубки, радіоактивні джерела шуму та ін. Фізичні основи їх роботи розглядаються в курсах фізики та електроніки.

Рівень сигналу на виході первинного джерела шумового сигналу незначний (одиниці-десяткі мкВ), тому задаючий генератор доповнюється малошумним підсилювачем з відомим та стабільним коефіцієнтом підсилення у всій робочій смузі частот.

Перетворювач в схемі на рис.10.5 може виконувати функції підсилення, переносу спектру шумового сигналу (формування вузькосмугового процесу), стабілізації потужності шумового сигналу та обмеження спектру шумоподібного сигналу (перетворення спектру з “білого” в “кольоровий”). Остання функція реалізується за допомогою фільтрації білого шуму. Відомо, що спектральна щільність потужності сигнала на виході фільтра пов’язана з модулем його частотної характеристики співвідношенням

, (10.2)

де – спектральна щільність потужності вхідного процесу.

Вихідний пристрій дозволяє регулювати рівень вихідного сигналу з коефіцієнтом ділення постійним у всій смузі робочих частот генератора.

Як вимірювач рівня вихідного сигналу найчастіше використовують вольтметри середньоквадратичних значень.

2. Вимірювачі нелінійних спотворень

Нелінійні спотворення сигналів виникають в радіотехнічних ланцюгах, в складі яких є нелінійні елементи. Гармонічне коливання, що проходить через такий ланцюг спотворюється за рахунок збагачення спектру сигнала на виході такого ланцюга вищими гармоніками. Отже і форма сигналу стає відмінною від синусоїдальної. Як приклад розглянемо проходження гармонічного коливання через діод. Відомо, що вольтамперна характеристика діода у першому наближенні може бути апроксимована степеневим рядом виду , де –відповідно струм, що протікає через діод та напруга на діоді. Отже, якщо на діод подати гармонічну напругу і обмежитись першими трьома членами ряду, то струм через діод можна представити сумою

.(10.3)

Отже в складі струму з’явились вищі гармоніки.

Ступінь нелінійних спотворень сигналів (тобто відмінність сигналів від ідеального гармонічного сигналу) характеризується коефіцієнтом гармонік

, (10.4)

де – амплітуди і-тих гармонік.

Дія вимірювачів нелінійних спотворень базується на принципі “пригнічення основної частоти”. З точки зору зручності апаратурної реалізації доцільно вимірювати не , а дещо іншу величину

. (10.5)

пов’язана з співвідношенням: . Якщо , то і відрізнятимуться менше ніж на 10 %.

У відповідності до (10.5) для визначення достатньо виміряти дійсні значення досліджуваного сигналу та його частини без першої гармоніки. Спрощена структурна схема вимірювача коефіцієнту гармонік наведена на рис.10.6. Вхідний пристрій узгоджує прилад з джерелом досліджуваного сигналу та підсилює сигнал. Перестроюваний загороджувальний фільтр пропускає на вхід вольтметра всі гармоніки досліджуваного сигналу крім першої. Шкала вольтметра проградуйована в значеннях (процентах чи частинах).

Рис. 10.6

Робота приладу здійснюється в два етапа. На першому етапі перемикач SW включено в положення “1” і вольтметр вимірює ефективне значення досліджуваного сигналу u(t). Регулюванням потенціометра R₁ стрілка вольтметра встановлюється на граничне значення =100%.

На другому етапі перемикач SW включено в положення “2” і досліджуваний сигнал проходить на вольтметр через загороджувальний фільтр, який настроюється на пригнічення першої гармоніки сигналу. Оскільки амплітуда першої гармоніки є найбільшою, то ознакою настройки фільтра є досягнення мінімальних показань вольтметра. Відхилення стрілки вольтметра відповідає значенню .

Основними метрологічними характеристиками вимірювачів є діапазон вимірювання, частотний діапазон та клас точності. Так, наприклад, вимірювач нелінійних спотворень С6-1 має такі характеристики:

– діапазон вимірювання – 0,03 – 30 %;

– діапазон робочих частот – 20 Гц –200 кГц;

– основна похибка вимірювання – (5 %+0,05 );

– діапазон напруг вхідних сигналів – (0,05 – 100)В.