Генератор шумовой последовательности импульсов Советский патент 1992 года по МПК H03B29/00 

Изобретение относится к радиофизике и радиотехнике и может быть использовано в лабораторной технике как имитатор пуас- соновского потока импульсов (например, при испытании устройств регистрации оптических сигналов в режиме счета фотонов) и в радиолокации как источник импульсов для калибровки радиотехнических систем обнаружения.

Известен генератор инфранизкочастот- ного стационарного шума, содержащий последовательно соединенные источник шума (ИШ), усилитель, ограничитель амплитуды, формирователь импульсов (ФИ) и блок фиксации момента появления шумового выброса (над порогом срабатывания ФИ). В этом генераторе ФИ вырабатывает прямоугольные импульсы в моменты превышения шумовым напряжением на выходе усилителя заданного уровня а.

Недостатком данного устройства является невысокая точность совпадения статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской из-за сильной нестабильности среднего времени т (частота п0 1/г) следования выходных импульсов. Последнее обусловлено сильной чувствительностью

Јь

ND О VJ х|

г к величинам порога а и среднеквадратичного отклонения шума о на выходе ИШ, так что снижение нестабильности г до уровня 5% достигается наложением жесткого ограничения на соотношение а и а : а/ ох 0,33 и как следствие сужает диапазон возможных значений т.

Наиболее близким к изобретению является генератор инфранизкочастотного стационарного шума, содержащий последовательно соединенные ИШ, усилитель, ограничитель амплитуды и ФИ.

Средняя частота п0(п0 1 / следования прямоугольных импульсов на выходе ФИ описывается выражением:

по (а)

AUJ -а г 1 , exP{-r|okJ }

где а-порог срабатывания ФИ; п0(а)- средняя частота следования импульсов на выходе ФИ; OK - среднеквадратичное отклонение шума на выходе усилителя; А О)-эквивалентная полоса шума.

Недостатком известного устройства также является невысокая точность совпадения статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской из-за недостаточной ста- бильностит 1/п0. Рекомендуемый для минимизации нестабильности г 1/п0 интервал выдеоживания значений а и Ок . 0,3 а/ о 0, 6 существенно сужает диапазон возможных значений т, а настройка т на некоторое новое значение с необходимостью требует применения дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры, что делает время перестройки среднего времени г довольно большим (порядка десятка минут). Таким образом, недостаточная стабильность t приводит к тому, что выходной поток импульсов генератора заметно отличается от пуассоновского по своим статистическим характеристикам, а узкий диапазон изменения т с достаточно большим временем его перестройки на каждое новое значение существенно ограничивает его функциональные возможности.

Целью изобретения является повышение точности совпадения статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской путем повышения стабильности среднего времени г следования импульсов, а также расширение диапазона изменения г и повышение быстродействия при переходе от одного значения т к другому.

5 Ю

15

20

25

зо 354045

50

55

Поставленная цель достигается тем, что в генераторе шумовой последовательности импульсов, включает ИШ и ФИ, согласно изобретению, ИШ выполнен в виде автогенератора стохастических колебаний (АСК), режим возбуждения которого выбран жестким и который имеет вход для внешнего запуска, причем вход ФИ соединен с выходом АСК, а выход его соединен с входом внешнего запуска АСК и является выходом устройства.

Кроме того, АСК включает регулируемый усилитель, нелинейный элемент (НЭ), который имеет четную вольт-амперную характеристику (ВАХ), и полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход НЭ является выходом АСК, а вход внешнего запуска соединен с входом регулируемого усилителя.

Кроме того, поставленная цель достигается также и тем, что АСК включает регулируемый усилитель, НЭ, который имеет четную ВАХ, и полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход НЭ является выходом АСК, а вход внешнего запуска соединен с входом НЭ.

Кроме того, поставленная цель достигается также и тем, что АСК включает регулируемый усилитель, НЭ, который имеет четную ВАХ, и полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход НЭ является выходом АСК, а вход внешнего запуска соединен с входом полосового фильтра.

Кроме того, НЭ выполнен в виде двух- полупериодного выпрямителя или двухтактного усилителя.

Для генерирования шумовой последовательности импульсов, имитирующей пуас- соновскую, предложено использовать свойство АСК с четной нелинейностью квадратичного типа самопроизвольно прекращать генерацию. Для получения такого потока импульсов в заявленном устройстве производится перезапуск АСК сразу же после прекращения им генерации стохастических колебаний импульсом с выхода ФИ. Причем оказалось практически несущественным, с какой точки блок-схемы АСК производится перезапуск (со входа усилителя, или фильтра, или НЭ с четной ВАХ). Принципиальным является то, что для всех этих случаев времена ti, в течение которых АСК генерирует стохастические колебания (от момента запуска до последующего момента самопроизвольного прекращения генерации), распределены, как показали эксперименты, по экспоненциальному закону

P(ti) YexP() .(2)

некоррелированны, а среднее время г следования импульсов является функцией коэффициента усиления К усилителя:

г t, T0exp(cK)(3)

( Го, с - константы), причем ti принимают широкий спектр значений в интервале

tKop ti T,(4),

где ticop - время корреляции стохастических колебаний АСК (1кор 5 мс), Т - в эксперименте фактически совпадало с общим временем работы устройства (Т 8-10 ч). В соответствии с (3) стабильность, диапазон значений и время перестройки г определяются аналогичными характеристиками коэффициента усиления К усилителя. Поэтому использование усилителя со стабилизированным (например, введением сильной обратной связи) постоянным коэффициентом усиления позволяет обеспечить необходимую степень стабильности г. Использ ра- ниежепрецизион ного

потенциометрического регулятора коэффициента передачи усилителя по напряжению позволяет получить широкий диапазон значений ти малое время его перестройки (экспериментальная зависимость гот приведенного коэффициента усиления показана на фиг.4). Это делает устройство чрезвычайно эффективным и качественным имитатором пуассоновского потока импульсов. Свойство АСК самопроизвольно прекращать генерацию стохастических колебаний объясняется жестким режимом его возбуждения (запуска): четность нелинейности, ВАХ которой имеет в нуле нулевую первую производную и неотрицательные старшие производные (например, квадратичного типа), обусловливает существование некоторого (малого) порогового значения U (см. фиг.2) амплитуды напряжения на входе нелинейности такого, что возбуждение АСК возможно лишь при амплитуде запускающего сигнала на нелинейности U U , а при U U АСК не возбуждается. После возбуждения АСК сигналом с амплитудой U U и начала генерации стохастических колебаний (что достигается подбором полосы пропускания фильтра с усилителем, исключающим генерацию n-тактных периодических режимов; одночастотные режимы исключаются благодаря четности нелинейности, вносимое в систему фильтром некоторое временное запаздывание 1ф при не слишком больших коэффициентах усиления К усилителя делает отличной от нуля вероятность события, когда максимальная амплитуда напряжения на входе НЭ в течение времени запаздывания

1ф не превысит порогового значения U : I U(t)| U , to + 1ф. Реализация такого события и приведет к самопроизвольному срыву стохастических автоколебаний.

На фиг.1 изображена функциональная блок-схема предлагаемого генератора; на фиг.2 - экспериментальная ВАХ нелинейного элемента АСК. На фиг.2 пороговое значение амплитуды напряжения на входе НЭ U определяется (показано схематически) пересечением ВАХ с прямой, тангенс наклона которой пропорционален ,-где К- коэффициент усиления усилителя. На фиг.З изображены сигналы на входе и выходе ФИ при работе устройства. На фиг.4 изображена экспериментальная зависимость среднего времени гот приведенного коэффициента

усиления по напряжению р К/К0 регулируемого усилителя (К и К0 - соответственно заданный и максимально возможный коэффициенты усиления усилителя:

0 р 1, а гс 1 мс), Нестабильность г при каждом р не превышала погрешностей, указанных на фиг.4 для каждой серии измерений.

Генератор шумовой последовательности импульсов содержит АСК, состоящий из соединенных по кольцевой схеме усилителя

1с регулируемым (вход Per.) коэффициентом усиления, полосового фильтра 2 и нелинейного элемента 3 с четной ВАХ квадратичного типа. Выход АСК соединен с

входом формирователя импульсов 4. Выход ФИ, являющийся одновременно выходом генератора, соединен с входом запуска АСК.

Генератор работает следующим образом.

После включения питания АСК генерирует в течение случайного времени ti из интервала (4). В момент самопроизвольного окончания генерации ФИ 4 вырабатывает

импульс заданной длительности (фиг.З), который, поступая на вход запуска АСК (на фиг.1 - вход усилителя), перезапускает последний. Весь процесс повторяется с самого начала, но второй импульс заданной

длительности на выходе генератора появляется уже через некоторое другое случайное времягз., Таким образом на выходе генератора получается последовательность импульсов равной длительности, следующих

друг за другом через случайные временные интервалы (фиг.З), распределенные по закону (2). При этом среднее время т следования импульсов регулируется изменением коэффициента усиления К усилителя 1 в очень широком диапазоне значений (в экс

перименте последний перекрывал более 5 порядков: от десятков миллисекунд до десятков минут (фиг.4), в то время как у прототипа - не более чем на порядок).

Стабилизация К посредством введения обратной связи в усилителе 1 позволила сделать нестабильность г меньше 1%, понизив ее по сравнению с прототипом. Последнее позволило откалибровать шкалу коэффициента усиления К усилителя 1 в единицах г и перестраивать прецизионным потенциометром последнее за времена порядка секунд.

Таким образом, предлагаемый генератор позволяет повысить стабильность среднего времени следования импульсов в 5-10 раз, расширить диапазон регулируемых значений г более чем на 4 порядка (от десятков микросекунд до десятков минут и более) при уменьшении времени перестрой- ки среднего времени г более чем в 1000 раз.

Формула изобретения

1. Генератор шумовой последовательности импульсов, включающий источник шума и формирователь импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности совпадения статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской путем повышения стабильности среднего времени г следования импульсов, а также расширения диапазона изменения т: и повышения быстродействия при переходе от одного значения г к другому, источник шума выполнен в виде автогенератора стохастических колебаний, режим возбуждения которого выбран жестким и который имеет вход для внешнего запуска, причем вход формирователя импульсов соединен с выхо

0

5

0

5

0

5

дом автогенератора стохастических колебаний, а выход его соединен с входом внешнего запуска автогенератора стохастических колебаний и является выходом устройства.

2.Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щи й- с я тем, что автогенератор стохастических колебаний включает регулируемый усилитель, нелинейный элемент, который имеет четную вольт-амперную характеристику, и полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход нелинейного элемента является выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего запуска соединен с входом регулируемого усилителя.

3.Генератор поп.1,отличающий- с я тем, что автогенератор стохастических колебаний включает регулируемый усилитель, нелинейный элемент, который имеет четкую вольт-амперную характеристику, и полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход нелинейного элемента является выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего запуска соединен с входом нелинейного элемента.

4.Генератор по п. 1. о т л и ч а ю щи й- с я тем, что автогенератор стохастических колебаний включает регулируемый усилитель, нелинейный элемент, который имеет четную вольт-амперную характеристику, и полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход нелинейного элемента является выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего запуска соединен с входом полосового фильтра.

5.Генератор по пп.2-4, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя или двухтактного усилителя.

-ю

ВмдФЦ

ш (П

&лю

Ча

1742977

&в

J пк се к

Фие.З

Изобретение относится к радиофизике и радиотехнике и может быть использовано в лабораторной технике как имитатор пуас- соновского потока импульсов (например, при испытании устройств регистрации оптических сигналов в режиме счета фотонов) и в радиолокации как источник импульсов для калибровки радиотехнических систем обнаружения. Целью изобретения является повышение точности совпадения статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской путем повышения стабильности среднего времени т следования импульсов, а также расширение диапазона изменений г и повышение быстродействия при переходе от одного значения т к другому. Изобретение содержит усилитель 1, фильтр 2, нелинейный элемент 3, формирователь 4 импульсов. Источник шума выполнен в виде автогенератора стохастических колебаний с жестким режимом возбуждения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил. Sw ё

550S7S

600 625 650 р-Ю

Редактор О.Стенина

«иг.

Составитель В.Рождественский Техред М.МоргенталКорректор М.Максимишинец