Генератор случайных сигналов Советский патент 1981 года по МПК G06F7/58 

Изобретение относится к вычисли тельной технике и может быть использовано для настройки приемных ус- трсйств различного назначения, оценк эффективности функционирования радихг электронных 9Редств (РЭС) при воздействии случайных сигналов с плавно изменяющимися статистическими характеристиками и т|)енировки операторов в работе на РЭС в сложных условиях. Известны способы изменения статис тических характеристик случайных сиг налов . Так, :например, регулирование сре ней частоты следования импульсов ге- нератора, основанного на радиоактивном распаде вецества, производят изменением расстояния до источника излучения р . Однако генератор случайных импульсов, реализующий этот способ, поЛу чается громоздкий, неудобный в эксплуатации. Управлять средней частотой следо-. вания импульсов можно с помощью фор. ьшрующего устройства с переменным рогом срабатывания,на вход которого поступает непрерЫВ№1й случайный процесс от специального генератора 21. Однако этот метод решения задачи привс дат к нерациональному использованию мощности генератора непрерывного сигнала, так как полезно используется только та часть выбросов, которая превысила порог срабатывания, поэтому, чем выше порог срабатывания формирователя, тем ниже КПД генерат)ра. Плотность вероятности случайных сигналов изменяют либо путем нелиией ных преобразований случайных напряжеЮ1й с заранее известным законом рас..; пределения, либо сложением сигналов от специальных генераторов fsj. В первом случае требуется специальный задаюв91й генератор случайных сигналов и множество нелинейных зле-. ментов с характеристиками, которые не всегда могут иметь простое схемное решение; во втором необходимо иметь множество специальных генераторов, каждый из которых сам по себе представляет сложное устройство. В результате схема всего генератора получается сложной, конструкция - громоздкой, а эксплуатация такого гене-, ратора вызывает значительные трудности. Наиболее близким кпредлагаемому является генератор случайных сигналов содержащий электронный умножитель, источник света, диафрагму, фотоуси- литель. Такой генератор может вырабаг тывать как случайный импульсный поток так и непрерывньщ шум (4l« Однако данный генератор использует ся обычно для генерации шума с нормал ным законом распределения, что являет ся нерациональным подходом к использованию фотоэлектронного умножителя и значительно сокращает его потенциальные возможности для практического применения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей генерато ра за счет формирования сигналов раз личной формы с различным распределением. Для достижения постоянной цели в известный генератор случайных СИГНРЛ содержащий широкополосный усилитель, источник светового излучения,,который через диафрагму оптически связан с входом фотоэлектронного умножителя, введены переключатель , RC-фильтр, пикдетектор, триггер Шмитта, блок сравнения, формирователь прямоугольных импульсов, блок разряда, интегратор, коммутатор, измеритель тока, регуля тор светового излучения, блок задания статистических характеристик, выход которого соединен с первым. входом блока сравнения, выход которого через регулятор светового излучения соединен со входом источника светового излучения, выход фотоэлектронного умно жителя соединен со входом измерителя тока, первый второй и третий выходы которого соединены соответственно со вторым входом блока сравнения, со входом широкополосного усилителя и с первым вх,одом переключателя, второй вход которого подключен к выходу широкополе-г сного усилителя, первьй выход пере- i ключателя через RC-фильтр соединен со входом триггера Шмитта, а также под64ключей к первому входу пикдетектора и ко входу формирователя прямоугольных импульсов, первый и второй выхода которого соединены соответственно со входом блока разряда и с первым входом интегратора, второй вход которого подключен к первому выходу блока разряда, второй выход которого соединен со вторым входом пикпетектооа выходом генеоатооа является выход коммутатора, входы которого соединены соответственно с выходом триггера Шмитта, с выходом интегратора, с первым выходом формирователя прямоугольных импульсов, с выходом пикдетектора и со вторым выходом переключателя. На фиг. 1 изображена функциональная схема генератора; на фиг. 2-4 диаграммы работы генератора. Генератор содержит.последфвательно срединенные блок задания статистических характеристик 1, блок сравнения 2, регулятор светового излучения 3, источник светового излучения 4, диафрагму 5, фотоэлектронньй умно житель 6, измеритель тока 7, )Широкоп6лосный. усилитель 8 и переключатель 9. Второй и третий выходы измерителя тока 7 соединеньГс6 входами блока сравнения 2 и переключателя 9, выход которого через RC-фильтр 10 соединен со входом триггера Шмитта I1 непосредственно со входом формирователя прямоугольных импульсов 12 и пикдетектора 13, другой вход которого соединен с выходом блока разряда 14, другой выход которого соединен со входом интегратора 15, другой вход которого соединен с выходом фор мирователя J2, другой выход которого соединен со входом блока разряда 14. Входы коммутатора 16 соединены с выходами блоков 11, 12, 9, 13, 15. Генератор работает следующим образом. При отсутсвии освещения или. при слабом световом потоке, поступающем на фотокатод, на выходе фотоэлектронного умножителя имеет место пуассоновский поток дискретных импульсов. Вследствие статистической неравномерности коэффициента усиления диодов умножителя амплитуда импульсов на его выходе имеет нормальный закон распределения. Эти свойства позволяют значительно расширить область его применения. Дпительность темновых импульсов на выходе фотоэлектронного умножителя составляет обычно доли микроге.кунд. С помощью пикдетектора и схемы разря да можно превратить их. в поток прямо угольных импульсов желаемой длительности с прежним нормальным законам распределения амплитуд (фиг. 2а, б), Такие сигналы обычно получают путем квантования во времени непрерывного шума с фиксацией его мгно- венных значений, что ведет к нерацио нальному использованию мощности гене ратора исходного шума, поскольку полезно используется только весьма незначительная часть шумового напряжени Если короткие импульсы подать на .вход формирователя, прямоугольных импульсов, например, идущего мультивибратора, то получим поток импульсов одинаковой амплитуды, но со случайным периодом следования (фиг. 2в) с помощью интегратора и схемы разряд поток прямоугольных импульсов превращается в поток треугольных импульсов (фиг. 2г). Если на вход низкочастотного RCфильтра подать короткие импульсы, то получим случайный поток экспоненциальных импульсов, воздействуя последним, например, на вход триггера Шмитта, получим поток импульсов одинаковой амплитуды, но со случайными длительностью и периодом следования (фиг. 2е). Полученные таким образом последов тельности импульсов могут использоваться для- настройки и проверки работоспособности приемных устройств различного назначения. Более того, плавно изменяя освещенность фотокатода умно жителя, можно в широких пределах рег лировать среднюю частоту следования всех указанных потоков, а при достат но сильном освещении импульсный поток превращается в непрерывный шум с плав но изменяющейся плотностью вероятностей вплоть до нормального распределения. Таким образом,генератор случайных сигналов на базе фотоэлектронного умножитепА становится многофункциональным Прибором, в котором наиболее рационально используются все его положительные качества. На фиг. 3 приведены теоретические кривые зависимости вероятности появления импульсов от среднего тока фотоэлектронного умножителя (средний ток выражен -через среднее число фотоэлектронов П, появляющихся на аноде умножителя). Кривая I соответствует вероятности появлясния импульсов при нулевом пороговом уровне, Кривая 2 - для порогового уровня, отличного от нуля. На фиг. 4 показана зависимость среднего числа появляющихся импульсов N от тока Тф , полученная экспериментально при проверке характеристик генератора. По вертикальной оси откладывается число импульсов, умноженное на 10, а по горизонтальнойоси - ток |)отоэлектронного умножителя 1( в микроамперах (см. акт экспериментальной проверки). Пороговый уровень при эксперимен-. тальной проверке близок к нулевому. Теоретически расчеты и экспериментальные результаты показывают, что имеется достаточно большая область, изменения среднего тока умножителя, внутри которой число импульсов N изменяется практически линейно с ротором 1ф . Такая зависимость сохраняется до тех пор, пока импульсы на выходе умножителя на перекрываются. Момент перекрытия зависит от ширины полосы пропу; екания uf усилителя, стоящего после умножителя. Например, при Гц средняя длительность генерируемых импульсов 4 составляет примерно f. . Как показывают экспериментальные исследования для этого случая, замег- ное перекрытие начинается -тогда,; когда среднее число импульсов в сег кунду 10, т.е. тогда, когда генерируемые импульсы занимают более половины временной оси. На фиг. А это соответсвует участку, где ток 1(/2-10 А. Это дает возможность автоматически изменять и поддерживать среднюю частоту следования импульсов. Изменение плотности вероятности также легко привязывается к изменениям тока IA . Например экспериментальная кривая 1 (фиг. 2ж) соответствует реднему току1 2. А (поток еще мпульсный, но импульсы начинают -пеекрываться друг с другом), а кривые и 3 характеризуют непрерывный шум ри средних токах Ij соответственно 2,5 и 25 мкА.. В последнем случае ум имеет нормальный закон распрееления. В этом случае при фиксироанной полосе пропускания в любой моент времени накладывается друг на руге большое число импульсов. Согласно центратхьной предельной теореме теории вероятностей шум долж иметь нормальный закон распределения Дальнейшее увеличение тока приводит к росту дисперсии нормального шума при неизменном нормальном законе распределения. Таким образом, генератор на базе умножителя может работать вдвух режимах: импульсном и непрерывном, В первом случае имеется возможность автоматически подстраивать и поддерживать среднее число импульсов N , л во втором - плотность вероятности. Единственным параметром, от которог зависят и р ежим работы, и статистгачески характеристики генератора, является то умножителя , обусловленный освещенностью фотокатода умножителя. Автоматически изменяя освещенность фотокатода, можно поддерживать заданны статистические характеристики случай ных сигналов постоянными, или изменять их по определенной программе, Силу света можно регулировать обы чным способом, автоматически изменяя либо ток накала электронной лампочки, либо напряжение, если в качестве источника света используется светодаод типа АП 102. Автоматическая подстройка заданны статистических характеристик прзво-. дяет уменьшить габариты вес, и снизи стоимость генератора случайных сигналов, имеющего в качестве первичного источника шума фотоэлектронный умножитель. Дело в том, что характеристики шума на выходе ФЗУ чувствительны к колебаниям напряжения между диодами. Поэтому для питания ФЗУ требуется высокостабилизированп ный источник высоковольтного напряже ния Такой источник питания обладает достаточно большими габаритами, весо и имеет высокую стоимость. Автоматическое изменение освещенности фотокатода умножителя позволяет использовать источник высоко вольтнСго напряжения с обычными сгла живающиьш;,.фильтрами (без электронной стабилизации), поскольку малад инерционность источника света дает возможность своевременно компенсироват эозмо;яснь е достаточно медленные колебания напряжения в электрической сети, Предлагаемый генератор случайных сигналов работает следукяцим образом 6 Блок 1 задает статистические характеристики генерируемых сигналов, подавая на блок сравнеЕшя 2 требуемое значение тока, . Измеритель тока 7 показывает действительное .значение токаТ., которое соответствует опреч „, деленной освещенности фотокатода умножителя в данный момент времени. Блок сравнения 2 определяет отклонение А - действительного значения тока от заданного. В зависимости от величины и знака отклонения д I регулятор 3 изменяет световой поток источника света 4 так, чтобы указанное отклонение д1 стремилось к нулю. В дальнейшем заданный режим работы поддерживается автоматически. Пороговая величина тока переключателя 9 (это может- быть обычный релейный элемент) выбирается равным тому значению тока умножителя, при котором начинается наложение импульсов друг на друга, т.е. происходит переход от импульсного потока к непрерывному случайному сигналу. Если ток умножителя ),то с выхода широкополосного усилителя 8 через переключатель режима работы 9 импульсный поток направляется на RC-фильтр 10, формирователь прямоугольных импульсов 12 и пикдетектор 13. Поток экспоненциальных импульсов различной амплитуды триггером Шмитта 1 превращается в поток прямоугольных импульсов случайной длительности и со случайным периодом следования. Формирователь прямоугольных импульсов 12 вырабатывает импулЬсы заданной фиксированной длительности. Он же задает длительность импульсов на выходах пикдетектора 13 и интегратора 15,запуская задним фронтом прямоугольного импульса блок разряда 14, которое сбрасывает выходное напряжение интегратора и пикдетектора до нуля. Таким образом, на коммутатор 16 поступают все сигналы (4air, 26,,€j. Переход к непрерывным шумам с плавным автоматическим изменением закона распределения производится блоком 1 путем задания тока 1, превышающего по величине 1ф., В этом случае срабатывает переключатель режима работы 9 и направляет случайный сигнал непосредственно на коммутатор 16,Через коммутатор генерируеьые случайнь е сигналы могут поступать на входы различных радиоэлектронных средств с целью их практического ис- пользования.

Требуемый закон распределения устанавливается автоматически путем регулировки освещенности фотокатода умножителя, аналогично импульсному режиму работы генератора, только при большем значении тока Тф.

Предпагаемый генератор случайных сигналов, имеет .более широкие функциональные возможности, способствующие повышению эффективности его практического применения; высокий КПД использования источника питанияj ав-i томатическая установка режима работы; автоматическая подстройка заданных статистических характеристик случайных сигналов; меньшие габариты вес и более низкую стоимость.

Сравнительные весовые и габаритные данные предлагаемого генератора и источника высоковольтного напряжения приведены в акте экспериментальной проверки.

По, сравнению с существующими генераторами, способными изменять статистические характеристики случайных сигналов, предлагаемое устройство отличается простотой схемных решений и, как следствие этого, высокой надежностью в работе и удобстве эксплуатации.

Формула изобретения

Генератор, случайных сигналов содержащий 1широкополосный: усилитель, источник светового излучения, который через диафрагму оптически связан со входом фотоэлектронного умножителя, отличающ.ийся тем, что, с целью расширения функциональньрс возможностей за счет формирования сигналов различной формы с различным распределением, он содержит

переключатель, RC-фильтр, пикд тектор, триггер Щмитта, блок сравнения, формирователь прямоугольных импульсов, блок разряда, интегратор, когй-тутатор, , измеритель тока, регулятор светового излучения, блок задания статистических характеристик, выход которого соединен с первым входом блока сравнения выход которого через регулятор тового излучения соединен со ЕХОДОМ источника светового излучения, выход фотоэлектронного умножителя соединен со входом измерителя тока, первый, второй и третий выходы которого сов ,5 динены соответственно со вторым входом блока сравне1О{я, со входом широ кополосного .усилителя и с первым входом переключателя, второй вход которого подключен к выходу широкополосного усилителя, пер1зый выход переключателя через RC-фильтр соединен со входом триггера Шмитта, а также подключен к первому входу пикдетектора и ко входу формирователя прямоугольных импульсов, первый . и второй выходы которого соединены соответственно со входом блока разряда и с первым входом интегратора, второй вход которого подключен к первому ;выходу блока разряда, второй выход KOTO-V рого соединен со вторым входом пикдетектора, выходом генератора является выг . ход коммутатора, входы которого соединены соответственно с выходом триггера Шмитта, с выходом интегратора, с 5 первым выходом формирователя прямоугольных импульсов, с выходом пикдетектора и со вторым выходом переключателя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 0 1. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. М., Энергия, Ij971 с. 22.

2.Там жеi с. 184.

3.Там же, с. 71.

4. Тетерич Н.М. Генераторы шума и измерение-,шумовых характеристик М. Энергия, 1968, с, 88 (прототип).;

ir

N1

0

0

О

м

л г

9Ю

«)

J

лПпП

f) г)

1ППППП 1ЛААЛА

JL

3)

..k

X-X-k

в;

1ПП1 ПП П П

ж)

ft

s.3