SU1742977A1 - Генератор шумовой последовательности импульсов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  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 дл  калибровки радиотехнических систем обнаружени . Целью изобретени   вл етс  повышение точности совпадени  статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской путем повышени  стабильности среднего времени т следовани  импульсов, а также расширение диапазона изменений г и повышение быстродействи  при переходе от одного значени  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 возбуждени . 4 з.п. ф-лы, 4 ил. Sw ё

Description

Изобретение относитс  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 дл  калибровки радиотехнических систем обнаружени .

Известен генератор инфранизкочастот- ного стационарного шума, содержащий последовательно соединенные источник шума (ИШ), усилитель, ограничитель амплитуды, формирователь импульсов (ФИ) и блок фиксации момента по влени  шумового выброса (над порогом срабатывани  ФИ). В этом генераторе ФИ вырабатывает пр моугольные импульсы в моменты превышени  шумовым напр жением на выходе усилител  заданного уровн  а.

Недостатком данного устройства  вл етс  невысока  точность совпадени  статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской из-за сильной нестабильности среднего времени т (частота п0 1/г) следовани  выходных импульсов. Последнее обусловлено сильной чувствительностью

Јь

ND О VJ х|

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

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

Средн   частота п0(п0 1 / следовани  пр моугольных импульсов на выходе ФИ описываетс  выражением:

по (а)

AUJ -а г 1 , exP{-r|okJ }

где а-порог срабатывани  ФИ; п0(а)- средн   частота следовани  импульсов на выходе ФИ; OK - среднеквадратичное отклонение шума на выходе усилител ; А О)-эквивалентна  полоса шума.

Недостатком известного устройства также  вл етс  невысока  точность совпадени  статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской из-за недостаточной ста- бильностит 1/п0. Рекомендуемый дл  минимизации нестабильности г 1/п0 интервал выдеоживани  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 применени  дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры, что делает врем  перестройки среднего времени г довольно большим (пор дка дес тка минут). Таким образом, недостаточна  стабильность t приводит к тому, что выходной поток импульсов генератора заметно отличаетс  от пуассоновского по своим статистическим характеристикам, а узкий диапазон изменени  т с достаточно большим временем его перестройки на каждое новое значение существенно ограничивает его функциональные возможности.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности совпадени  статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской путем повышени  стабильности среднего времени г следовани  импульсов, а также расширение диапазона изменени  г и повышение быстродействи  при переходе от одного значени  т к другому.

5 Ю

15

20

25

зо 35 40 45

50

55

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в генераторе шумовой последовательности импульсов, включает ИШ и ФИ, согласно изобретению, ИШ выполнен в виде автогенератора стохастических колебаний (АСК), режим возбуждени  которого выбран жестким и который имеет вход дл  внешнего запуска, причем вход ФИ соединен с выходом АСК, а выход его соединен с входом внешнего запуска АСК и  вл етс  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  вл етс  выходом АСК, а вход внешнего запуска соединен с входом регулируемого усилител .

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

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

Кроме того, НЭ выполнен в виде двух- полупериодного выпр мител  или двухтактного усилител .

Дл  генерировани  шумовой последовательности импульсов, имитирующей пуас- соновскую, предложено использовать свойство АСК с четной нелинейностью квадратичного типа самопроизвольно прекращать генерацию. Дл  получени  такого потока импульсов в за вленном устройстве производитс  перезапуск АСК сразу же после прекращени  им генерации стохастических колебаний импульсом с выхода ФИ. Причем оказалось практически несущественным , с какой точки блок-схемы АСК производитс  перезапуск (со входа усилител , или фильтра, или НЭ с четной ВАХ). Принципиальным  вл етс  то, что дл  всех этих случаев времена ti, в течение которых АСК генерирует стохастические колебани  (от момента запуска до последующего момента самопроизвольного прекращени  генерации ), распределены, как показали эксперименты , по экспоненциальному закону

P(ti) YexP() .(2)

некоррелированны, а среднее врем  г следовани  импульсов  вл етс  функцией коэффициента усилени  К усилител :

г t, T0exp(cK)(3)

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

tKop ti T,(4),

где ticop - врем  коррел ции 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 врем  перестройки г определ ютс  аналогичными характеристиками коэффициента усилени  К усилител . Поэтому использование усилител  со стабилизированным (например, введением сильной обратной св зи) посто нным коэффициентом усилени  позвол ет обеспечить необходимую степень стабильности г. Использ ра- ниежепрецизион ного

потенциометрического регул тора коэффициента передачи усилител  по напр жению позвол ет получить широкий диапазон значений ти малое врем  его перестройки (экспериментальна  зависимость гот приведенного коэффициента усилени  показана на фиг.4). Это делает устройство чрезвычайно эффективным и качественным имитатором пуассоновского потока импульсов . Свойство АСК самопроизвольно прекращать генерацию стохастических колебаний объ сн етс  жестким режимом его возбуждени  (запуска): четность нелинейности , ВАХ которой имеет в нуле нулевую первую производную и неотрицательные старшие производные (например, квадратичного типа), обусловливает существование некоторого (малого) порогового значени  U (см. фиг.2) амплитуды напр жени  на входе нелинейности такого, что возбуждение АСК возможно лишь при амплитуде запускающего сигнала на нелинейности U U , а при U U АСК не возбуждаетс . После возбуждени  АСК сигналом с амплитудой U U и начала генерации стохастических колебаний (что достигаетс  подбором полосы пропускани  фильтра с усилителем, исключающим генерацию n-тактных периодических режимов; одночастотные режимы исключаютс  благодар  четности нелинейности, вносимое в систему фильтром некоторое временное запаздывание 1ф при не слишком больших коэффициентах усилени  К усилител  делает отличной от нул  веро тность событи , когда максимальна  амплитуда напр жени  на входе НЭ в течение времени запаздывани 

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

На фиг.1 изображена функциональна  блок-схема предлагаемого генератора; на фиг.2 - экспериментальна  ВАХ нелинейного элемента АСК. На фиг.2 пороговое значение амплитуды напр жени  на входе НЭ U определ етс  (показано схематически) пересечением ВАХ с пр мой, тангенс наклона которой пропорционален ,-где К- коэффициент усилени  усилител . На фиг.З изображены сигналы на входе и выходе ФИ при работе устройства. На фиг.4 изображена экспериментальна  зависимость среднего времени гот приведенного коэффициента

усилени  по напр жению р К/К0 регулируемого усилител  (К и К0 - соответственно заданный и максимально возможный коэффициенты усилени  усилител :

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

Генератор шумовой последовательности импульсов содержит АСК, состо щий из соединенных по кольцевой схеме усилител 

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

входом формировател  импульсов 4. Выход ФИ,  вл ющийс  одновременно выходом генератора, соединен с входом запуска АСК.

Генератор работает следующим образом .

После включени  питани  АСК генерирует в течение случайного времени ti из интервала (4). В момент самопроизвольного окончани  генерации ФИ 4 вырабатывает

импульс заданной длительности (фиг.З), который , поступа  на вход запуска АСК (на фиг.1 - вход усилител ), перезапускает последний . Весь процесс повтор етс  с самого начала, но второй импульс заданной

длительности на выходе генератора по вл етс  уже через некоторое другое случайное врем гз., Таким образом на выходе генератора получаетс  последовательность импульсов равной длительности, следующих

друг за другом через случайные временные интервалы (фиг.З), распределенные по закону (2). При этом среднее врем  т следовани  импульсов регулируетс  изменением коэффициента усилени  К усилител  1 в очень широком диапазоне значений (в экс

перименте последний перекрывал более 5 пор дков: от дес тков миллисекунд до дес тков минут (фиг.4), в то врем  как у прототипа - не более чем на пор док).

Стабилизаци  К посредством введени  обратной св зи в усилителе 1 позволила сделать нестабильность г меньше 1%, понизив ее по сравнению с прототипом. Последнее позволило откалибровать шкалу коэффициента усилени  К усилител  1 в единицах г и перестраивать прецизионным потенциометром последнее за времена пор дка секунд.

Таким образом, предлагаемый генератор позвол ет повысить стабильность среднего времени следовани  импульсов в 5-10 раз, расширить диапазон регулируемых значений г более чем на 4 пор дка (от дес тков микросекунд до дес тков минут и более) при уменьшении времени перестрой- ки среднего времени г более чем в 1000 раз.

Claims (5)

1. Генератор шумовой последовательности импульсов, включающий источник шума и формирователь импульсов, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности совпадени  статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской путем повышени  стабильности среднего времени г следовани  импульсов, а также расширени  диапазона изменени  т: и повышени  быстродействи  при переходе от одного значени  г к другому, источник шума выполнен в виде автогенератора стохастических колебаний, режим возбуждени  которого выбран жестким и который имеет вход дл  внешнего запуска, причем вход формировател  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  вл етс  выходом устройства.

2.Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щи й- с   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  вл етс  выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего запуска соединен с входом регулируемого усилител .

3.Генератор поп.1,отличающий- с   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  вл етс  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   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  вл етс  выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего запуска соединен с входом полосового фильтра.

5.Генератор по пп.2-4, отличающийс  тем, что нелинейный элемент выполнен в виде двухполупериодного выпр мител  или двухтактного усилител .

-ю

ВмдФЦ

ш (П

&лю

Ча

1742977

&в

J пк се к

Фие.З

550S7S

600 625 650 р-Ю

Редактор О.Стенина

«иг.

Составитель В.Рождественский Техред М.МоргенталКорректор М.Максимишинец