Технические характеристики генераторов шума

Тепловые генераторы шума

В основу построения тепловых генераторов шума положен принцип излучения электромагнитной энергии нагретым «черным» телом. Основным элементом таких генераторов является согласованная нагрузка, физическая температура которой определяет спектральную плотность мощности шумового излучения:

Уравнение (4.10) справедливо в области температур и частот, в которой выполняется соотношение:

где h — постоянная Планка (6,62 • 10-34 Дж/с);

Т — температура источника шумового излучения, К;

K — постоянная Больцмана (1,38-10-23 Дж/град);

f — частота радиоизлучения, Гц.

При невыполнении (4.11) спектральная плотность мощности излучения «черного» тела определяется законом Планка:

Применение при расчетах соотношения (4.12) является сложным.

Известно, что существует с достаточной для расчета точностью (примерно 1 %) линейная зависимость между физической температурой тела и спектральной плотностью шумового излучения вплоть до температуры жидкого гелия (4 К) и частот длинноволновой части миллиметровых волн. В этом случае условием выполнения соотношения (4.10) является соотношение:

Тепловые генераторы применяются при создании эталонных и образцовых источников шума для передачи единицы спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения рабочим прибором, а также при измерениях шумовых параметров малошумящих устройств.

Тепловые генераторы шума классифицируются:

Низкотемпературные генераторы шума

НГШ в общем случае состоят из однородной линии передачи, нагруженной на согласованную нагрузку и помещенной в криостат с жидким охладителем. В качестве охладителей используются: жидкий азот, гелий и водород.

Для уменьшения притока тепла к охладителю через поперечное сечение линии передачи последние часто выполняются в виде коаксиальной линии с минимально тонкими стенками проводников. По сравнению с волноводными трактами, особенно больших сечений, размеры коаксиальной линии могут быть значительно меньше. Связь с волноводным трактом в этом случае осуществляется с помощью волноводно-коаксиального перехода.

Внешний и внутренний проводники коаксиальной линии выполняются из нержавеющей стали, что обусловлено ее весьма низкой теплопроводностью. Токонесущие поверхности проводников покрываются тонким слоем металла с высокой электропроводностью (серебро, золото).

В качестве согласованных нагрузок в генераторах используются резисторы или объемные коаксиальные нагрузки, выполненные из поглощающего материала. Для согласования нагрузки с трактом внутренняя поверхность внешнего проводника в нижней части, коаксиальной линии имеет специальную форму.

Особенностью эксплуатации низкотемпературных генераторов шума является то, что уровни охлаждающих жидкостей с течением времени непрерывно снижаются, а это приводит к изменению температуры вдоль нагрузки и линии передачи, а также вносимых в линию потерь. В каждой конструкции генератора применяются различные технические решения для стабилизации во времени температуры шума.

Полагая, что распределение температуры вдоль нагрузки равномерно и она имеет температуру охлаждающей жидкости и хорошо согласована с линией передачи (КСВН < 1.05), температуру шума на выходе генератора можно рассчитать по формуле:

где Тн — температура нагрузки;

б(х) — коэффициент затухания единицы длины секции;

x1 — расстояние от выхода генератора до нагрузки.

Распределение температуры вдоль выходного тракта измеряется с помощью термопары при нескольких уровнях охлаждающей жидкости (после заливки, при минимальном уровне). Коэффициент затухания отдельных секций и нестабильность потерь в разъемах определяются экспериментально и затем рассчитываются с учетом изменения температуры секций.

Основными составляющими погрешности определения номинальной температуры шума на выходе генератора являются:

· погрешность, вызванная неточным учетом неравномерности охлаждения нагрузки;

· погрешность за счет неточности определения потерь в линии передачи и нестабильности потерь в разъемах;

· погрешность, вызванная неопределенностью распределения температуры.

Высокотемпературные генераторы шума

Основу конструкции подобных генераторов составляет согласованная нагрузка, нагретая до относительно высокой температуры. Для хорошего согласования нагрузка выполняется в виде объемного и пленочного поглотителя. Непосредственно на волноводе с нагрузкой размещен нагреватель в виде нагревательных спиралей. За счет различной плотности намотки спирали вдоль волновода достигается необходимая равномерность распределения температуры вдоль поглотителя.

Волновод с нагревателем помещен в цилиндрический тепловой экран. Пространство между кожухом генератора и экраном, заполнено изолирующим материалом. В конструкции поглотителя размещены термопары для измерения и автоматического регулирования постоянства температуры.

При нагреве согласованной нагрузки она создает шумовое излучение. Спектральная плотность мощности шума такого генератора при одинаковой температуре вдоль поглотителя и отсутствии потерь в волноводе от поглотителя до выхода прямо пропорциональна абсолютной температуре поглотителя. Так как данные условия трудно выполнимы, аттестация высокотемпературных генераторов шума, так же как и низкотемпературных, производится экспериментально-теоретическим методом.

Основными составляющими погрешности ВГШ являются:

· погрешность аппаратуры для автоматической стабилизации температуры ();

· погрешность измерения температуры ();

· погрешность за счет неравномерности температуры вдоль поглотителя ();

· погрешность внесения поправки на потери в волноводе ().

Общая погрешность высокотемпературного генератора шума определяется суммой частных погрешностей, являющихся случайными и не зависящими друг от друга:

Анализ абсолютных значений составляющих погрешности показывает, что наибольший вклад в общую погрешность вносит составляющая, обусловленная учетом потерь в волноводе. Уменьшение этой погрешности возможно лишь при изготовлении волновода из неферромагнитного материала с проводимостью, большей проводимости никеля. Наиболее подходящим для этой цели является золото. Особенно большое значение этот фактор приобретает при повышении рабочей частоты, когда потери волновода значительно возрастают.

Высокотемпературные генераторы шума используются в широком диапазоне частот — вплоть до коротковолновой части миллиметровых волн.

Полупроводниковые генераторы шума

Из генераторов шума на полупроводниковых приборах наибольшее применение в практике измерений находят генераторы на лавинно-пролетном диоде (ЛПД). Конструктивно они состоят из ЛПД и генераторной секции, служащей для согласования входного сопротивления p-n-перехода с сопротивлением нагрузки. Источником шумового излучения в ЛПД являются дробовые флуктуации тока насыщения диода и флуктуации коэффициента умножения лавины. Мощность, отдаваемая диодом в нагрузку, определяется выражением:

где — минимальная мощность шумов, отдаваемая диодом в согласованную с его внутренним сопротивлением нагрузку;

— коэффициент передачи мощности от p-n-перехода в нагрузку;

— спектральная плотность флуктуации тока диода;

— сопротивление p-n-перехода диода;

— сопротивление растекания диода.

Генераторы шума перекрывают дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. Они могут работать как в режиме непрерывных колебаний, так и в режиме импульсной модуляции при длительности импульсов от нескольких долей микросекунд и более. Генераторы имеют некоторые технико-эксплуатационные характеристики (большую СПМШ и частоту модуляции, меньшую длительность модулированных импульсов, малые габариты и массу, простую схему электрического питания) лучшие, чем у генераторов на газоразрядных трубках, но уступают последним по стабильности СПМШ и ее частотной зависимости. В таблице 4.1 приведены основные технические характеристики нескольких типов генераторов шума на лавинно-пролетном диоде.

Технические характеристики генераторов шума

ГОСТ 31420-2010
(ISO 8528-10:1998)

ЭЛЕКТРОАГРЕГАТЫ ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРИВОДОМ ОТ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Измерение шума методом охватывающей поверхности

Noise of machines. Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets. Measurement of airborne noise by the enveloping surface method

Дата введения 2012-11-01

Предисловие

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой организацией "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АНО "НИЦ КД") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 25 ноября 2010 г. N 38)

За принятие стандарта проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Минэкономики Республики Армения

Госстандарт Республики Беларусь

Госстандарт Республики Казахстан

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 мая 2012 г. N 78-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 31420-2010 (ISO 8528-10:1998) введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 ноября 2012 г.

5 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ISO 8528-10:1998* "Электроагрегаты генераторные переменного тока с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Часть 10. Измерение шума методом охватывающей поверхности" ("Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets — Measurement of airborne noise by the enveloping surface method", MOD) путем изменения отдельных фраз, которые выделены в тексте курсивом, и путем внесения технических отклонений, объяснение которых приведено в дополнительном приложении С.

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. — Примечание изготовителя базы данных.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ 1.5 (подраздел 3.6).

Читайте также  Агс 7 2 генератор огнетушащего аэрозоля с инжекторным охлаждением

Международный стандарт разработан ISO/TC 70 "Internal combustion engines".

Официальные экземпляры международного стандарта, на основе которого подготовлен настоящий межгосударственный стандарт, и международные стандарты, на которые даны ссылки, имеются в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии.

Сведения о соответствии ссылочных межгосударственных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в приложении В

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Июль 2019 г.

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.

В случае пересмотра, изменения или отменены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-майте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге "Межгосударственные стандарты"

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает технический и ориентировочный методы измерения уровня звуковой мощности генераторных электроагрегатов с приводом от двигателя внутреннего сгорания (далее — электроагрегаты) с учетом всех источников шума, исключая выхлопную систему и систему охлаждения в случае, когда их выходные отверстия находятся на удалении от электроагрегата.

Настоящий стандарт распространяется на наземные и судовые стационарные и передвижные электроагрегаты переменного и постоянного тока, устанавливаемые на жестких или упругих опорах.

Настоящий стандарт не распространяется на электроагрегаты воздушных судов, а также на электроагрегаты для приведения в движение наземных и железнодорожных транспортных средств.

Примечание — Для электроагрегатов специального назначения (например, для медицинских учреждений, высотных зданий и т.п.) могут устанавливаться дополнительные требования.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 17168 Фильтры электронные октавные и третьоктавные. Общие технические требования и методы испытаний

ГОСТ 17187 (IEC 61672-1:2002) Шумомеры. Часть 1. Технические требования

ГОСТ 30457-97 (ИСО 9614-1-93) Акустика. Определение уровней звуковой мощности источников шума на основе интенсивности звука. Измерение в дискретных точках. Технический метод

ГОСТ 30720 (ИСО 11203-95) Шум машин. Определение уровней звукового давления излучения на рабочем месте и в других контрольных точках по уровню звуковой мощности

ГОСТ 31252-2004 (ИСО 3740:2000) Шум машин. Руководство по выбору метода определения уровней звуковой мощности

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (www.easc.by) или по указателям национальных стандартов, издаваемым в государствах, указанных в предисловии, или на официальных сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации. Если на документ дана недатированная ссылка, то следует использовать документ, действующий на текущий момент, с учетом всех внесенных в него изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то следует использовать указанную версию этого документа. Если после принятия настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение применяется без учета данного изменения. Если документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины, определения и обозначения величин

В настоящем стандарте применены акустические термины по ГОСТ 31252-2004 (приложение Е).

Обозначения, наименования и единицы измерения величин, используемых в стандарте, приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Обозначения, наименования и единицы измерения величин

Обозначение величины

Наименование

Единица измерения

Подстрочный индекс, обозначающий номер точки измерения

Коррекция на фоновый шум

Показатель акустических условий

Средний на поверхности октавный или третьоктавный уровень звукового давления с учетом коррекций на фоновый шум и акустические условия

Средний на поверхности уровень звука с учетом коррекций на фоновый шум и акустические условия

Уровень звука в -й точке измерения

Октавный или третьоктавный уровень звукового давления в -й точке измерения

Корректированный по частотной характеристике уровень звуковой мощности

Октавный уровень звуковой мощности

Третьоктавный уровень звуковой мощности

Число точек измерений

Площадь измерительной поверхности

Площадь опорной измерительной поверхности

Разность уровней звука (звукового давления) при работе электроагрегата и фонового шума

Разность корректированных по частотной характеристике уровней звуковой мощности, определенных по результатам измерений в пяти и девяти точках соответственно (см. 8.4)

Коэффициент мощности нагрузки

4 Дополнительные требования

4.1 Для электроагрегатов, устанавливаемых на судах и плавучих сооружениях, могут быть установлены специальные требования, которые заказчик должен определить до размещения заказа на электроагрегат.

Дополнительные требования к специальным электроагрегатам, определяются соглашением между изготовителем и заказчиком.

4.2 При наличии требований, контролируемых органами власти и технического надзора, они должны быть сообщены заказчику до размещения заказа.

Любые другие требования устанавливают по соглашению между изготовителем и заказчиком.

5 Средства измерений

5.1 Для измерений техническим методом применяют шумомеры 1-го класса, для измерений ориентировочным методом — 1-го или 2-го класса по ГОСТ 17187 с полосовыми электронными фильтрами по ГОСТ 17168.

Микрофон должен быть предназначен для измерений в свободном звуковом поле.

5.2 Акустическую калибровку шумомера следует проводить до и после проведения измерений на одной или нескольких частотах диапазона измерений с применением калибратора звука с погрешностью не более ±0,3 дБ.

6 Составляющие шума

Шум электроагрегата включает шум, излучаемый внешними поверхностями двигателя и генератора, шум всасывания и выхлопа, шум системы охлаждения двигателя и вентилятора генератора, а также шум, который излучают, например, присоединенные детали (части) и несущая рама.

Если электроагрегат полностью или частично заключен в звукоизолирующий кожух, то шумом поверхности является шум, излучаемый кожухом.

В случае, когда одна или большее число указанных составляющих шума отсутствуют в результатах измерений, это указывают в протоколе испытаний.

5.3.2. Генераторы шума

Для защиты акустической информации, например речи, используют генераторы шума. В широком смысле под шумом понимают помехи, представляющие собой смесь случайных и кратковременных периодических сигналов. В узком смысле под шумом понимают так называемый белый шум, характеризующийся тем, что его амплитудный спектр распределен по нормальному закону, а спектральная плотность мощности постоянна для всех частот. Примером белого шума является тепловой шум резистора.

Для защиты переговоров от прослушивания используют генераторы акустической шумовой помехи — белого шума. Они позволяют замаскировать полезную информацию на фоне шума. В отличие от однотональной или многотональной периодической помехи, музыки, шума двигателя и т. п., которые путем специальной обработки сигнала могут быть отфильтрованы, помехи типа белого шума практически не поддаются полной фильтрации и поэтому являются наиболее эффективными для закрытия полезной информации. Кроме того, акустические генераторы белого шума эффективны еще и тем, что воздействуют непосредственно на входные низкочастотные тракты подслушивающих систем (микрофоны) независимо от особенностей их схемотехники и принципов передачи информации.

Для защиты от утечки информации по каналам побочных электромагнитных излучений электронно-вычислительной техники используют генераторы шума, излучающие активную широкополосную радиопомеху, воздействующую на входные цепи радиоприемных устройств. Аналогичные приборы используются для защиты от утечки информации по электрической сети и телефонным линиям.

Генератор белого шума промышленного производства

В качестве примера промышленного прибора кратко рассмотрим генератор белого шума ANG-2000, внешний вид которого показан на рис. 5.26.

Рис. 5.26.

Рис. 5.26.

Генератор белого шума ANG-2000

Основные технические характеристики генератора ANG-2000:

Диапазон частот акустического шума, Гц…….250 — 5000

Минимальное сопротивление нагрузки, Ом……1

Напряжение на нагрузке 6 Ом, В……………….0 — 14

Напряжение питания, В…………………………12 —18

Потребляемый ток не более А………………..2

Габаритные размеры, мм……………………….43x152x254

Генератор шума несложно изготовить и самостоятельно. Ниже мы рассмотрим несколько простых схем таких приборов.

Генераторы шума на транзисторах

Первый генератор шума (рис. 5.27) состоит из двух мультивибраторов.

Рис. 5.27.

Рис. 5.27.

Генератор шума на транзисторах

На транзисторах VT1, VT2 выполнен обычный симметричный мультивибратор, частоту следования импульсов которого можно изменять подстроечным резистором R2. Правда, генерирует он не обычные прямоугольные импульсы, а колебания более сложной формы. Это объясняется сильной связью через конденсатор СЗ сравнительно большой емкости со вторым мультивибратором — ждущим (его называют одновибратор), собранном на транзисторах VT3 и VT4. Длительность импульсов этого мультивибратора изменяют подстроечным резистором R10.

Поскольку времязадающий конденсатор С4 зашунтирован резистором R9, результирующий сигнал, снимаемый с резистора R11 и поступающий через конденсатор С5 на усилитель звуковой частоты, воспринимается на слух как ясно выраженный шум. Его характер точнее подбирают подстроечными резисторами R2 и R10.

Если верхние по схеме выводы подстроечного резистора R2 отсоединить от источника питания и подключить к третьему мультивибратору (рис. 5.28), генерирующему сигналы инфранизкой частоты, шум станет модулированным этой частотой. Вот теперь звук будет почти полной имитацией сигнала глушения радиопередач, которые в свое время приходилось прослушивать в эфире на коротковолновом диапазоне.

Рис. 5.28.

Рис. 5.28.

Имитатор сигнала глушения радиостанции

В обоих устройствах допустимо использовать оксидные конденсаторы на напряжение не менее 10 В, остальные конденсаторы — любого типа (БМ, МБМ, КЛС, КМ). Транзисторы — любые из серий МП25, МП26, МП39-МП42; подстроечные резисторы — СПЗ-3, СПЗ-29, СПЗ-29М; постоянные — МЛТ мощностью 0.25 Вт. Питать генераторы шума можно от батарей «Крона», «Корунд», двух последовательно соединенных 3336А либо от сетевого стабилизированного источника постоянного тока напряжением от 4 до 10 В.

Низкочастотный генератор шума

Генераторы шума довольно часто используются в инженерной практике для формирования сложных спектров, необходимых для достоверного анализа устойчивости трактов передачи информации. Применение шумовых сигналов для низкочастотных цепей имеет тот плюс, что, как правило, передаточные функции данных цепей могут быть приравнены к фильтрам низкой частоты (ФНЧ), чьи передаточные функции описываются полиномами низших порядков. Как известно из теории передачи информации, полоса пропускания белого шума для таких фильтров не соответствует полосе пропускания гармонических сигналов, которые обычно используются при тестировании. Так, для ФНЧ первого порядка — а это самый распространенный на практике вариант представления низкочастотного усилителя — полоса пропускания белого шума превышает полосу пропускания синусоидального сигнала в 1,571 раза [1]. Кроме приведенных примеров, генераторы шума находят применение в генераторах случайных чисел, электронных музыкальных инструментах и для создания маскирующих сигналов.

На практике автор статьи использовал генераторы шума как базовый компонент генераторов случайных чисел, для анализа низкочастотных устройств на воздействие сложных некоррелированных сигналов, для отладки устройств, выделяющих полезный сигнал из сложного зашумленного спектра. Одной из самых интересных работ автора был анализ прохождения через систему слуховых косточек сложного аудиосигнала, который замещался шумом. Работа была направлена на решение вопросов оптимального протезирования в отоларингологии (руководитель работ — профессор, д. м. н. А. Д. Гусаков). Именно использование шумового сигнала позволило по-новому взглянуть на некоторые процессы, участвующие в формировании кривых Флетчера — Мансона (кривые равной слышимости). Без учета этих процессов наблюдался феномен, когда по аудиометру пациент после протезирования имел нормальное звуковосприятие (для проверки при аудиометрии используются тональные сигналы), а в реальной жизни терял распознавание речи (реально это сигналы с широким спектром).

В последнее время автором были успешно завершены ОКР с использованием шумовых сигналов, предусматривавшие создание двух изделий специального назначения. Первое изделие должно было реагировать на возрастание уровня инфранизкочастотных шумов относительно предварительно зафиксированного их среднеквадратичного значения. Задача второго — выделение из зашумленного в относительно широком диапазоне сигнала полезного некоррелированного сигнала. Именно для этих изделий и был разработан предлагаемый прибор. Электрическая принципиальная схема генераторной части прибора представлена на рис. 1.

Генератор низкочастотного шума

Рис. 1. Генератор низкочастотного шума

В основе прибора в качестве первичного источника шума — генератор шума 2Г401В производства Новосибирского завода полупроводниковых приборов [2] (на рис. 1 обозначен как VD2). Выбор пал на этот диод потому, что он имеет наибольшую спектральную плотность напряжения (S) из всей серии диодов 2 Г401, а именно — не менее 30 мкВ/√Гц в нормальных климатических условиях. Граничная частота генерации шума — не менее 1 МГц, а гарантированная нижняя частота генерации шума не превышает 2 Гц. Неравномерность спектральной характеристики во всем диапазоне частот — не более +4 дБ. Поскольку прибор предназначен для формирования низкочастотных шумов в звуковом диапазоне, то в заданном диапазоне частот начальная неравномерность спектральной характеристики значительно ниже и является практически линейной. Нормирование спектральной характеристики генераторов шума типа 2Г401В дает преимущества в их использовании по сравнению с более дешевыми вариантами — стабилитронами [5], обратносмещенными p‑n‑переходами транзисторов или выходным напряжением шумов компенсационных стабилизаторов напряжения [5, 7].

Необходимый для функционирования генератора шума (VD2) ток 50 мкА задан резисторами R8, R10. Включение диода в цепь первичного источника напряжения вызвана требованием обеспечить его рабочее напряжение на уровне не менее 6 В. Выделение необходимого спектра шумового сигнала (если нужен спектр уже, чем 2 Гц — 28 кГц) осуществляется добавочным фильтром, который устанавливается непосредственно между диодом VD2 и схемой нормирования среднеквадратичного уровня выходного напряжения на ИМС DA1. Нормирование выходного шумового сигнала по среднеквадратичному уровню необходимо по нескольким причинам. Во‑первых, разные экземпляры диодов 2Г401В имеют различные значения спектральной плотности напряжения. Спектральная плотность напряжения зависит от вариации характеристик конкретного экземпляра диода, тока через диод, температуры, сопротивления и емкости нагрузки, сопротивления генератора тока формирующего рабочий ток диода [2]. Для примера на рис. 2 представлена область изменения спектральной плотности напряжения для диода 2Г401В только от величины постоянного тока.

Область изменения спектральной плотности напряжения диода 2Г401В в зависимости от постоянного рабочего тока

Рис. 2. Область изменения спектральной плотности напряжения диода 2Г401В в зависимости от постоянного рабочего тока

Как можно видеть из приведенной зависимости, разброс достаточно существенный. При увеличении температуры окружающей среды до +70 °С (согласно [2]) уменьшение спектральной плотности напряжения может составить до двух раз. Во‑вторых, использование фильтров, выделяющих необходимую область спектра шума, в свою очередь будет уменьшать среднеквадратичное напряжение шумов на выходе фильтра. Так, согласно техническим условиям [2], при минимальном значении спектральной плотности напряжения S = 30 мкВ/Гц для полосы частот 2 Гц — 28 кГц среднеквадратичное напряжение шумов будет равно:

для полосы частот 2–1000 Гц составит:

30×(1000–2) = 0,95 мВ,

а для полосы частот 2–100 Гц составит всего:

30×(100–2) = 0,3 мВ.

Таким образом, если не осуществить нормирование выходного напряжения генератора шума (как это имеет место в [5]), то в ходе измерений необходима постоянная калибровка прибора, что затруднит его использование. Нормирование выходного сигнала по среднеквадратичному уровню осуществляется каскадом на ИМС SSM2166S (Analog Devices, Inc.) [3]. Данная ИМС представляет собой усилитель с компрессией сигнала, которая задается внешним резистором. Причем схема автоматической регулировки усиления (АРУ) работает именно по среднеквадратичному уровню входного сигнала. Передаточная характеристика устройств на базе этой ИМС представлена на рис. 3.

Передаточные характеристики схем на базе ИМС SSM2166

Рис. 3. Передаточные характеристики схем на базе ИМС SSM2166

Подробное описание практической схемы такого усилителя с заданной компрессией, выполненного на SSM2166, приведено в [4]. Встроенный в SSM2166 усилитель, управляемый напряжением (VCA), обеспечивает необходимое усиление, которое динамически регулируется контуром управления так, чтобы сохранить установленную пользователем характеристику сжатия. Степень сжатия может быть установлена от 1:1 до 15:1 относительно определенной пользователем точки поворота. Сигналы выше точки поворота ограничиваются таким образом, чтобы предотвратить перегрузку и устранить эффект «схлопывания». При установке степени сжатия 1:1 усилитель, управляемый напряжением (VCA) ИМС SSM2166, может быть сконфигурирован с усилением до 20 дБ. Это усиление будет дополнением к изменяемому усилению в режимах сжатия. Входной усилитель микросхемы может быть сконфигурирован внешними элементами для обеспечения усиления от 0 до 20 дБ. Убывающее экспандирование (так называемый шумовой затвор) предотвращает усиление шума и внешних помех, лежащих ниже заданного уровня входного сигнала. ИМС серии SSM21xx содержат запатентованный детектор среднеквадратичного значения (AVG). Время усреднения (интеграции) задается внешним конденсатором (обычно используется конденсатор емкостью от 2 до 47 мкФ). Хочу обратить внимание читателей на важный момент. ИМС SSM2166 выпуска до 2009 года не имели на корпусе в строке маркировки буквы «А» (этого суффикса при заказе нет). ИМС, изготовленные после 2009 года, имеют иные номиналы резисторов для установки глубины компрессии. Я советую использовать ИМС SSM2166 выпуска после 2009‑го и последний вариант спецификации, рекомендованный в перечне литературы. Встречающийся в Интернете предыдущий вариант спецификации (Rev.D от 2009 года) имел неточности в разделах, описывающих установку степени компрессии, и в методике установки точки вращения.

Коэффициент усиления каскада на ИМС SSM2166 (D2, рис. 2) примерно 40 дБ, глубина компрессии (15:1), постоянная интегрирования, шумовой затвор и точка поворота выбраны оптимальными для решения поставленной задачи. Как уже отмечалось, детально с их установкой можно ознакомиться в [3, 4]. Уровень выходного сигнала каскада на D2, равный 0,775 В, устанавливается подстроечным резистором R22. Это обеспечит пик-фактор выходного сигнала не менее 3, что достаточно для указанной области применения (как известно, пик-фактор речи составляет 12 дБ). Если требуется больший пик-фактор, то уровень выходного напряжения должен быть установлен ниже.

На выходе генератора установлен буферный выходной каскад на ИМС D3 с регулировкой усиления, поскольку ИМС SSM2166 не имеет защиты от коротких замыканий и имеет низкую нагрузочную способность, а для эффективного использования генератора требуется регулировка уровня выходного сигнала. В рассматриваемом генераторе выходной каскад выполнен на операционном усилителе LMC7101BIM5, частота среза усилителя выбрана равной 28 кГц, при максимальном усилении. Тип операционного усилителя для данной схемы некритичен. Важно, чтобы он был типа rail-to-rail по выходу и обеспечивал работоспособность от однополярного питающего напряжения +5 В. Регулятор усиления (R7) в практической конструкции прибора — это переменный резистор с понижающим редуктором. Выходное сопротивление генератора стандартное — 600 Ом.

Еще одной особенностью предлагаемого генератора является предусмотренная его конструкцией возможность добавления в спектр шумового сигнала внешних сигналов. Смешение сигналов осуществляется в буферном выходном каскаде. Сигнал подается на внешний вход «Внеш. Внешний вход». Входное сопротивление этого входа стандартное — 600 Ом. Регулировка такого комплексного сигнала — общая. При необходимости шумовой сигнал можно отключать нажатием на кнопку «Шум ОТКЛ». В том случае если внешний сигнал был подан, он потупит на тестируемое устройство без шумовой составляющей. Причем все шумы, имеющиеся на входе каскада на DA1, будут подавлены не менее чем на 60 дБ, так как сработает шумовой затвор ИМС SSM2166 (рис. 4).

Масштабирующий усилитель

Рис. 4. Масштабирующий усилитель

Если необходима ступенчатая регулировка выходного сигнала, то устройство может быть дополнено масштабирующим усилителем (на рис. 1 показан как опционный), схема такого усилителя приведена на рис. 4. Именно этот выходной каскад использован в практическом варианте исполнения генератора.

Масштабирующий усилитель позволяет выбрать один из четырех диапазонов установки выходного напряжения 0–1 мВ, 0–10 мВ, 0–100 мВ, 0–1 В. Приоритет имеет переключатель наименьшего диапазона.

В качестве фильтров, выделяющих необходимую область спектра шума, рекомендуется использовать фильтр не ниже четвертого порядка. В практическом варианте исполнения прибора предусмотрен фильтр на специализированной ИМС LTC1563-2CGN [6] (рис. 5). Ее применение оправдано малым уровнем собственных шумов, простотой реализации на ней фильтров высоких порядков, отсутствием внешних частотозадающих конденсаторов и имеющейся на сайте компании Linear Technology свободной программой для расчета.

Пример реализации фильтра низкой частоты Баттерворта 4 го порядка (частота среза 5 кГц) на ИМС LTC1563-2CGN

Рис. 5. Пример реализации фильтра низкой частоты Баттерворта 4 го порядка (частота среза 5 кГц) на ИМС LTC1563-2CGN

Питание прибора осуществляется от гальванических элементов (в оригинальном генераторе от внешнего аккумулятора напряжением 12,6 В).

Описанный прибор особенно будет полезен всем, кому требуется генератор шума в полевых условиях, и особенно тем, кто не так часто использует подобные генераторы. Стабильность в работе, отсутствие необходимости постоянной подстройки, дешевизна и универсальность прибора (как отмечалось, он может быть настроен на любой нужный спектр шума и добавить в него внешний сигнал) является веским аргументом и избавит потребителя от покупки весьма дорогостоящего профессионального генератора. Внешний вид генератора шума, который используется автором статьи, можно увидеть на рис. 6.

Внешний вид генератора шума

Рис. 6. Внешний вид генератора шума

Общее решение предлагаемого генератора в кратком описание впервые было опубликовано в [8].

Генератор шума — Noise generator

А генератор шума это схема, которая производит электрический шум (т.е. случайный сигнал). Генераторы шума используются для тестирования сигналов для измерения коэффициент шума, частотная характеристика и другие параметры. Генераторы шума также используются для генерация случайных чисел. [1]

Содержание

Теория

Для генерации шума используется несколько схем. Например, резисторы с регулируемой температурой, вакуумные диоды с ограничением температуры, стабилитроны и газоразрядные трубки. [2] Источник, который можно включать и выключать («закрытый»), полезен для некоторых методов тестирования.

Генераторы шума обычно полагаются на основной шумовой процесс, такой как тепловой шум или же дробовой шум.

Генератор теплового шума

Тепловой шум может быть фундаментальным стандартом. Резистор при определенной температуре имеет связанный с ним тепловой шум. Генератор шума может иметь два резистора с разной температурой и переключаться между ними. В результате выходная мощность мала. (Для резистора 1 кОм при комнатной температуре и полосе пропускания 10 кГц среднеквадратичное значение напряжения шума составляет 400 нВ. [3] )

Генератор дробового шума

Если электроны перетекают через барьер, они имеют дискретное время прибытия. Эти дискретные прибытия показывают дробовой шум. Уровень выходного шума генератора дробового шума легко устанавливается постоянным током смещения. Обычно используется перегородка в диоде. [4]

В разных схемах генератора шума используются разные методы установки постоянного тока смещения.

Вакуумный диод

Одним из распространенных источников шума был термоограниченный (насыщенная эмиссия) горячий катод ламповый диод. Эти источники могут служить генераторами белого шума от нескольких килогерц до УВЧ и были доступны в обычном радиолампа стеклянные конверты. Мерцание (1 /ж) шум ограниченное применение на более низких частотах; приложение с ограниченным временем прохождения электронов на более высоких частотах. Базовая конструкция представляла собой диодную вакуумную лампу с нагреваемой нитью накала. Температура катода (нити) задает ток анода (пластины), который определяет дробовой шум; видеть Уравнение Ричардсона. Напряжение анода установлено достаточно большим, чтобы собрать все электроны, испускаемые нитью. [5] [6] Если напряжение на пластине было слишком низким, то вокруг нити накала возник бы объемный заряд, который повлиял бы на выходной шум. Для откалиброванного генератора необходимо следить за тем, чтобы дробовой шум преобладал над тепловым шумом сопротивления пластины трубки и других элементов схемы.

Газоразрядные трубки

Длинный, тонкий, с горячим катодом газоразрядный стеклянные пробирки с нормальным байонетное крепление лампы для нити и анода верхняя крышка, использовались для СВЧ частоты и диагональная вставка в волновод. [7] Они были заполнены чистым инертным газом, например неон потому что смеси сделал выходную температуру зависимой. Их напряжение горения было ниже 200 В, но они нуждались в оптической затравке (предварительной ионизации) лампой накаливания мощностью 2 Вт перед зажиганием от скачка анодного напряжения в диапазоне 5 кВ.

Одна миниатюра тиратрон нашли дополнительное применение в качестве источника шума при работе в качестве диода (сетки, привязанной к катоду) в поперечном магнитном поле. [8]

Полупроводниковый диод с прямым смещением

Другая возможность — использовать ток коллектора в транзисторе. [ требуется разъяснение ]

Обратно-смещенный полупроводниковый диод

Обратно-смещенные диоды при пробое могут также использоваться в качестве источников дробового шума. Диоды регулятора напряжения распространены, но есть два разных механизма пробоя, и они имеют разные шумовые характеристики. Механизмы Эффект Зенера и сход лавины. [9]

Стабилитрон

Обратносмещенные диоды и биполярный транзистор переходы база-эмиттер, которые пробиваются ниже примерно 7 вольт, в основном проявляют эффект Зенера; пробой происходит из-за внутренней автоэлектронной эмиссии. Переходы тонкие, а электрическое поле велико. Пробой стабилитрона — это дробовой шум. Мерцание (1 /ж) шумовой угол может быть ниже 10 Гц. [10]

Шум, создаваемый стабилитронами, представляет собой простой дробовой шум.

Лавинный диод

Для пробивных напряжений более 7 вольт ширина полупроводникового перехода больше, и механизм первичного пробоя является лавинообразным. Вывод шума более сложный. [10] Из-за лавинного умножения возникает избыточный шум (то есть шум сверх простого дробового шума).

Для генераторов шума более высокой мощности необходимо усиление. Для генераторов широкополосного шума такое усиление может быть труднодостижимым. Один метод использует лавинное умножение внутри того же барьера, который генерирует шум. В лавине один носитель сталкивается с другими атомами и выбивает новые носители. В результате для каждого носителя, который стартует через барьер, прибывают несколько носителей синхронно. В результате получается широкополосный источник высокой мощности. Обычные диоды можно использовать при пробое.

Лавинный пробой также имеет многоступенчатый шум. Выходная мощность шума случайным образом переключается между несколькими уровнями выхода. Многоступенчатый шум выглядит как мерцание (1 /ж) шум. Эффект зависит от процесса, но его можно минимизировать. Диоды также могут быть выбраны из-за низкого многоуровневого шума. [10]

Коммерческим примером генератора шума с лавинными диодами является Agilent 346C, который охватывает диапазон от 10 МГц до 26,5 ГГц. [11]

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: