Датчик случайных двоичных сигналов Советский патент 1976 года по МПК G06F1/02 G07C15/00 

сы иояБЛяются с вероятностью близкой j 0,5 jipii лосгупленип пчередноГ пары тактовых импульсов.

Рассмотрим схему датчика случайных двоичных сигналов «О и «1. Выходы источников 1 и 2 шумовых сигналов, иредставляю1ЦИХ собой нормальный непрерывный Н1ум, нодключены к входам усилителя 3 шума (например, сложного эмиттерного повторителя на р-п-р) н п-/7-я-транзисторах). Выход усилителя 3 через резистор 4 нодключен к входу (бистабильного) триггера 5 на симметричной иаре туннельных диодов. Импульсное нитание (парафазные тактирующие импульсы) триггера иодается на клеммы 6 и 7. Выход триггера 5 через резистор 8 подключен к входу согласующего усилителя 9, выход которого является выходом 10 датчика.

Необходимость использования минимум двух источников шума вызвана следующим обстоятельством. Источник первичного щума настраивается таким образом, чтобы обеспечивалась симметрия плотности распределения шума относительно математического ожидания (постоянной составляющей), т. е. коэффициент асимметрии (третий центральный момент) щума должен быть равен нулю. Однако при изменении температуры симметрия плотности распределения нарушается и коэффициент асимметрии становится отличным от нуля.

Флюктуации одной полярности становятся более вероя1ными и амплитуда их возрастает. Это приводит к неравновероятности переключения триггера в единичное и нулевое состояние. Для предотвращения указанного явления в предлагаемой схеме включен второй источник щумового сигнала, причем температурный коэффициент асимметрии плотности раснределеиия шума второго источника должен быть нримерио равен по модулю соответствующему коэффициенту асимметрии первого источника шума, но иметь обратный знак. В результате сложения непрерывных шумов от двух таких источников 1 и 2 с помощью усилителя 3 щума симметрия плотности ;раСпределения суммарного шума на выходе усилителя практически не нарушается (коэффициент асимметрии равен нулю) в температурном диапазоне порядка -20°С до +60°С. При этом эксцесс (четвертый центральный момент) суммарного щума может несколько отличаться от нуля, т. е. суммарный шум в некоторой мере отличается от нормального. Однако в предлагаемом датчике на погрещность равновероятности влияет только асимметрия щума независимо от того, насколько его распределения отличаются от нормального.

В частном случае в качестве таких источников первичного непрерывного щума использовать два однотинных щумящих диода с одинаковыми действующими значениями щума, пробой переходов которых осуществляется напряжениями различной полярности. В результате суммирования шумов этих диодов, например, с помощью сложного двухвходового эмиттерно1() повторителя на р-п-р и п-р-п транзисторах формируется щум с нулевым коэффициентом асимметрии в определенном температурпом диапазоне. Это объясняется одинаковым влиянием температуры на процессы пробоя диодов в источниках шума 1 и 2. Нанример, нри повышении температуры токи

пробоя через диоды в источниках 1 и 2 возрастают. При этом амплитуды положительных флюктуации через днод в источнике 1 возрастают, а амплитуды отрицательпых - уменьшаются. Для диода в источнике 2 возрастание тока приводит к увеличению амнлитуд отрицательных флюктуации и уменьшеиию амплитуд положительных флюктуации. По в результате суммирования двух щумов симметрии нормального щума на выходе усилнтеля 3 почти не нарушается, а лишь наблюдается некоторое увеличение его интенсивности. При уменьшении температуры в определенных пределах суммарный выходной И1ум также не теряет симметрии.

Усилитель 3 щума должен обеспечивать одинаковое усиление положительных и отрицательных флюктуации, чтобы не нарущать симметрию плотности распределения выходного шума, который через резистор 4 постунает на триггер 5.

Особенностью триггера 5 на симметрпчпой «паре Гото является использовапие двух парафазных серий для обеспечения импульсного питапия триггера. При использовании арсенидгаллиевых туннельных диодов (ТД) амнлитуда положительных и отрицательных импульсов равна 0,4-0,45 в. При поступлении тактовых импульсов и переключении верхнего ТД в высоковольтное состояние в точке

соединения туннельных диодов напряжение, примерно, равно -0,4 в, которое принимается за «О. Соответственно нри переключении нижнего ТД в высоковольтное состояние на выходе триггера будет напряжение -|-0,4 в, которое прииимается за «1.

Выходной усилитель при подключении его с помощью резистора 8 к триггеру 5 не должен нарущать балансировки туннельно-диодной пары в статике и не создавать емкостной

нагрузки на триггер. Для этого усилитель должен иметь гальванический вход, потенциал которого равен потенциалу общей шины питания. При этом как усилитель 3 шума, так н согласующий усилитель должны иметь достаточно большую полосу пропускания, чтобы не ограничивать быстродействия датчика.

Рассмотрим работу датчика случайных двоичных символов. Па клеммы 6 и 7 иостунают импульсы тактовых серий, частота которых и определяет частоту формирования случайных двоичных символов на выходе датчика.

Высокочастотные нормальные случайные процессы, генерируемые источниками 1 и 2

шумовых сигналов, суммируются с помощью

усилителя 3. Резулыпрующи случанпьп процесс также имеет нормальное распределение амплитуд флюктуации. Усиленный по току этого процесс через резистор 4 поступает на вход триггера 5. Если нрп гюстун.теннп тактовых импульсов п достиженпн зпачепия тока через туннельные диоды, прнмерпо равного их пиковому значецию, с выхода усилителя 3 поступает флюктуация положительной полярности, то в высоковольтное состояние переключается нижний ТД и на выходе триггера появляется импульс положительной полярности, соответствующий «1. Еслн при подаче тактовых импульсов через резпстор 4 поступает флюктуация отрицательной полярностп, то в высоковольтное состояние переключается верхний ТД и на выходе триггера появляется импульс отрицательной полярности, соответствующий «О. В ТОМ или ином состоянии триггер находится в теченпе длительности тактового импульса и ио окончании его возвращается в нулевое состояние. Через резистор 8 сформированные по длительности и амплитуде случайные имиульсы поступают на вход согласуюп;его усилителя 9, предотврапииощего влияние нагрузки на процесс переключении триггера.

Триггер чувствителен к флюктуациям, поступающим с усилителя 3 только в момент, когда ток через туннельные диоды во время фронта тактовых нмпульсов достнгаег значения, близкого к величине их ннкового тока. В этот момент полярность флюктуации, riocTyпающей через резистор 4, и обеспечивает переключение триггера в нулевое Иоти едиппчнос еостояние. По окончании процесса переключения в течение длительности тактового импульса триггер практически нечувствителен к остальным флюктуациям. Таким образом, импульсы, поступающие на выход датчика, имеют стабильную длительность и амплитуду, которые определяются длительпостью и амплитудой тактовых импульсов.

Следует указать на эффект, достигаемый применением симметричной «пары Гото по сравнению с применением несимметричной «пары Гото. При подаче тактовых импульсов в обоих случаях нарастание тока через туннельные диоды до лИКОВого значения п роисходит за время /з, в течение которого напряжение на туннельных диодах меняется мало. После этого начинается процесс переключения триггера, который характеризуется скачкообразным пзменением напряжения на туннельных диодах. Напряжение в точке «входвыход триггера па песимметричной «наре Гото, исгюльзуемой в известном устройстве, за время ts изменяется от нуля до напряжепня шпчя |;();1ьт-амперноГ1 характернстнкн ТД L---0.5 в. В результате скачок этого напряжсшь в известном устройстве вызывает про1екаппе тока через резпсторы, связывающпе трип-ер со входным п выходным уснл1ггелямп. Причем 1ок протекает через Bepxnini туннельпьи диод, в 5езультате чего к началу переключения песпмметрия «пара Гото оказывается разбаланспроваппой. Это прпводит к увеличению погрешности равновероятности. В оппсываемом устро1 1стве поскольку оба такТО15ЫХ импульса нарастают сипхронно, то нанряже П1е в точке «вход-выход триггера остается равным нулю в теченне всего времени зОтсутствие изменения напряжеппя в общей точке за время /,; псключает влпяние резисторов, соеднняюн1,пх триггер с суммирующим и выходным уснлптелямп, на балансировку трнггера непосредственно перед самим переключепием его, в результате чего погренпюсть равповероятпости уменьшается.

Подобным образом использование выходного усплите.тя с гальваппческпм входом, потенцпал которого пе равен потеицпалу общей шииы, нрнвод1гг к нротсканню входного тока этого усилптеля через трпггер п к разбалансу последнего непосредственно перед началом переключения. Подключение усилителя, потенциал входа которого равен потенциалу общей Hiinn i, к трнггеру на симметричной паре как в статнке, так и в течение времени з не приводит к потреблению входной цепью выходного усилптеля тока от трпггера несмотря на наличие гальванической связи между триггером и выходным уоктителем. Это устраняет влияние носледпего на балансировку трнггера н способствует уменьшению погрешности равповероятпостп датчпка.

Форм у .та п 3 о б р е т е н и я

Датчик случайных двоичпых сигналов, содержании источник шумового сигпала, подключеппый через усплптель шума к триггеру на двух туннельных диодах, о т л и ч а ю щ и йся те.м, что, с целью новышения точности поддержания рав1ой вероятности выходных сигналов, датчнк дополпптельпо содержит второй источник ппмового снгнала с температурным коэффпциептом нестабпльностн, обратным ио знаку температурпому коэффициенту нестабильности первого источника шумового сигнала, и согласуюиии усилитель, симметричный гальванпчеоспй вход которого подключеп к выходу трпггера, вы.ход второго источннка шумового спгнала соединен с другим входом усплптеля гпума.