ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК H03B29/00 

Изобретение относится к электронной технике и может использоваться в датчиках угловой скорости, в измерительных приборах.

Целью изобретения является увеличение неравномерности амплитуды и увеличение стохастичности фазы выходных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема генератора случайных сигналов; на фиг. 2 вариант выполнения генератора квазигармонических колебаний; на фиг. 3, а, б, в, г. д диаграммы работы; на фиг. 4 пример выполнения формирователя импульсов случайной длительности и скважности и прерывателя.

Генератор случайных сигналов содержит (фиг. 1) генератор 1 квазигармонических колебаний, генератор 2 тактовых импульсов, формирователь 3 импульсов случайной длительности и скважности, прерыватель 4 и элемент И 5.

Генератор 1 содержит датчик 6 обратной связи (ДОС), формирователь 7 импульсов, двухполярное переключающее устройство 8, источник питания 9, преобразователь 10 электрической энергии в механическую, колебательное устройство 11 с механической пружиной.

Генератор 1 квазигармонических колебаний функционирует следующим образом. Сигнал с датчика обратной связи (ДОС) 6 поступает на вход формирователя 7, который формирует два сигнала. Первый сигнал соответствует знаку сигнала с ДОС и поступает на первый вход двухполярного переключающего устройства 8, второй сигнал вырабатывается в момент прохода сигнала с ДОС 6 через ноль. Двухполярное переключающее устройство 8 в зависимости от сигнала "Знак" подключает вход преобразователя 10 к положительному или отрицательному выходу источника питания 9. Преобразователь 10 (далее моментный датчик) преобразует электрическую энергию источника питания 9 в механический момент.

Под действием импульсов возбуждения, создаваемых моментным датчиком 10, масса колебательного устройства 11 совершает колебания на пружине. При этом сигнал с ДОС несет в себе информацию о частоте и амплитуде этих колебаний. Формирование импульсов возбуждения на выходе моментного датчика 10 разрешено при наличии разрешающего сигнала на входе генератора 1 (в данном случае на входе двухполярного переключающего устройства 8).

Принцип работы генератора случайных сигналов, представленного на фиг. 1 поясняется фиг. 3 на которой представлены во времени поступающие на элементы устройства рабочие сигналы.

На фиг. 3а показан сигнал на выходе генератора 1 квазигармонических колебаний, соответствующий моменту прохода через ноль сигнала с ДОС этого генератора. Частота следования импульсов соответствует частоте колебаний генератора 1 квазигармонических колебаний и меняется при изменении этой частоты. Амплитуда импульсов фиксирована.

На фиг. 3б показан сигнал на выходе генератора 2 тактовых импульсов, на фиг. 3в сигнал на выходе формирователя 3. По сигналу "Ноль" с выхода генератора 1 гармонических колебаний и с приходом первого после этого импульса с выхода генератора 2 тактовых импульсов формирователь 3 выдает команду "Разрешение" (высокий логический уровень).

С поступлением на вход формирователя 3 следующего сигнала "Ноль" формирователь 3 выдает сигнал "Запрет" (низкий логический уровень). Далее с поступлением на первый вход формирователя 3 импульса с выхода генератора 2 процесс повторяется.

Частота генератора 2 выбирается выше и некратной резонансной частоте генератора 1. Вследствие этого сдвиг фазы между сигналом "Ноль" (фиг. 3а) и первым после этого импульсом с выхода генератора 2 (фиг. 3б) будет случайным. При этом длительность сигнала "Разрешение" на выходе формирователя (фиг. 3в) будет также случайной.

На фиг. 3г показан сигнал на выходе прерывателя 4, который разбивает непрерывную последовательность импульсов с выхода генератора 2 на циклы по N тактов каждый (один такт равен одному периоду сигнала с выхода генератора2 ) и выделяет внутри цикла импульс с номером N_x (1<N_x<N). В момент времени, когда текущее значение номера такта внутри цикла N_I(i=1,N) равно N_x (N_i=N _x), прерыватель вырабатывает сигнал "Запрет" (низкий логический уровень).

Запрещающий сигнал на выходе прерывателя 4 фиксируется в течении N-N_x +1 периодов частоты генератора 2, после чего при N_i=1 (N_i=N+1) cигнал "Запрет" на выход прерывателя 4 меняется на сигнал "Разрешение" (высокий логический уровень). Далее при N_i=N_x прерыватель 4 функционирует аналогично.

На фиг. 3д показан сигнал на выходе элемента И 5, который представляет собой логическую функцию И сигналов, показанных на фиг. 3в и 3г.

На фиг.4 представлен пример конкретного выполнения вновь введенных формирователя 3, прерывателя 4, элемента И 5. Эти элементы функционируют следующим образом.

При поступлении сигнала "Ноль" на синхровход триггера DD1 (вход С) триггер DD1 "переписывает" информацию с информационного входа (вход D) на выход (выход Q). В данном случае на выходе Q появится логический ноль, который подается на первый вход логического элемента И, на выходе которого устанавливается уровень логического нуля, что является командой "Запрет", причем состояние второго входа элемента DDЗ не играет роли.

При поступлении на вход установки триггера DD1 (вход S) импульса с выхода генератора 2 тактовых импульсов на выходе триггера DD1 устанавливается уровень логической единицы и если при этом на втором входе элемента DD3 присутствует логическая единица, то на выходе элемента DD3 также установится логическая единица, которая является сигналом "Разрешение".

Импульсы с выхода генератора 2 тактовых импульсов поступают, также на прерыватель, выполненный на элементах DD4-DD7, DD2. При выполнении условия N_i= N_x на входе сброс триггера DD2 (вход R) появится логическая единица, при этом на выходе Q триггера DD2 установится логический ноль, который, поступая на второй вход элемента DD3, приводит к появлению на выходе элемента DD3 также логического нуля, т.е. команды "Запрет". При N_i=1 триггер DD2 устанавливается в состояние логической единицы и при этом чередование сигналов "Разрешение", "Запрет" на выходе элемента DD3 будет полностью определяться состоянием его первого входа.

На фиг. 4 при изображении прерывателя для примера показан случай N=16, N_x=12. Соединение элементов DD4, DD5, DD6, DD7 является типовым. Элемент DD4 представляет собой четырехразрядный двоичный счетчик, на счетный вход которого N поступают импульсы с выхода генератора 2, при этом на его выходе двоичный код меняется от 0000₂ до 1111₂, после чего счетчик "сбрасывается" в состояние 0000₂ и далее процесс повторяется.

Автоколебания генератора 1 под воздействием "ошумленного" сигнала в среднем будут совершаться на резонансной частоте, но длительность каждого полупериода будет случайным образом отличаться от длительности полупериода резонансной частоты, что увеличивает эффективность ошумления колебаний генератора 1, но при этом мощность, потребляемая генератором случайных сигналов при заданной амплитуде колебаний генератора, возрастает на 2-5% однако это не является критичным, так как алгоритм функционирования прерывателя позволяет компенсировать дополнительный расход мощности.

Так как длительность сигнала "Разрешение" на выходе элемента И 5 будет слуачайной, то и время подключения моментного датчика к источнику питания в генераторе 1 квазигармонических колебаний (см. фиг. 2) будет также случайной. Следовательно генератор 1 (фиг. 1) будет совершать колебания в среднем на своей резонансной частоте и со случайной амплитудой.

Наличие прерывателя 4 позволило на время (N-N_x +1) T_ti, где T_ti период следования импульсов на выходе генератора 2, прекращать обмен энергией между генераторами 1 и 2, нарушая тем самым тенденцию к синхронизации двух генераторов. Кроме того, известно, что частота затухающих колебаний меньше частоты незатухающих колебаний. Это значит, что к моменту возобновления управления генератором 1 квазигармонических колебаний между сигналом "Ноль" (фиг. 3а) и сигналом с выхода генератора 2 тактовых импульсов (фиг. 3б) появится дополнительный сдвиг фаз, отличающийся от сдвига фаз в начале предыдущего цикла управления, т. е. генератор случайных сигналов начинает формировать "новый" шумовой сигнал. Использование прерывателя позволило увеличить период "неповторяемости" ошумления в 5-10 раза (в зависимости от соотношения частот генератора квазигармонических колебаний и генератора тактовых импульсов).

Таким образом использование в известном генераторе шума в качестве генератора квазигармонических колебаний резонансной системы, других элементов и новых связей позволило расширить область применения генератора шума путем использования его для ошумления сигнала, подаваемого на вход резонансной системы, имеющей высокую добротность, увеличить неравномерность амплитуды и увеличить стохастичность фазы выходных сигналов.

Использование: электронная техника, датчики угловой скорости, измерительные приборы. Сущность изобретения: генератор случайных сигналов содержит генератор квазигармонических колебаний, генератор тактовых импульсов, формирователь импульсов случайной длительности и скважности, прерыватель, элемент И и позволяет увеличить неравномерность амплитуды и увеличить стохастичность фазы выходных сигналов. 4 ил.

ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ, содержащий генератор тактовых импульсов и генератор квазигармонических колебаний, отличающийся тем, что, с целью увеличения неравномерности амплитуды и увеличения стохастичности фазы выходных сигналов, введены формирователь импульсов случайной длительности и скважности, прерыватель и элемент И, выход которого подключен к управляющему входу генератора квазигармонических колебаний, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов случайной длительности и скважности, при этом выход генератора тактовых импульсов соединен с вторым входом формирователя импульсов случайной длительности и скважности и входом прерывателя, выход которого подключен к одному из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом формирователя импульсов случайной длительности и скважности, а генератор квазигармонических колебаний выполнен в виде генератора квазигармонических колебаний с высокодобротной резонансной системой.