Генератор шумовой последовательности импульсов

 

Изобретение относится к радиофизике и радиотехнике и может быть использовано в лабораторной технике как имитатор пуассоновского 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Н 03 В 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4836422/21 (22) 07.06.90 (46) 23.06.92. Бюл. hL 23 (71) Московский физико-технический институт (72) В.В.Рождественский и И.Н.Стручков (53) 621,317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1072245, кл. Н 03 В 29/00, 1982.

Жовинский B.Н. Генерирование шумов для исследования автоматических систем.—

М.: Энергия, 1968, с.46-48. (54) ГЕНЕРАТОР ШУМОВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ (57) Изобретение относится к радиофизике и радиотехнике и может быть использовано в лабораторной технике как имитатор пуассоновского потока импульсов (например, при испытании устройств регистрации оптиИзобретение относится к радиофизике и радиотехнике и может быть использовано в лабораторной технике как имитатор пуассоновского 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 инфранизкочастотного стационарного шума, содержащий последовательно соединенные источник шума (ИШ), у"илитель, ограничитель амплитуды, формирователь импульсов (ФИ) и блок фикческих 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 ти повышение быстродействия при переходе от одного значения г 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. сации 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 п = 1/t) спедования выходных импульсов. Последнее обусловлено сильной чувствительностью

1742977

15 г к величинам порога а и среднеквадратичного отклонения шума сх на выходе ИШ, так что снижение нестабильности тдо уровня 5% достигается наложением жесткого ограничения на соотношение а и сто: а/ ox 0,33 и как следствие сужает диапазон возможных значений t.

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

Средняя частота no(n> = 1/т) следования прямоугольных импульсов на выходе ФИ описывается выражением;

2 по (а)= — exp (- — — }, (1) Лв а 1 а где а — порог срабатывания ФИ; по(а) — средняя частота следования импульсов на выходе Ф И; а, — среднеквадратичное отклонение шума на выходе усилителя;

Лм- эквивалентная полоса шума.

Недостатком известного устройства также является невысокая точность совпадения статистических характеристик шумовой последовательности импульсов с пуассоновской из-за недостаточной стабильности т= 1/по. Рекомендуемый для минимизации нестабильности т = 1/по интервал выдеоживания значений а и (4; !

0,3 (а/ y„< О, 6 существенно сужает диапазон возможных значений т, а настройка г на некоторое новое значение с необходимостью требует применения. дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры, что делает время перестройки среднего времени недовольно большим (порядка десятка минут), Таким образом, недостаточная стабильность Y: приводит к тому, что выходной поток импульсов генератора заметно отличается от пуассоновского по своим статистическим характеристикам, а узкий диапазон изменения t 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 следования импульсов, а также расширение диапазона изменения ти повышение быстродействия при переходе от одного значения т к другому.

Поставленная цель достигается тем, что в генераторе шумовой последовательности импульсов, включает ИШ и ФИ, согласно изобретению, ILU 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 двухполупериодного выпрямителя или двухтактного усилителя.

Для генерирования шумовой последовательности импульсов, имитирующей пуассоновскую, 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 (co 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

Р(а) = — ехр (- — ), 1 с (2) 1742977 некоррелированны, а среднее время тследования импульсов является функцией коэффициента усиления К усилителя:

t= < t; > = rp ехр (сК) (3) (70. с — константы), причем ti принимают широкий спектр значений в интервале ткор — Ъ Т, (4), где скор — время корреляции стохастических колебаний АСК (tripp = 5 мс), Т вЂ” в эксперименте фактически совпадало с общим временем работы устройства (Т = 8 — 10 ч). В соответствии с (3) стабильность, диапазон значений и время перестройки хопределяются аналогичными характеристиками коэффициента усиления К усилителя. Поэтому использование усилителя со стабилизированным (например, введением сильной обратной связи) постоянным коэффициентом усиления позволяет обеспечить необходимую степень стабильности t . Использование же прецизиой н ого потенциометрического регулятора коэффициента передачи усилителя по напряжению 25 позволяет получить широкий диапазон значений ти малое время его перестройки(экспериментальная зависимость tot приведенного коэффициента усиления показана на фиг.4). Это делает устройство 30 черезвычайно эффективным и качественным имитатором пуассоновского потока импульсов. Свойство АСК самопроизвольно прекращать генерацию стохастических колебаний объясняется жестким режимом его возбуждения (запуска): четность нелинейнос.;и, ВАХ которой имеет в нуле нулевую первую производную и неотрицательные старшие производные (например, квадратичного типа), обусловли- 40 вает 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 нели- 45 нейности 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 50 фильтра с усилителем, исключающим генерацию и-тактных периодических режимов; одночастотные режимы исключаются благодаря четности нелинейности, вносимое в систему фильтром некоторое временное за- 55 паздывание тф 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 сф не превысит порогового значения

U*: U(t) U*, тс(1о, tp + 1ф). Реализация такого события и приведет к самопроизвольному срыву стохастических автоколебаний.

На фиг.1 изображена функциональная блок-схема предлагаемого генератора; на фиг.2 — экспериментальная BAX нелинейного элемента АСК. На фиг.2 пороговое значение амплитуды напряжения на входе НЭ 0* определяется (показано схематически) пересечением ВАХ с прямой, тангенс наклона которой пропорционален 1/К,.где К вЂ” коэффициент усиления усилителя. На фиг.3 изображены сигналы на входе и выходе ФИ при работе устройства. На фиг.4 изображена экспериментальная зависимость среднего времени т от приведенного коэффициента усиления по напряжению р = К/Ко регулируемого усилителя (К и К вЂ” соответственно заданный и максимально возможный коэффициенты усиления усилителя: КО=50;

О р 1,а r,=1ìñ), Нестабильность упри 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

1 с регулируемым (вход "Рег.") коэффициентом усиления, полосового фильтра 2 и нелинейного элемента 3 с четной BAX 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 t> из интервала (4). В момент самопроизвольного окончания генерации ФИ 4 вырабатывает импульс заданной длительности (фиг,3), 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 времятг., Таким образом на выходе генератора получается последовательность импульсов равной длительности, следующих друг за другом через случайные временные интервалы (фиг.3), распределенные по закону (2). При этом среднее время z следования импульсов регулируется изменением коэффициента усиления К усилителя 1 в очень широком диапазоне значений (в экс1742977 доход уиржаюй

Ухоl ал оа

Рр 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 t меньше 1, понизив ее по сравнению с прототипом, Последнее позволило откалибровать шкалу коэффициента усиления К усилителя 1 в единицах хи 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 иболее) при уменьшении времени перестройки среднего времени тболее чем в 1000 раз.

Формула изобретения

1. Генератор шумовой последовательности импульсов, включающий источник шума и формирователь импульсов, о т л и ча ю шийся тем, что, с целью повышения точности совпадения статистических характеристик шумовОй последовательности импульсов с пуассоновской путем повышения стабильности среднего времени t следования импульсов, а также расширения диапазона изменения т и повышения быстродействия при переходе от одного значения т 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 выходом автогенератора стохастических: колеба.ний, а выход его соединен с..входам внешне.го запуска. автогенератора стохастических колебаний и является выходом устройства.

5 2. Генератор по п.1, о т л и ч-а ю.щ.и йс я тем; что автогенератор стохастических колебаний включает регулируемый усилитель, нелинейный элемент, который имеет четную вольт-амперную характеристику, и

10 полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход нелинейного элемента является выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего запуска. соединен с входом регулируемого усилите.15 ля.

3. Генератор. по п.1, о т л и ч а: ю.щ.и йс я тем, что автогенератор стохастических колебаний включает регулируемый усилитель, нелинейный элемент, который имеет

20 четкую вольт-амперную характеристику, и полосовой фильтр, соединенные в кольцо; причем выход нелинейного элемента является выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего запуска

25 соединен с входом нелинейного элемента.

4. Генератор по п.1, отл и чаю.щи йс я тем, что автогенератор стохастических колебаний включает регулируемый усилитель, нелинейный элемент, который имеет

30 четную вольт-амперную характеристику, и полосовой фильтр, соединенные в кольцо, причем выход нелинейного элемента является выходом автогенератора стохастических колебаний, а вход внешнего. запуска

35 соединен с входом полосового фильтра.

5. Генератор по пп.2-4, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что нелинейный элемент выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя или двухтактного усилителя.

1742977

Вхв Otal

Eblsog PA 50 в 5 600 625 G so . о а„,. е

Составитель В.Рождественский

Редактор О.Стенина Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец

Заказ 2294 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101