книги из ГПНТБ / Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов

Глава четвертая

ГЕНЕРАТОРЫ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ

4-1. Генераторы случайных сигналов с заданными статистическими характеристиками

Изучение реальных физических явлений и процессов часто оказывается трудновыполнимой задачей из-за быстрого их протекания, однократности или редкости появления, адаптивной неподготовленности аппаратуры для измерения их параметров и т. п. Моделирование этих процессов, т. е. созда­ ние хотя бы качественных их копий, позволяет успешно подготовиться к ре­ альному эксперименту, отладить аппаратуру, выяснить возможные диапа­ зоны изменения определяемых параметров. Этим целям, в основном, и слу­ жат генераторы случайных сигналов с заданными статистическими характе­

мирования инфразвуковых и низкочастотных случайных сигналов с задан­ ными статистическими характеристиками.

При решении различных метрологических задач в области статистиче­ ского анализа и при определении параметров систем автоматического регу­ лирования чаще всего возникает проблема генерирования случайных сигна­ лов, корреляционные функции которых описываются вполне определенными аналитическими зависимостями и имеют заданные интервалы затухания. Поскольку функции корреляции и спектральные плотности мощности слу­ чайных сигналов однозначно связаны друг с другом преобразованием Фурье, задача генерирования сигнала с заданной корреляционной функцией сво­ дится к формированию определенного вида его спектральной характеристики.

При построении ГЗХ инфразвукового диапазона в качестве «шумящего» элемента используют резисторы, фотоэлектронные умножители, стабили­ троны, полупроводниковые триоды и другие, случайные сигналы с выходов которых подвергают различным преобразованиям — глубокому ограниче­ нию, гетеродинированию, комбинированию с напряжениями шумов с релеевскими распределениями, преобразованию в телеграфный сигнал с последую­

ных шумовых сигналов в телеграфный код, т. е. последовательность бипо­ лярных импульсов стандартной амплитуды со случайными сменами знаков имеет существенное достоинство; дисперсия выходного сигнала не зависит от нестабильности дисперсии источника шума. В этой работе предлагается

ции. Прибор генерирует случайные сигналы со следующими тремя’ наиболее часто встречающимися на практике видами корреляционных зависимостей:

где (00 — центральная частота полосы пропускания Ф НЧ, а — коэффициент затухания корреляционной функции, Оу — дисперсии сигналов.

Рис. 4-3. Схема фильтра низкой частоты

Таким образом случайный сигнал с заданной функцией корреляции мо­ жет быть получен преобразованием телеграфного сигнала в Ф Н Ч с опреде­ ленной характеристикой. Из-за трудностей согласования пассивных фильт­ ров и обеспечения плавности регулировки их параметров в [121 ] предпочте­ ние отдано схемам активных фильтров, созданных па базе операционных уси­ лителей О У с высоким коэффициентом усиления ky. Активный фильтр, имея низкое выходное сопротивление, дает возможность осуществлять последова­ тельное соединение Ф Н Ч , плавная регулировка параметров схемы позволяет легко подобрать необходимые значения а и со0 для формирования выбранной корреляционной функции.

В качестве Ш Э в генераторе выбран низкочастотный полупроводниковый транзистор, работающий в режиме «глубокого запирания». Флуктуации ШЭ усиливаются двумя каскадами усиления, в результате чего выходной шумо­ вой сигнал оказывается достаточным для запуска формирователя импульсов, собранного по схеме триггера Шмитта. Преобразователь выполнен по схеме

170

* /

Рис. 4-4. Генератор ГШ-191: а — внешний вид генератора, б — комплекс аппаратуры для поверки статисти­ ческих анализаторов с помощью ГШ-191

двухстабильного триггера с симметричным относительно земли питанием коллекторных и эмнттерных цепей, что позволяет получить на выходе схемы биполярный сигнал. Питание схемы осуществляется от стабилизированного источника постоянного тока. Амплитуда импульсов телеграфного сигнала

а параметры а и ш0 — предыдущими двумя формулами.

172

Погрешности задания корреляционных функции, обусловленные разбро­ сом параметров, используемых в схеме резисторов и конденсаторов, по рас­ четам авторов цитируемой работы составили:

Л/?і (т) = 0,8%, Д Я 2(т) = 8%, Д/?з(т)-Н 2% .

Конструктивно генератор оформлен в виде переносного прибора; органы регулировки а , coQ и вынесены на переднюю панель. Внешний вид генера­

тора ГШ-191 приведем на рис. 4-4, а; комплекс аппаратуры для поверки ста­ тистических анализаторов инфразвуковых случайных процессов с использо­ ванием генератора ГШ-191 приведен на рис. 4-4, б.

В работах [97, 122] описана схема низкочастотного генератора «белого шума», который может быть использован для экспериментального определе-

Рис. 4-6. Принципиальная схема генератора «белого шума»

ния характеристик систем автоматического управления, работающих в ус­ ловиях случайных воздействий. Блок-схема прибора с нормальным распреде­ лением амплитуд сигнала приведена на рис. 4-5. В качестве шумящего эле­ мента ШЭ в генераторе использован тиратрон типа ТГ 0,1/0,3 со свободной сеткой. Генератор формирует низкочастотные флуктуации в полосе 0—50 гц с корреляционной функцией вида:

R (т) == о2 sin Qt Qi

где Q — круговая частота среза выходного ФНЧ-генератора. Принципиальная схема генератора показана на рис. 4-6. Сигнал с вы­

хода шумящего тиратрона Л1 поступает на вход трехкаскадного усилителя переменного тока на лампах Л2 —Л4, охваченного схемой А Р У . Действие схемы А Р У начинается только с определенного уровня; это обеспечивается включением в схему прибора повышающего трансформатора Т рі и выпря-

173

мнтельного диода ЛЮ , через которые напряжение шумов поступает на схему сравнения с опорным напряжением Е оп, снимаемым с потенциометра Р5. Разность напряжений сглаживается интегратором на лампе Л9 и с делителя на R24 R25 подается на первую сетку лампы Л2. Стабилитроны Л7 и Л8 служат для поддержания постоянного уровня напряжении на катодах и вто­ рых сетках ламп Л2 и Л9 относительно общей шины. Через катодный повто­ ритель на лампе Л4 напряжение шумов поступает на полосовой /-ЛС-фильтр, с выхода которого через однокаскадпый усилитель мощности с трансформа­ торным выходом (Тр2) он подается иа контакты демодулятора с рабочей ча­ стотой 400 гц; напряжение с частотой 400 гц вырабатывается генератором си­ нусоидальных колебаний, выполненным на лампе Л И . В качестве демодуля­ тора в приборе могут использоваться внбропреобразователн или поляризо­ ванные реле. Включенный на выходе демодулятора Ф Н Ч предназначен для подавления высокочастотных составляющих сигнала, частота которых кратна рабочей частоте демодулятора.

Пиковые значения низкочастотного случайного сигнала с нормальным распределением на выходе генератора равны 10 Т (средне квадратическое значение <тВых = 10'6 в 1,7 : 1,8 о). Конструктивно прибор выполнен в прямоугольном корпусе; орган регулировки уровня шумов вынесен на пе­ реднюю панель.

4-2. ИНЧ-генераторы с «маской»

Коррелометры инфразвукового диапазона можно поверять и калибровать с помощью оптико-механических генераторов О М Г , блок-схема одного из которых приведена на рис. 4-7 [112]. Двигатель ДМ-3 приводит во вращение вал редуктора Р. На его выходном валу закреплен диск «высокочастотного» оптико-механического генератора В Ч , а также два ведущих шкива ВШ с диа­

метрами D , и £>,- Через паразитный ролик П Р , который может сцепляться

с двумя шкивами и диском механического фильтра МФ, вращение передается

дискам двух иифранизкочастотных оптико-механических генераторов И Н Ч 1

и ИНЧп.

ИН Ч вала.

Сфотоприемннков генераторов И Н Ч Х и ИНЧ., сигналы поступают на уси­ лители У х и У о, а также па выходные зажимы U x и (/•>. На диске МФ сделаны тонкие радиальные прорези (72 прорези через 5°). Оптическая система, работа­ ющая стакими прорезями, представляет собой генератор импульсов ГИ . Опти­ ческие системы ГИ и В Ч г закреплены таким образом, что с помощью регулиро­

вочных винтов их можно перемещать по окружности па небольшой угол,

ворачивается на угол от 0 до 400° червячной 36-кратной передачей. Поворот­ ное устройство генератора И Н Ч Х выполняет роль вспомогательного фазовра­ щателя ВФ, а генератора И Н Ч 2 ■— градуированного фазовращателя ГФ. На рукоятке ГФ две шкалы: грубая й точная. Грубая шкала имеет оцифровку от 0 до 360°. Дополнительно для удобства работы оператора введено цифро­ вое отсчетное устройство ДО, обеспечивающее цифровое показание «геомет­ рического угла» сдвига с помощью четырех индикаторных ламп ГІН-1. Элек­ трические фазовые соотношения в отличие от геометрических, контроли­ руются фазоиндикатором ФИ.

Учитывая, что стабильность частоты в госэнергосистеме высока — 0,2%, целесообразно в генераторе использовать многоскоростные синхронные дви­ гатели. Два привода О М Г применяют магнитофонный синхронно-гистере­ зисный двигатель типа ДМ-3, имеющий при напряжении питания 220 в и ча­ стоте 50 гц три скорости: 3000, 1500 и 750 об/мин. Для получения сигнала

174

в широком диапазоне частот используют принцип механического деления

ным конфигурациям зачернення поверхности материала дисков. Радиальная

ширина маски не превышает линейного радиального размера каждой из ще­ лей на диске механического фильтра. Благодаря «маске», интенсивность све­ тового потока, падающего на фототранзистор усилителя ннфранизкочастотного канала, меняется по определенному закону. На рис. 4-7 конфигурация «маски» обеспечивает генерирование О М Г синусоидальных функций, частоты которых определяются скоростью вращения вала, на котором укреплены диски И Н Ч 1 и И Н Ч 2.

Чернение диска выполняется различными способами. При малых часто­ тах вращения диска, необходимых для получения инфразвуковых колебаний заданной формы, дефекты контура «маски» сказываются наиболее сильно

токов низкой частоты цепь эмиттер—база практически закорочена, а для то­ ков высокой частоты — разомкнута. При работе по такой схеме шумы умень­

175

шаются в 4—5 раз, в то же время чувствительность к световым импульсам практически остается неизменной.

Испытание этой схемы показало ее стабильность как при изменении тем­ пературы, так и при фоновой засветке, причем изменение напряжения от тем-

Рнс. 4-9. Схема'усилнтеля постоянного тока для генератора ОМГ

пературы не превышает 0,1 мв/град. Так, схема оказалась работоспособной при увеличении температуры до + 60° С, а постоянной засветки до 9000 лк (R5 = Rn — 3,9 ком, частота импульсной засветки 1 кгц, индуктивность

Рис. 4-10. Внешний вид генератора ОМГ

дросселя Др. 1— 2 гн). Двухзвенный П-образный фильтр нижних частот (Mp2ClC2R3C3) пропускает частоты ниже 100 гц. Резисторы R 1 —R2 пред­ назначены для исключения постоянной составляющей, образующейся после отфильтровывания высокочастотных импульсов. Характеристическое сопро­ тивление фильтра (R6) равно 600 ом.

176

При применении оптико-механического генератора для поверки корре­ лометров используют предусмотренную в приборе возможность воспроизве­ дения двух сигналов практически любой формы, в частности, полигармонических сигналов, корреляционные функции которых выражаются аналити­ чески.

Исследования рассмотренного ОМГ показали [114], что одним из основ­ ных показателей качества его работы является степень искажения формы

Рис. 4-11. Блок-схема генератора с ЭЛТ

генерируемого сигнала. Степень искажения определяется погрешностью обусловленной способом нанесения «маски» (особенно ее контура), степенью «размытости» сигнала (из-за просачивания на выход демодулятора несущей частоты) и принятым вариантом схемы выделения формируемого сигнала из последовательности амплитудно-модулированных импульсов.

Рис. 4-12. Принципиальная схема генератора на ЭЛТ

Первая составляющая погрешности может быть сведена к долям процента при применении фотоспособа для нанесения «маски» на поверхность диска; предварительно маска вычерчивается с, например, десятикратным увеличе­

где t — период следования стробирующих импульсов, обратно пропорцио­ нальный скорости вращения и количеству щелей МФ.

177