К основным характеристикам генераторов случайных сигналов относятся: спектральная плотность S0(ω) и номинальная корреляционная функция R0(τ) выходного сигнала; ширина спектра , определяемая разностью крайних частот диапазона, в котором отклонение спектральной плотности от заданной не превышает допустимого значения; номинальный интегральный закон распределения мгновенных значений выходного сигнала F0(х) или его числовые характеристики; среднее квадратическое отклонение s0, максимальное значение выходного напряжения UШ; пиковый коэффициент UШ/ s0 и др.
Обобщенная структурная схема генераторов случайных сигналов не отличается от схемы представленной на рис. 9.1. Отличие состоит в задающем генераторе, который вырабатывает шумовой сигнал с равномерной спектральной плотностью в заданном интервале частот.
В генераторах случайных сигналов в качестве вольтметра используется вольтметры действующих значений с большим временем усреднения, которое определяется заданным диапазоном частот выходного сигнала и погрешностью измерения.
В качестве задающих генераторов используются источники вырабатывающие аналоговый шумовой сигнал, которые могут быть электромеханическими, радиоактивными и электронными.
Электромеханические источники конструктивно сложны и дают узкую ширину спектра выходного сигнала.
Радиоактивные обладают сложностью конструкции и нестационарностью выходного сигнала, обусловленной снижением активности радиоактивного элемента во времени. Кроме того, при их использовании нужна биологическая защита от радиоактивного излучения.
Наибольшее распространение получили электронные источники шума, к которым относятся резисторы, электронные лампы, газоразрядные трубки, полупроводниковые шумовые диоды.
Металлические резисторы используются в высокочастотных генераторах случайных сигналов. Спектральная плотность металлических резисторов равномерна в диапазоне частот до 1010 Гц и выше.
В диапазоне низких частот используются непроволочные резисторы, многосеточные лампы и стабилитроны.
Используемые полупроводниковые шумовые диоды имеют спектральную плотность (10-11 – 10-9 ) В2/Гц и ширину спектра (1 – 3,5 МГц). Но они характеризуются сильной температурной зависимостью спектральной плотности (-1,1% / C0).
Аналоговые генераторы случайных сигналов можно разделить на три группы: генераторы с непосредственным усилением сигнала источника шума; генераторы основанные на использовании флюктуаций фазы и амплитуды «периодических» колебаний; генераторы с преобразованием спектра высокочастотного шума.
Генераторы с преобразованием спектра высокочастотного шума характеризуются равномерным и достаточно интенсивным спектром в области низких и инфранизких частот и получили наибольшее распространении.
Преобразование спектра шума может осуществляться двумя способами: гетеродированием и нелинейным преобразованием.
На рис. 9.12 приведена структурная схема генератора с фазовым детектором, на основе которого осуществляется гетеродирование.
Рис. 9.12.
В этой схеме: ИШ – источник шума; ПУ – полосовой усилитель; ФД - фазовый детектор; ФНЧ – фильтр нижних частот; ШАРУ – автоматическая регулировка уровня шума; ГОН – генератор опорного напряжения
Спектральная плотность выходного сигнала описывается выражением:
, (9.9)
где КФД
– коэффициент передачи
фазового детектора; К(ω0)
– коэффициент усиления полосового усилителя;
ω0 -
центральная частота ПУ; S(ω0)- спектральная плотность сигнала ИШ; Um - амплитуда опорного сигнала;
β = 0,85Ω (Ω -
полоса пропускания ПУ).
Характеристики генераторов случайных
сигналов зависят от многих параметров схемы и поэтому трудно обеспечить малые
погрешности параметров выходного сигнала.