RU2549174C1 - Цифроаналоговый генератор шума - Google Patents
Цифроаналоговый генератор шума Download PDFInfo
- Publication number
- RU2549174C1 RU2549174C1 RU2014119393/08A RU2014119393A RU2549174C1 RU 2549174 C1 RU2549174 C1 RU 2549174C1 RU 2014119393/08 A RU2014119393/08 A RU 2014119393/08A RU 2014119393 A RU2014119393 A RU 2014119393A RU 2549174 C1 RU2549174 C1 RU 2549174C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- noise
- input
- generator
- outputs
- digital
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электронной технике и может использоваться для генерирования шумового напряжения с заданными статистическими характеристиками. Технический результат: повышение точности воспроизведения статистических характеристик шума, расширение его энергетического спектра. Цифроаналоговый генератор шума содержит тактируемый опорным генератором генератор псевдослучайных чисел в качестве источника исходного цифрового шума, группой смежных выходов нагруженный на множество идентичных управляемых генераторов тока, у которых выходы объединены узлом суммирования, а объединенные вторые входы через фильтр подключены к выходу компаратора, к суммирующему узлу подключены также выходной буферный блок, преобразователь эффективного значения напряжения, выходом присоединенный к одному входу компаратора, у которого второй вход связан с зажимом опорного напряжения. 2 ил.
Description
Изобретение относится к электронным схемам и может быть использовано для генерирования шумового напряжения с заданными статистическими характеристиками.
Для генерирования шумоподобных сигналов применяются аналоговые и цифровые устройства. Аналоговым устройствам, включающим обычно первичный источник шума, усилитель и фильтр [1], свойствен ряд недостатков, главным из которых является нестабильность параметров шума при изменении питающего напряжения и температуры среды. Указанного недостатка позволяют избежать устройства, в которых в качестве исходного цифрового шума используется генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ). Если продолжительность реализации шумового процесса не превышает длительности цикла ГПСЧ, то его характеристики приближаются к характеристикам совершенно случайного процесса.
Известны цифроаналоговые генераторы шума [2-4], включающие последовательно соединенные ГПСЧ, цифроаналоговый преобразователь и фильтр. Известные устройства обладают стабильностью характеристик и не требуют регулировок. Однако закон распределения напряжения шума в них отличается от нормального, а наличие в структуре операционных усилителей ограничивает энергетический спектр генерируемого шума.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный за прототип кольцевой генератор шума с заданным спектром по патенту US 4855944, 8.08.1989 [5]. Схема прототипа состоит из тактируемого опорным генератором ГПСЧ и узла взвешенного суммирования на основе операционного усилителя, входные весовые резисторы которого подключены к соответствующим разрядным выходам ГПСЧ. Благодаря соответствующему выбору сопротивлений входных резисторов узел суммирования реализует необходимую для получения равномерного спектра «белого» шума функцию фильтра с конечной импульсной характеристикой.
Недостатки устройства-прототипа связаны со специфическим исполнением суммирующего узла и заключаются в ограниченном энергетическом спектре генерируемого шума, жестких требованиях к точности и соотношению сопротивлений весовых резисторов, что препятствует интегральному воплощению устройства, а также в отличии от нормального закона распределения шумового напряжения.
Цель настоящего изобретения состоит в повышении точности воспроизведения статистических характеристик шума, расширении его энергетического спектра и снижении требований к точности компонентов устройства.
Это достигается тем, что в устройство, содержащее тактируемый опорным генератором ГПСЧ и узел суммирования, дополнительно введены множество управляемых генераторов тока, каждый из которых имеет два входа, компаратор, преобразователь эффективного значения напряжения, выходной буферный блок и фильтр. При этом первые входы управляемых генераторов тока присоединены к соответствующим разрядным выходам ГПСЧ, а выходы подключены к узлу суммирования, выходному буферному блоку и входу преобразователя эффективного значения напряжения. Кроме того, в схему введен компаратор, выход которого через фильтр соединен с объединенными вторыми входами всех управляемых генераторов тока, его первый вход - с зажимом опорного напряжения, а второй вход - с выходом преобразователя эффективного значения напряжения.
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого цифроаналогового генератора шума. На фиг. 2 представлен вариант исполнения управляемого генератора тока и схема подключения множества управляемых генераторов тока к суммирующему узлу.
Схема устройства (фиг. 1) состоит из опорного генератора 1, нагруженного на ГПСЧ 2, группа смежных разрядных выходов которого подключена к первым входам соответствующих управляемых генераторов 3…7 тока, выходы которых объединены в узле суммирования 8, представляющем собой в данном варианте исполнения резистор. С узлом суммирования 8 соединены также входы выходного буферного блока 9 и преобразователя 10 эффективного значения напряжения, своим выходом связанного с одним входом компаратора 11, у которого другой вход присоединен к зажиму 12 опорного напряжения. Выход компаратора 11 через фильтр 13 нижних частот подключен к объединенным вторым входам управляемых генераторов 3…7 тока.
ГПСЧ построен на сдвигающем регистре 14 с обратной связью по входу последовательной записи через вентиль 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входы которого подключены к выходам определенных разрядов сдвигающего регистра 14. В данном варианте осуществления использован 7-разрядный сдвигающий регистр 14, а входы вентиля 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены с первым и седьмым разрядными выходами регистра.
Буферным блоком 9 в зависимости от области применения устройства может служить масштабный усилитель либо аттенюатор. Буферный блок 9 может быть также снабжен фильтрующим звеном для устранения высокочастотной составляющей спектра шума, связанного с его ступенчатой формой.
Преобразователь 10 эффективного значения напряжения в его классическом осуществлении, ориентированном на произвольную форму преобразуемого напряжения, выполняет вычисления по известной формуле
где uΣ - напряжение в суммирующем узле 8, а T - период усреднения. Если статистические свойства преобразуемого напряжения известны, то можно указать коэффициенты пропорциональности, связывающие его пиковое, среднее и эффективное значения. Для гауссовского процесса пиковое значение теоретически бесконечно, а эффективное значение равно его среднеквадратическому отклонению. В измерительной практике для гауссова шума «пик-фактор» - предельное отношение пикового напряжения к среднеквадратическому, при котором нет ощутимых потерь в точности, устанавливают в переделах 3…5. Это дает основания для упрощения схемы преобразователя, которая с учетом однополярности формируемого в суммирующем узле 8 напряжения может быть выполнена в виде простейшего усредняющего фильтра.
Каждый из идентичных управляемых генераторов 3…7 тока, состав которых и схема подключения к суммирующему узлу показаны на фиг. 2, в данном варианте осуществления содержит дифференциальный переключатель тока на транзисторах 16, 17 и управляемый источник тока на транзисторе 18 с эмиттерным резистором 19. При этом база транзистора 16 служит первым входом 20 управляемого генератора тока, коллектор транзистора 17 - его выходом 21, а база транзистора 18 - вторым входом 22, который является общим для всех управляемых генераторов 3…7 тока. Базы транзисторов 17 в них соединены с общей цепью базового смещения в виде делителя напряжения из резисторов 23, 24, устанавливающего пороговый уровень переключения. Группа входов 25 управляемых генераторов 3… 7 тока служит для присоединения к разрядным выходам ГПСЧ 2. Суммирующий узел 26, к которому подключены выходы всех управляемых генераторов 3… 7 тока, соединен с общей шиной через резистор 27, выполняющий, по сути, преобразование суммарного тока в напряжение.
Появление сигнала на первом входе 20 управляемого генератора 3… 7 тока приводит к включению тока, значения токов всех управляемых генераторов тока равны и определяются значением напряжения, поступающего на их вторые входы 22 от компаратора 11 через фильтр 13 нижних частот. Фильтр 13 нижних частот необходим для преобразования импульсных сигналов компаратора 11 в постоянное управляющее напряжение.
Принцип действия цифроаналогового генератора шума в соответствии с настоящим изобретением основан на использовании того общеизвестного факта, что сумма смежных разрядов ГПСЧ обладает биномиальным распределением, которое при достаточном числе разрядов приближается к нормальному распределению [6]. Данный принцип использован в ряде устройств для воспроизведения джиттера цифровых сигналов данных, например [7, 8].
Цифроаналоговый генератор шума работает в следующем порядке.
Опорный генератор 1 снабжает тактовыми импульсами ГГКСЧ 2, который генерирует псевдослучайную последовательность максимальной длины общей продолжительностью
где n - число разрядов сдвигающего регистра 14 в ГПСЧ 2, f0 - частота опорного генератора 1. На смежных выходах группы разрядов ГПСЧ образуется цифровой код из нулей и единиц, причем общее количество единиц в этом коде при достаточно большом количестве разрядов n ГПСЧ можно считать совершенно случайным. Число m выходов ГПСЧ, участвующих в формировании ступенчатого напряжения шума, определяет количество его ступеней. С увеличением параметров m и n точность воспроизведения шумовых характеристик возрастает. В частности, параметр n определяет границы энергетического спектра шума, который простирается от 
до f0.
Наличие единицы на определенном выходе ГПСЧ 2 приводит к включению связанного с ним управляемого генератора тока из их множества 3…7, токи включенных генераторов складываются в узле 8 суммирования, в результате чего на резисторе этого узла образуется ступенчато изменяющееся шумовое напряжение, обладающее статистическими свойствами исходного цифрового шума ГПСЧ 2. Указанное шумовое напряжение поступает на буферный каскад 9, с помощью которого приводится к заданному уровню и одновременно освобождается от связанных со ступеньками высокочастотных составляющих спектра.
Сформированное в суммирующем узле 8 напряжение поступает также на вход преобразователя 10 эффективного значения напряжения, уровень которого сравнивается далее в компараторе 11 с опорным напряжением на зажиме 12. Импульсные сигналы компаратора 11 сглаживаются фильтром 13 нижних частот и поступают на объединенные вторые входы управляемых генераторов 3…7 тока, корректируя их токи в направлении компенсации выявленного компаратором 11 рассогласования. В результате действия такой цепи отрицательной обратной связи уровень шума в суммирующем узле 8 поддерживается неизменным, что позволяет регламентировать интенсивность шума на выходе буферного блока 9 в единицах эффективного значения напряжения.
Цитированные источники
1. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. - М.: Энергия, 1971.
2. Патент США 3749381, МПК H03B 29/00. Wideband digital pseudo-gaussian noise generator. / James R. Young. - №745155; заявл. 17.01.1985; опубл. 14.10.1986.
3. Патент США 4296384, МПК H03B 29/00. Noise generator. / Toshio Mishima. - №76083; заявл. 17.09.1979; опубл. 20.10.1981.
4. Патент США 5243303, МПК H03B 29/00. Pseudo-random noise signal generator. / Yasumoto Murata et al. - №826937; заявл. 29.01.1992; опубл. 7.09.1993.
5. Патент США 4855944, МПК G06V 1/00. Noise generator with shaped spectrum. / Billy D. Hart. - №94250; заявл. 4.09.1987; опубл. 8.08.1989.
6. Корн Г. Моделирование случайных процессов на аналоговых и аналого-цифровых машинах. - М.: Мир, 1968.
7. Патент РФ №2133552, МПК H03K 5/159. Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом. / №98107484/09; заявл. 24.04.1998; опубл. 20.07.1999.
8. Патент РФ №2303852, МПК H03K 5/156. Имитатор джиттера. / Чулков В.А. - №2005111473/09; заявл. 18.04.2005; опубл. 27.07.2007.
Claims (1)
- Цифроаналоговый генератор шума, содержащий тактируемый опорным генератором генератор псевдослучайных чисел и узел суммирования, отличающийся тем, что в него введены множество управляемых генераторов тока, первые входы которых присоединены к соответствующим разрядным выходам генератора псевдослучайных чисел, а выходы - к узлу суммирования, выходному буферному блоку и входу преобразователя эффективного значения напряжения, а также компаратор, выходом соединенный через фильтр с объединенными вторыми входами всех управляемых генераторов тока, первым входом - с зажимом опорного напряжения, а вторым входом - с выходом преобразователя эффективного значения напряжения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119393/08A RU2549174C1 (ru) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | Цифроаналоговый генератор шума |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119393/08A RU2549174C1 (ru) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | Цифроаналоговый генератор шума |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2549174C1 true RU2549174C1 (ru) | 2015-04-20 |
Family
ID=53289604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014119393/08A RU2549174C1 (ru) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | Цифроаналоговый генератор шума |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2549174C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2559719C1 (ru) * | 2014-06-03 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" | Цифроаналоговый генератор шума |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4855944A (en) * | 1987-09-04 | 1989-08-08 | Rockwell International Corporation | Noise generator with shaped spectrum |
| RU2133552C1 (ru) * | 1998-04-24 | 1999-07-20 | Пензенский технологический институт | Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом |
| US7417473B2 (en) * | 2005-05-30 | 2008-08-26 | Denso Corporation | Signal generator including current control element and signal forming element for achieving low noise level and low switching loss |
| RU2403672C2 (ru) * | 2007-06-26 | 2010-11-10 | Вадим Георгиевич Прокопенко | Генератор хаотических колебаний |
-
2014
- 2014-05-13 RU RU2014119393/08A patent/RU2549174C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4855944A (en) * | 1987-09-04 | 1989-08-08 | Rockwell International Corporation | Noise generator with shaped spectrum |
| RU2133552C1 (ru) * | 1998-04-24 | 1999-07-20 | Пензенский технологический институт | Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом |
| US7417473B2 (en) * | 2005-05-30 | 2008-08-26 | Denso Corporation | Signal generator including current control element and signal forming element for achieving low noise level and low switching loss |
| RU2403672C2 (ru) * | 2007-06-26 | 2010-11-10 | Вадим Георгиевич Прокопенко | Генератор хаотических колебаний |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2559719C1 (ru) * | 2014-06-03 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" | Цифроаналоговый генератор шума |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Seo et al. | A 1.25 ps Resolution 8b Cyclic TDC in 0.13$\mu $ m CMOS | |
| JP2009528015A (ja) | 自己補正式デジタル・パルス幅変調器（ｄｐｗｍ） | |
| Ziabakhsh et al. | The peak-SNR performances of voltage-mode versus time-mode circuits | |
| US6603339B2 (en) | Precision aligned multiple concurrent duty cycles from a programmable duty cycle generator | |
| JP2020515843A (ja) | 光受信機の電気的な試験 | |
| Lee et al. | A 9–11-bit phase-interpolating digital pulsewidth modulator with 1000x frequency range | |
| US9772351B2 (en) | Pulsed current source with internal impedance matching | |
| RU2549174C1 (ru) | Цифроаналоговый генератор шума | |
| JPWO2009001653A1 (ja) | 波形処理回路。 | |
| CN107104675B (zh) | 比较器以及δς调制电路 | |
| US6577202B1 (en) | Multiple duty cycle tap points for a precise and programmable duty cycle generator | |
| RU2559719C1 (ru) | Цифроаналоговый генератор шума | |
| JP3487299B2 (ja) | 乱数発生装置および確率発生装置 | |
| JP4468954B2 (ja) | アナログおよびデジタル補正回路を使用した均一でかつガウス偏倚のためのハードウェア発生器 | |
| CN108291936B (zh) | 一种用于提供电流脉冲的电路和方法 | |
| Hsiao et al. | The design and analysis of a fully integrated multiplying DLL with adaptive current tuning | |
| D'Angelo et al. | A time-mode translinear principle for implementing analog multiplication | |
| KR101153911B1 (ko) | 링 오실레이터 | |
| JP2006067497A (ja) | 信号制御回路及びそれを搭載した装置 | |
| Vekslender et al. | Full IC design of a PWM controller with integrated high-resolution ADC and DPWM peripherals using digital backend tools | |
| RU2261525C1 (ru) | Генератор импульсов случайной длительности | |
| Orabutt | Design and analysis of a multi-channel discriminator integrated circuit for use in nuclear physics experiments | |
| RU2546073C1 (ru) | Управляемый кольцевой генератор импульсов | |
| Wagner et al. | Using www. sigma-delta. de to rapidly obtain ELD compensated CT ΣΔ modulators | |
| KR101548541B1 (ko) | 지연 기반 클록 생성 회로 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180514 |