Генераторы сигналов специальной формы

 

Генераторы сигналов специальной формы применяются в диапазонах инфранизких, низких и высоких частот.. В соответствии со своим назначением (см. § 9.1) они могут объединять схемные решения, уже рассмотренные при характеристике предыдущих видов ИГ, а также специфичные для диапазона инфранизких частот.

В диапазоне инфранизких частот ЗГ, как правило, представляет собой схе­му электронной модели гармонического процесса без затухания, описываемого дифференциальным уравнением

(9.2)

где — частота собственных колебаний системы. Решением уравнения (9.2) является гармонический сигнал (6.1), если электронная модель будет представлять собой линейный интегратор второго порядка или, что удобнее при практической

Рис. 9.9. Структурная схема инфранизкочастотного генератора гармонического сигнала.

 

реализации, соединение двух интеграторов первого порядка. Тогда уравнение (9.2) представляется эквивалентной системой двух дифференциальных уравнений:

(9.3)

которые получаются введением обозначения и подстановкой его в уравнение (9.2). Отсюда следует, что электронная модель гармонического про­цесса должна содержать не только два интегратора, но и один инвертор с ко­эффициентом передачи -1.

В современных инфранизкочастотных ЗГ применяются, как правило, интегра­торы Миллера на операционных усилителях (УО), для которых

(9.4)

Как видно из рис. 9.9, на интеграторы с помощью R1 и R2 подается лишь часть входного напряжения. Это учитывается при решении уравнения (9.2) вве­дением коэффициента <1, и тогда оно может быть конкретизировано с учетом

(9.3) и (9.4) как

Таким образом, частота генерируемого сигнала равна

откуда видно, что поддиапазоны изменения f удобно образовывать коммутацией как R, так и С, а плавную перестройку f в пределах поддиапазона осуществлять изменением . При линейных функциональных узлах гармонические колебания на­чинаются с бесконечно малых величин и медленно нарастают по амплитуде. Не­обходимо ограничить амплитуду колебаний и стабилизировать ее. Для этого в цепь обратной связи инвертирующего каскада вводится нелинейный элемент.

При прохождении гармонического сигнала через интегратор начальная фаза его изменяется, как известно, на . Поэтому в схеме рис. 9.9 уже существуют три сигнала, сдвинутые по фазе друг относительно друга на . Если к первому интегратору подключить дополнительный инвертирующий каскад, мы получим четыре квадратурных сигнала, из которых легко образуются две пары противофазных сигналов.

Если основной формой сигнала ИГ является не синусоидальная, а треуголь­ная и прямоугольная, то структурная схема ЗГ также представляет собой авто­колебательное кольцо, но в схему дополнительно включается релейный элемент (пороговое устройство с двумя устойчивыми состояниями). С выхода интеграто­ра теперь снимается сигнал треугольной формы, а с выхода релейного элемен­та — сигнал прямоугольной формы. Гармонический сигнал образуется с помощью дополнительного преобразователя треугольник — синус, а сигнал пилообразной формы — с помощью ФПИ (см. рис. 7.7).

 

ГЕНЕРАТОРЫ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Структурная схема ГШ соответствует обобщенной схеме рис. 9.1. В качестве измерительных устройств применяются измерители или (см. § 8.2). Осно­вными функциональными узлами, где формируется шумовой сигнал с заданными статистическими характеристиками, являются ЗГ и преобразователь. Рассмотрим схемные решения этих узлов, характерные для аналоговых и цифровых ГШ.

 

Аналоговые генераторы шума

Задающий генератор ГШ является первичным источником шума. Основными требованиями к первичным источникам шума аналоговых ГШ являются равно­мерность спектральной плотности мощности в заданной полосе частот, достаточ­ная величина выходного напряжения (мощности), а также постоянство и воспро­изводимость этих характеристик. Физическая природа флюктуации электрическо­го тока или напряжения весьма разнообразна. Это могут быть тепловое движение электронов (тепловой шум), конечная величина заряда электрона (дробовой шум), колебания электропроводности электрической цепи (контактный шум) и др. Многочисленны поэтому и источники шума, рассматриваемые в других кур­сах. В ГШ источниками шума являются чаще всего резисторы, вакуумные и по­лупроводниковые диоды, а также газоразрядные лампы.

Преобразователь придает шумовому сигналу какие-то заданные свойства и характеристики. Для этой цели применяют фильтры, НП, переносчики спектра и другие виды преобразователей. При помощи, например, фильтра с заданной АЧХ из белого шума можно получить стационарный случайный сигнал со спектраль­ной плотностью мощности, изменяющейся по соответствующему закону. С по­мощью НП решают три задачи: преобразование первичного шума в сигнал с за­данным распределением вероятностей, перенос спектра шумового сигнала в низ­кочастотную область и стабилизация мощности шума. Переносчики спектра, пред­ставляющие собой гетеродинные преобразователи частоты, также позволяют трансформировать спектр шумового сигнала в низкочастотную область.

Цифровые генераторы шума

Цифровые ГШ бывают двух разновидностей: с первичным источником ди­скретного шумового сигнала и с преобразованием исходного аналогового шумо­вого сигнала в дискретный. В последнем случае мы имеем аналого-цифровой ГШ.

Типичным примером первичного источника дискретного шумового сигнала является генератор бинарного шума — случайной последовательности биполяр­ных импульсов. Такой сигнал по своей природе имеет равномерный спектр вплоть до нулевой частоты. Основой генератора бинарного шума может являться, на­пример, триггер, управляемый от источника шума. С помощью ЦАП бинарный шум может быть преобразован в аналоговый шумовой сигнал с равномерным, распределением вероятностей, а с помощью дополнительных фильтров — в нор­мальный шум. В аналого-цифровых ГШ бинарный шум образуется из белого шу­ма путем квантования. Квантование производится в преобразователе ГШ и осу­ществляется одним из способов, известных из техники аналого-цифрового преоб­разования. С внедрением микропроцессоров появилась возможность использовать в качестве дискретных шумовых сигналов ПСП импульсов (см. § 9.4.2). Важным свойством генераторов ПСП является возможность периодического повторения, шумового рисунка.