Главная » Тарифы » Генератор шума: принцип действия и область применения. Что нужно для простого экранирования. Что услышит проводящий слежку

Генератор шума: принцип действия и область применения. Что нужно для простого экранирования. Что услышит проводящий слежку

3.4.3. Генераторы акустического шума

Акустические генераторы шума используются для зашумления акустического диапазона в помещениях и в линиях связи, а также для оценки акустических свойств помещений.

Под "шумом" в узком смысле этого слова часто понимают так называемый белый шум, характеризующийся тем, что его амплитудный спектр распределен по нормальному закону, а спектральная плотность мощности постоянна для всех частот.

В более широком смысле под шумом, по ассоциации с акустикой. понимают помехи, представляющие собой смесь случайных и кратковременных периодических процессов. Кроме белого шума выделяют такие разновидности шума, как фликкер-шум и импульсный шум. В генераторах шума используется белый шум, так как даже современны ми способами обработки сигналов этот шум плохо отфильтровывает ся. Ниже приводятся несколько схем различных генераторов шума.

Генератор белого шума

Самым простым методом получения белого шума является использование шумящих электронных элементов (ламп, транзисторов, различных диодов) с усилением напряжения шума. Принципиальная схема несложного генератора шума приведена на рис. 3.29.

Источником шума является полупроводниковый диод - стабилитрон VD1 типа КС168, работающий в режиме лавинного пробоя при очень малом токе. Сила тока через стабилитрон VD1 составляет всего лишь около 100 мкА. Шум, как полезный сигнал, снимается с катода стабилитрона VD1 и через конденсатор С1 поступает на инвертирую щий вход операционного усилителя DA1 типа КР140УД1208. На не инвертирующий вход этого усилителя поступает напряжение смещения, равное половине напряжения питания с делителя напряжения выполненного на резисторах R2 и R3. Режим работы микросхемы определяется резистором R5, а коэффициент усиления - резистором R4. С нагрузки усилителя, переменного резистора R6 , усиленное напряжение шума поступает на усилитель мощности, выполненный на микросхеме DA2 типа К174ХА10. Работа этого усилителя подробно описана в главе 2. С выхода усилителя шумовой сигнал через конденсатор С4 поступает на малогабаритный широкополосный громкоговоритель В1. Уровень шума регулируется резистором R6.

Стабилитрон VD1 генерирует шум в широком диапазоне частот от единиц герц до десятков мегагерц. Однако на практике он ограничен АЧХ усилителя и громкоговорителя. Стабилитрон VD1 подбирается по максимальному уровню шума, так как стабилитроны представляют собой некалиброванный источник шума. Он может быть любым с напряжением стабилизации менее напряжения питания.

Микросхему DA1 можно заменить на КР1407УД2 или любой операционный усилитель с высокой граничной частотой коэффициента единичного усиления. Вместо усилителя на DA2 можно использовать любой УЗЧ.

Для получения калиброванного по уровню шума генератора используют специальные шумящие вакуумные диоды. Спектральная плотность мощности генерируемого шума пропорциональна анодному току диода. Широкое распространение получили шумовые диоды двух типов 2ДЗБ и 2Д2С. Первый генерирует шума полосе до 30 МГц, а второй - до 600 МГц. Принципиальная схема генератора шума на шумящих вакуумных диодах приведена на рис. 3.30.

Резистор R1 типа МЛТ-0,25. Резистор R2 проволочный, он используется совместно с диодом 2ДЗБ. Питание генератора осуществляется от специального блока, схема которого приведена на рис. 3.31.

Цифровой генератор шума

Цифровой шум представляет собой временной случайный процесс, близкий по своим свойствам к процессу физических шумов и называется поэтому псевдослучайным процессом. Цифровая последовательность двоичных символов в цифровых генераторах шума называется псевдослучайной последовательностью, представляющей собой последовательность прямоугольных импульсов псевдослучайной длительности с псевдослучайными интервалами между ними. Период повторения всей последовательности значительно превышает наибольший интервал между импульсами. Наиболее часто применяются последовательности максимальной длины - М-последовательности, которые формируются при помощи регистров сдвига и сумматоров по модулю 2, использующихся для получения сигнала обратной связи.

Принципиальная схема генератора шума с равномерной спектральной плотностью в рабочем диапазоне частот приведена на рис. 3.32.

Этот генератор шума содержит последовательный восьмиразрядный регистр сдвига, выполненный на микросхеме К561ИР2, сумматор по модулю 2 (DD2.1), тактовый генератор (DD2.3, DD2.4) и цепь запуска (DD2.2), выполненные на микросхеме К561ЛП2.

Тактовый генератор выполнен на элементах DD2.3 и DD2.4 по схеме мультивибратора. С выхода генератора последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования около 100 кГц поступает на входы "С" регистров сдвига DD1.1 и DD1.2, образующих 8-разpядный pегистpа сдвига. Запись инфоpмации в pегистpа пpоисходит по входам "D". На вход "D" pегистpа DD1.1 сигнал поступает с элементa обратной связи сумматора по модулю 2 - DD2.1. При вккочении питания возможно состояние регистров, когда на всех выходах присутствуют низкие уровни. Так как в регистрах М-последовательности запрещено появление нулевой комбинации, то в схему введена цепь запуска генератора, выполненная на элементе DD2.2. При включении питания последний формирует на своем выходе уровень логической единицы, который выводит регистр из нулевого состояния. На дальнейшую работу генератора цепь запуска не оказывает никакого влияния. Сформированный псевдослучайный сигнал снимается с 8-го разряда регистра сдвига и поступает для дальнейшего усиления и излучения. Напряжение источника питания может быть от 3 до 15 В.

В устройстве использованы КМОП микросхемы серии 561, их можно заменить на микротомы серий К564, К1561 или К176. В последнем случае напряжение питания должно быть 9 В.

Правильно собранный генератор в налаживании не нуждается. Изменением тактовой частоты можно регулировать диапазон частот шума и интервал между спектральными составляющими для заданной неравномерности спектра.

Белый шум - это звук, который вы слышите, когда телевизор настроен на частоту несуществующей станции. Его спектральная плотность растет с крутизной 3 дБ/октава, поэтому белый шум не годится в качестве источника для тестирования аудиоаппаратуры. Если же объединить источник белого шума и фильтр с крутизной спада 3 дБ/октава, можно получить очень хорошее приближение к «настоящему» розовому шуму, когда мощность в пределах каждой октавы будет одинакова. Например, мощность в полосе частот 40…80 Гц будет равна мощности в полосе частот 10…20 кГц.

В показанной на рис. 1 схеме фильтр сделан на недорогом ОУ типа . Нет никаких оснований использовать дорогие малошумящие усилители в схеме, которая предназначена для того, чтобы шуметь.

Рисунок 1.

Смещенный в обратном направлении базо-эмиттерный переход транзистора BC548 шумит как хороший стабилитрон. При указанных на схеме номиналах, среднее шумовое напряжение в полосе частот равно 30 мВ. «Транзисторные стабилитроны» не слишком надежны, в том смысле, что напряжение пробоя у них может варьировать, в зависимости от экземпляра, от 5 до 10 В, хотя обычно пробивное напряжение транзисторов находится где-то около 9 В. Иногда обнаруживается, что транзистор шумит очень слабо. В таком случае, надо просто взять другой.

Первый каскад ОУ выполняет роль буферного усилителя с очень высоким входным сопротивлением, чтобы не нагружать источник шума. Усиление буферного каскада равно 11 (20.8 дБ). Постоянное напряжение на выходе буферного усилителя должно быть таким же (или отличаться совсем ненамного), как на «транзисторном стабилитроне».

Вывод 8 ОУ подключается к положительному полюсу батареи, вывод 4 - к отрицательному. Не перепутайте, а то погубите усилитель.

Маркированные буквами «NP» конденсаторы - электролитические, неполярные. Можно было бы применить и пленочные, но они дороговаты для проекта, который мы решили сделать дешевым. А конденсаторы нужны именно неполярные, из-за непредсказуемого знака напряжения на C4 и практически полного отсутствия постоянного смещения на C8.

Второй каскад усилителя - это как раз фильтр с линейным спадом 3 дБ/октава в полосе частот 20 Гц…20 кГц. Фильтр превращает белый шум в розовый, обеспечивая постоянство энергии в каждой из 10 октав звукового диапазона.

Из за высокого пробивного напряжения «транзисторного стабилитрона», напряжение питания приходится делать достаточно высоким. Мы используем две стандартные батарейки по 9 В, включенные последовательно так, что суммарное напряжение равно 18 В. Светодиодную индикацию мы намеренно исключили из схемы, так как один светодиод потребляет тока больше, чем вся остальная схема.
Выключатель питания должен быть двухполюсным, чтобы отключать обе батареи. Средняя точка батарей является «землей» схемы.

Схему можно собрать на куске макетной платы и поместить в подходящий пластмассовый или металлический корпус. Номиналы компонентов некритичны, поэтому вполне подойдут резисторы и конденсаторы с допуском 5%. Использование металлопленочных 1% резисторов для снижения уровня шума в этой схеме лишено всякого смысла. Транзисторы используйте маломощные, любые, какие есть под рукой. Сдвоенный ОУ (или два одиночных) тоже могут выбираться практически произвольно, лишь бы они подходили по напряжению питания. Но не забывайте, что не у всех микросхем цоколевки совпадают.

Если у вас есть осциллограф, или есть, у кого его взять на время, убедитесь, что шумовой сигнал не обрезается усилителями. На слух это не определить, а отсечка искажает энергетический спектр сигнала, и шум перестает быть розовым. Если отсечка обнаружена, или у вас есть подозрение, что она существует, увеличьте номиналы резисторов R3 или R4 (любого, но не обоих сразу). Увеличение номинала вдвое уменьшает выходное напряжение наполовину.

В принципе, существуют цифровые генераторы «псевдо случайного» шума, но мне они не нравятся, так обладают цикличностью, очень заметной на слух. В нашей же схеме шум на самом деле случайный.


Рисунок 2.

На Рисунке 2 показана передаточная характеристика фильтра с наклоном -3 дБ/октава. Она не вполне совершенна, но идеальных фильтров я никогда и не встречал. А того, что получилось, более чем достаточно для большинства целей. Небольшой спад на низких частотах, обусловленный конденсатором C7 и выходным конденсатором фильтра, реально чуть больше, чем изображено на графике, но ошибка не превышает 1 дБ во всем диапазоне звуковых частот.

Использование генератора шума

Подключите генератор к предусилителю и постепенно увеличивайте громкость до уровня спокойной речи. Это будет примерно 65 дБ. Внимательно слушайте, стараясь обнаружить какие-то особенности звука, как например, низкий шум, или наличие точек, в которых сигнал исчезает, или же что-то, что просто не похоже на чистый шум. Вероятно, вам придется немного попрактиковаться в этом занятии. Если у вас есть графический эквалайзер, вам будет проще понять, как влияют на звук пики и провалы частотной характеристики.

Попробуйте прослушать сигнал генератора в хороших наушниках, а затем через акустическую систему в комнате, и сравнить результаты. Возможно, они удивят вас.

С помощью электронных схем сегодня можно реализовать самые смелые идеи. Начинающему радиолюбителю под силу собрать даже такое “экзотическое” устройство, как генератор шума. Этот прибор выпускается в промышленных масштабах и предназначен для защиты от утечки информации с работающих радиоэлектронных устройств: компьютеров, мобильных телефонов и т.д. Их еще часто называют “глушилками” из-за способности подавить любой информационный сигнал, который попадает в сферу их действия.

Применение устройства целесообразно в офисах или лабораториях, в общем, везде, где должен сохраняться особый режим секретности. Если в какой-либо организации существует запрет на использование мобильной связи, то генератор шума в состоянии перекрыть любой сигнал и не допустить проведение переговоров. Кроме этого, можно создать устройство, которое будет генерировать так называемый “белый шум”. Это шум звукового диапазона, который может воспрепятствовать утечке информации при проведении совещаний или особо важных переговоров. Комната при этом “окутывается белым шумом”.

Кроме вышеперечисленных примеров, генератор шума может использоваться и в других целях. Наверное, многие помнят игровой автомат “Морской бой”, в котором нужно было подбить корабль с помощью торпеды. При попадании в цель включался генератор шума, который работал в звуковом диапазоне и имитировал звук взрыва.

Такое устройство несложно сконструировать, если знать принцип его действия. Прибор, работающий в звуковом диапазоне, генерирует частоты, равные по амплитуде. Особенностью прибора является то, что на выходе одновременно присутствует смешанный сигнал. Его можно сгенерировать, предположим, на микропроцессоре, точно разделив звуковой диапазон и смешав сигналы с определенной дискретностью. Но гораздо проще использовать в качестве источника белого шума электронные приборы: радиолампы или стабилитрон. Такие устройства несложно найти в специализированных магазинах. Генератор шума на стабилитроне состоит из Сигнал снимается непосредственно со стабилитрона и отдается на с определенной Выделенный таким образом белый шум остается усилить с помощью УЗЧ и передать на динамик. Прибор устойчиво работает в широком диапазоне

температур и начинает генерировать сигнал смешанной частоты сразу после монтажа и подключения к источнику питания. Довольно интересно услышать, как работает стабилитрон.

Готовые приборы также можно приобрести в магазинах. В качестве примера можно рассмотреть генератор шума ГШ-1000М. Прибор компактен, и радиус его действия составляет 40 квадратных метров. Он надежно защищает организацию от возможной информационной утечки с работающих компьютеров. Также возможно использовать несколько таких приборов, например, для защиты мощных вычислительных центров или терминалов. В этом случае приборы можно располагать на расстоянии 20 м друг от друга. Излучение, создаваемое генератором, не превышает допустимые нормы и не вредит здоровью обслуживающего персонала.

Чтобы лучше узнать стабилитрон и познакомиться с его возможностями использования в радиолюбительских конструкциях, проведите предлагаемые эксперименты. А если они понравятся вам, оснастите описываемыми простыми устройствами свою лабораторию.

Простейший генератор шума.

Помимо генераторов, вырабатывающих сигналы синусоидальной, импульсной, треугольной и других форм, в измерительной технике пользуются и так называемыми шумовыми генераторами или генераторами шума. Особенность сигнала такого генератора в его хаотической форме и сравнительно широком диапазоне частот - от сотен герц до десятков мегагерц. Если вы впервые слышите о таком сигнале, не упустите случая познакомиться с ним, собрав генератор шума по приведенной на рис. 1 схеме.

Понадобятся три батареи 3336, соединенные последовательно, переменный резистор R1 сопротивлением 10, 15 или 22 кОм, стабилитрон VD1 типа Д808 или Д809, резистор нагрузки R2 сопротивлением от 120 до 180 Ом и фильтрующий конденсатор С 1 емкостью 4700... 10 000 пФ - он предотвращает попадание высокочастотных шумовых сигналов в цепь источника питания.

Установив сначала движок переменного резистора в крайнее правое по схеме положение, подсоедините к генератору источник питания и подключите к резистору нагрузки R2 входные щупы осциллографа, например ОМЛ-ЗМ. Входным аттенюатором или регулятором усиления (если осциллограф другой) подберите наибольшую чувствительность осциллографа (для ОМЛ-ЗМ - 0,01В /дел.) На экране должна появиться несколько размытая (утолщенная) линия развертки. Плавно перемещая движок переменного резистора в сторону левого по схеме вывода, наблюдайте за увеличением размытости - она может стать наибольшей примерно в среднем положении движка. Это и есть максимальный сигнал шума на выходе генератора, его амплитуда может составлять от десятков микровольт до единиц милливольт.

Попробуйте включить вместо VD1 другой экземпляр стабилитрона Д808 или Д809 и заметьте амплитуду шумового сигнала. Наверняка найдется стабилитрон, генерирующий наибольший сигнал.

Вообще, шумят практически все стабилитроны серий Д808 - Д813, Д814А - Д814В. А вот стабилитроны КС133А, КС147А и многие другие непригодны для работы в подобном режиме. Следует также помнить, что напряжение батареи GB1 зависит от используемого стабилитрона и оно должно превышать напряжение стабилизации хотя бы на 2 В.

А теперь о практическом использовании подобного генератора. Соедините нижний по схеме вывод резистора R2 с общим проводом (заземлением) лампового или транзисторного радиоприемника, а верхний вывод резистора подключите к антенному гнезду. На всех диапазонах (ДВ, СВ, KB, УКВ) вы услышите в динамической головке приемника шум.

Если установить в генераторе вместо резистора R2 переменный и подавать сигнал на антенный вход приемника с его движка, то громкость шума удастся изменять перемещением движка резистора. А если бы удалось измерить амплитуду выходного шумового сигнала в разных положениях движка, можно было бы либо сравнивать приемники по чувствительности, либо просто определять чувствительность того или иного приемника. Кроме того, с помощью генератора шума нетрудно отыскивать неисправность во входных цепях приемников и даже телевизоров.

Необычный генератор импульсов. Взглянув на рис. 2, вы не увидите собственно генератора, вырабатывающего импульсный сигнал. Его заменяет ограничитель синусоидального сигнала, выполненный на базе стабилитрона.

Основа нашего генератора - понижающий сетевой трансформатор, роль которого выполняет известный вам унифицированный трансформатор кадровой развертки телевизора ТВК-110ЛМ. На его вторичной обмотке можно наблюдать синусоидальный сигнал размахом около 40В (между вершинами положительной и отрицательной полуволн). Этот сигнал поступает на цепь из балластного резистора R1 и стабилитрона VD1. Во время положительного полупериода переменного напряжения на входе цепи стабилитрон выполняет свою основную функцию, в результате чего на его выводах можно наблюдать (конечно, с помощью осциллографа) ограниченную сверху полуволну синусоиды. Амплитуда результирующего сигнала зависит от напряжения стабилизации стабилитрона. Во время же отрицательного полупериода стабилитрон работает как обыкновенный диод, оставляя от отрицательной полуволны лишь часть, соответствующую прямому напряжению диода.

В итоге формируется импульсный сигнал (его форма при соответствующем переменном напряжении может соответствовать показанной зеленым цветов), основание которого немного смещено вниз относительно линии развертки (если, конечно, осциллограф работает в режиме открытого входа).

При испытании других стабилитронов в таком режиме резистор R1 должен быть такого сопротивления, при котором максимальный ток через стабилитрон будет выше I ст min и ниже I ст max

Стабилитрон - ограничитель напряжения. Представьте ситуацию, когда вашему транзисторному приемнику требуется питание напряжением, скажем, 9В, а в распоряжении есть сетевой блок с фиксированным постоянным напряжением 15 В, Как быть?

Конечно, первая мысль - включить в цепь питания постоянный резистор, гасящий излишек напряжения. Но такой способ неприемлем из-за того, что в зависимости от громкости звука будет изменяться потребляемый приемником ток, а значит, и напряжение на нем.

Если же вместо гасящего резистора включить в цепь питания стабилитрон (рис. 3), проблема будет решена. Теперь напряжение на нагрузке (приемнике) станет равным разности напряжений блока питания и стабилизации стабилитрона. В этом легко убедиться с помощью вольтметра постоянного тока.

Поскольку у разных экземпляров стабилитронов может отличаться напряжение стабилизации, более точно (если это нужно) выходное напряжение можно подобрать включением диода VD2 последовательно со стабилитроном. Тогда общее гасящее напряжение составит сумму напряжений стабилизации и прямого для данного диода. В свою очередь, диод ставят либо германиевый (у него прямое напряжение может быть около 0,5 В), либо кремниевый (до 1,2 В), либо два-три последовательно соединенных диода. Можно также соединять последовательно несколько стабилитронов (даже с разными напряжениями стабилизации) для получения нужного гасящего напряжения. В любом варианте значение выпрямленного тока диода (или диодов) должно превышать ток нагрузки, а последний не должен быть более максимального тока стабилизации стабилитрона (или любого из соединяемых последовательно стабилитронов).

И еще следует помнить, что стабилитрон следует включать в этой цепи в обратном направлении, а диод - в прямом.

Как растянуть шкалу вольтметра. Контролируя какое-то напряжение, иногда бывает нужно либо следить за его колебаниями, либо более точно измерить. Скажем, при эксплуатации автомобильной аккумуляторной батареи важно следить за изменением ее напряжения в диапазоне 12...15 В. Именно этот диапазон желательно было бы разместить на всей шкале стрелочного индикатора вольтметра. Но, как вы знаете, отсчет на любом из диапазонов практически всех измерительных приборов идет от нулевого значения и добиться более высокой точности отсчета на интересующем участке невозможно.

И тем не менее существует способ растяжки практически любого участка шкалы (начало, середина, конец) вольтметра постоянного тока. Для этого нужно воспользоваться свойством стабилитрона открываться при определенном напряжении, равном напряжению стабилизации. К примеру, для растяжки конца шкалы диапазона 0...15В достаточно использовать стабилитрон в такой же роли, что и в предыдущем эксперименте.

Взгляните на рис. 4. Стабилитрон VD1 включен последовательно с однопредельным вольтметром, составленным из стрелочного индикатора РА 1 и добавочного резистора R2. Как и в предыдущем эксперименте, стабилитрон съедает часть измеряемого напряжения, равного напряжению стабилизации. В результате на вольтметр будет поступать напряжение, превышающее напряжение стабилизации.

Это напряжение и станет своеобразным нулем отсчета, а значит, на шкале растянется лишь разница между наибольшим измеряемым напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона.

Показанное на рисунке устройство рассчитано на контроль напряжения аккумуляторной батареи в диапазоне от 10 до 15В, но этот диапазон можно изменить по желанию соответствующим подбором стабилитрона и резистора R2.

Каково назначение резистора R1? В принципе, он не обязателен. Но без него, пока стабилитрон закрыт, стрелка индикатора остается на нулевой отметке. Введение же резистора позволяет наблюдать напряжение до 10В на начальном участке шкалы, но этот участок будет сильно сжат.

Собрав показанные на схеме детали и соединив их со стрелочным индикатором РА 1 (микроамперметр М2003 с током полного отклонения стрелки 100 мкА и внутренним сопротивлением 450 Ом), подключают щупы ХР1 и ХР2 к блоку питания с регулируемым выходным напряжением. Плавно увеличивая напряжение до 9...9,5В, заметите небольшое отклонение стрелки индикатора - всего на несколько делений в начале шкалы. Как только при дальнейшем увеличении напряжения оно превысит напряжение стабилизации, угол отклонения стрелки будет резко возрастать. Примерно с напряжения 10,5 до 15В стрелка пройдет почти всю шкалу.

Чтобы убедиться в роли резистора R1, отключите его и повторите эксперимент. До определенного входного напряжения стрелка индикатора останется на нулевой отметке.

Продолжение следует…

Шумовым сигналом называется совокупность одновременно существующих электрических колебаний, частбты и амплитуды которых носят случайный характер. Типичным примером шумового сигнала являются электрические флуктуации. Генераторы шума вырабатывают шумовые измерительные радиотехнические сигналы с нормированными статистическими характеристиками.

Генераторы шума применяются в качестве источников флуктуационных помех при исследовании предельной чувствительности радиоприемных и усилительных устройств, в качестве калиброванных источников мощности при измерении напряженности поля или шумов внеземного происхождения, в качестве имитаторов полного сигнала многоканальной аппаратуры связи, для измерения нелинейных искажений и частотных характеристик радиоустройств с- помощью анализатора спектра с постоянной полосой пропускания.

Рис. 4-19. Упрощенная структурная схема генератора шумовых сигналов

Основным требованием к генераторам шума является равномерность спектрального состава шумового сигнала в возможно большей полосе частот, от до («белый» шум), а практически - от единиц герц до десятков гигагерц. Такой измерительный сигнал позволяет исследовать устройство или систему одновременно во всем диапазоне рабочих частот. В реальных генераторах «белый» шум получить невозможно, по для любого устройства, полоса пропускания которого во много раз меньше спектра шумового сигнала, последний можно считать «белым».

По диапазону генерируемых частот генераторы шума делятся на низкочастотные (20 Гц - 20 кГц и 15 Гц - 6,5 МГц); высокочастотные сверхвысокочастотные (500 МГц - 12 ГГц).

Обобщенная структурная схема генератора шума (рис. 4-19) состоит из источника шума ИШ, широкополосного усилителя и аттенюатора Измеритель выхода ИВ позволяет контролировать уровень выходного сигнала в единицах напряжения (иа низких частотах) или в единицах спектральной плотности мощности шума. К источнику шума предъявляются следующие требования: равномерность спектральной плотности мощности в заданной полосе частот; достаточное выходное напряжение (мощность) шумового сигнала; неизменность и воспроизводимость характеристик шума во времени и при изменении внешних влияний; заменяемость после истечения гарантийного срока работы без нарушения выходных параметров генератора. Наибольшее распространение в качестве источников шума получили резисторы, вакуумные

и полупроводниковые дноды, фотоэлектронные умножители и газоразрядные лампы.

Шум, возникающий в резисторе, обусловлен хаотическим тепловым движением электронов, которое прекращается только при абсолютном нуле. Среднеквадратическое значение напряжения шумового сигнала резистора Определяется еледующей формулой:

где постоянная Больцмана; температура, сопротивление резистора, Ом, при нормальной температуре эквивалентная полоса пропускания, в которой определяется напряжение, Гц.

Если нагрузить шумящий резистор другим, равным ему по сопротивлению, то на втором резисторе выделится мощность

Отсюда можно определить спектральную плотность мощности шума

Спектральная плотность мощности шума резистора при нормальной температуре равна Произведение удобно использовать в качестве единицы спектральной плотности мощности. Например, означает, что температура шумящего резистора в пять раз выше нормальной и спектральная плотность равна

Из выражения можно найти сопротивление резистора: отсюда следует, что активные элементы, в которых возникают шумы, можно замещать эквивалентным шумящим резистором, шумовое сопротивление которого при нормальной температуре равно:

Вакуумный диод, работающий в режиме насыщения, является источником шума вследствие случайного характера процесса термоэлектронной эмиссии. Среднеквадратическое значение шумового тока диода определяется известным выражением где заряд электрона ток насыщения, полоса пропускания устройства, на вход которого поступает ток насыщения диода, Гц. Вакуумные диоды, например типа генерируют шум в диапазоне частот Напряжение и уровень спектральной плотности мощности на выходе генератора регулируется изменением тока накала диода.

В качестве источника шума широко используются полупроводниковые диоды; низкочастотные и высокочастотные, работающие в диапазоне 20 Гц - 20 кГц и 60-80 МГц соответственно. Последние часто используются и в низкочастотных генераторах шума (путем гетеродинного переноса частот).

Газоразрядные трубки являются источниками шума в диапазоне сверхвысоких частот - от до Шум обусловлен беспорядочным движением электронов в ионизированном газе (плазме). Под влиянием приложенного электрического поля они движутся с высокой скоростью, поэтому мощность шума достигает относительно больших значений. Спектральная плотность мощности равна где - «электронная температура», зависящая от состава газа и его давления. Значение достигает нескольких десятков тысяч кельвинов.

Рассмотрим особенности построения генераторов шумовых сигналов в зависимости от диапазона частот.

Низкочастотный генератор шума строится по схеме прямого усиления шумовых сигналов, получаемых от полупроводникового диода в диапазоне Усиление сигнала осуществляется транзисторным усилителями, между которыми сключепы полосовые фильтры, формирующие поддиапазоны частот 250-3500 Гц и 40-12 000 Гц. Выходной усилитель мощности с переключаемой обратной связью обеспечивает выход сигнала на нагрузки 6, 60 и 600 Ом. Предусмотрен ступенчатый аттенюатор до и вольтметр, шкала которого проградуирована в среднеквадратических значениях напряжения. Неравномерность спектра «белого» шума не более

Низкочастотный генератор шума работающий в диапазоне видеочастот (15 Гц - 6,5 МГц), строится на принципе переноса спектра источника шума из области высоких частот в рабочий диапазон методом гетеродииироваиия. Источник шума - полупроводниковый диод вырабатывает шум в диапазоне частот до

Рис. 4-20. Генератор шумовых сигналов на вакуумном диоде: а - схема; конструкция

Полосовой усилитель с полосой соединен со смесителем, на второй вход которого подано напряжение гетеродина, работающего на частоте . В результате на выходе смесителя получаются два сигнала разностных частот, лежащих выше и ниже частоты гетеродина. Частотный диапазон каждого из них Оба сигнала суммируются и поступают на фильтры нижних частот, формирующие рабочие полосы поддиапазонов или Низкочастотные составляющие Гц подавляются в последующем видеоусилителе, с выхода которого сигнал поступает на ступенчатый аттенюатор и вольтметр. Выходное сопротивление 50 и 600 Ом. Выходное напряжение регулируется в пределах плавно и ступенями через при внешней нагрузке не менее

Высокочастотный генератор шума работает на насыщенном вакуумном диоде типа (рис. 4-20), заключенном в коаксиальную конструкцию, оканчивающуюся разъемом для соединения с нагрузкой. Этот генераторный блок соединен экранированными проводами с блоком питания и управления, в котором размещены стабилизированные источники питания цепи накала и цепи анода диода модулирующий генератор и миллиамперметр, шкала которого градуируется в единицах

Мощность шума диода где сопротивление резистора нагрузки диода, тепловым шумом которого можно пренебречь. Отсюда следует, что спектральная плотность мощности прямо пропорциональна току эмиссии диода:

Пределы регулирования реостатом накала диода выходной спектральной плотности мощности При необходимости уменьшения спектральной плотности между выходом генератора и входом исследуемого устройства включают аттенюаторы коаксиальной конструкции с одним значением ослабления. Выходное сопротивление генератора определяется диаметрами коаксиального разъема и в большинстве случаев равно 75 Ом.

Сверхвысокочастотные генераторы шумовых сигналов работают на газоразрядных трубках. Для частот от до это генераторы коаксиальной конструкции и с коаксиальными выходными разъемами, для частот выше волноводной конструкции. Генератор коаксиальной конструкции (рис. 4-21, а) представляет собой цилиндрическую металлическую камеру, в центре которой помещается газоразрядная трубка. Вокруг трубки располагается металлическая спираль, охватывающая столб плазмы и являющаяся элементом связи горящей трубки с коаксиальной линией.

Рис. 4-21. Генератор шумовых сигналов на газоразрядных трубках 1 - согласующий резистор; 2 - спираль связи; 3 - газоразрядная трубка; 4 - согласующая нагрузка; 5 - предельный волновод

Один конец спирали соединен с поглощающим (согласующим) резистором, второй - с выходным разъемом. Выходное сопротивление генератора определяется волновым сопротивлением коаксиальной линии, т. е. диаметром и шагом спирали, и составляет 50 или 75 Ом. Перекрытие по частоте ие превышает 4; спектральная плотность мощности шума не регулируется и указывается в паспорте генератора в пределах от 20 до Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; здесь спектральная плотность составляет

Генератор шума волноводной конструкции представляет собой отрезок прямоугольного волновода (рис. 4-21, б) с газоразрядной трубкой, пересекающей его широкую стенку под углом Такое расположение обеспечивает согласование горящей трубки с волноводом. Один конец отрезка волновода оканчивается стандартным фланцем для подключения внешней согласованной нагрузки, а в другом помещена клиновидная внутренняя согласующая нагрузка. Спектральная плотность мощности шума составляет Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; в этом случае спектральная плотность мощности равна Перекрытие по частоте не более 1,5. Анодный и катодный концы трубки выступают за пределы волновода и могут излучать шумовую мощность и создавать помехи. Для уменьшения этих помех концы трубки экранируются предельными волноводами,

В качестве образцовых генераторов шума в диапазоне СВЧ применяют тепловые генераторы, работающие при высокой или низкой

температуре. Источник шума представляет собой стержневой или клиновидный резистор, помещенный в коаксиальную или волноводиую линию, нагреваемый до 460 °С (733 К). При такой температуре спектральная плотность мощности составляет Для обеспечения постоянства температуры резистора применяется термостат с автоматическим управлением. В низкотемпературном генераторе резистор погружается в жидкий азот или гелий; спектральная плотность мощности азотного генератора гелиевого



Предыдущая статья: Следующая статья:

© 2015 .
О сайте | Контакты
| Карта сайта