Датчик случайных двоичных сигналов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii) 526873

Союз Советских

Социалистических

Республик . (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 16,08.74 (21) 2053188/24 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.08.76. Бюллетень ¹ 32

Дата опубликования описания 15.09.76 (51) М. Кл. - G 06Г 1/02

G 07С 15/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытии (53) УДК 681.335(088.8) (72) Автор изобретения

В. Е. Мельник

Таганрогский радиотехнический институт им. В. Д. Калмыкова (71) Заявитель (54) ДАТЧИК СЛУЧАЙНЫХ ДВОИЧНЫХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к области вычислительной техники, техники измерения и связи и может использоваться при построении генераторов случайных чисел для универсальных и специализированных ЦВМ, вероятностных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), имитаторов случайных помех при испытании различной аппаратуры и каналов связи.

Известны датчики случайных импульсов и сигналов различного быстродействия, содержащие первичные источники шума, усилители и формирующие схемы.

К недостаткам датчиков-аналогов следует отнести невысокую точность поддержания равной вероятности выходных двоичных символов.

Известен быстродействующий датчик случайных двоичных сигналов, содержащий источник шумового сигнала, подключенный через усилитель шума к триггеру на двух тунпельных диодах.

Однако использование несимметричной туннельно-диодной пары (триггера) и выходного согласующего усилителя, потенциал входа которого отличается от потенциала общей шины, не позволяет в известном датчике получить погрешность равновероятности менее

5 10 — " . Температурная нестабильность параметров источника внешнего шума привода к несимметрии плотности распределения положительных и отрицательных флюктуаций, что ограничивает температурный диапазон работы датчика, примерно, в пределах от +10 С до +50 С. Для многих практических применений существует настоятельная необходимость как дальнейшего уменьшения погрешности равновероятности генерируемых двоичных сигналов хотя бы до 5. 10 — 4, так и расширения температурного диапазона работы датчика, в котором погрешность равновероятности не превышала бы допустимой величины.

Целью изобретения является повышение точности поддержания равной вероятности выходных сигналов и увеличение нагрузоч15 ной способности быстродействующего датчика случайных двоичных символов на основе двухдиодного триrrepa.

Указанная цель достигается тем, что датчик дополнительно содержит второй источник

20 шумового сигнала с температурным коэффициентом нестабильности, ооратным по знаку температурному коэффициенту нестабильности, первого источника шумового сигнала, и согласующий усилитель, симметричный гальванический вход которого подключен к выходу триггера, а выход второго источника шумового сигнала соединен с другим входом усилителя шума.

На чертеже представлена схема датчика, на

30 выходе которого единичные и нулевые импуль526871

3 bl появляю 3 H с Вс13оятнос гыо близкой H 0,5 прп нос 3упленпи чередной пары тактовых

И М ПУЛ ЬСО 33.

Рассмотрим схему. датчика случайных двоичных сигналов «О» и «1». Выходы источников 1 и 2 шумовых сигналов, представляюпп3Х собой нормальный непрерывный шум, подключены к входам усилителя 3 шума (например, сложного эмиттерного повторителя на р-и-р) и и-р-п-транзисторах) . Выход усилителя

3 через резистор 4 подключен к Входу (бистаоильного) триггера 5 на симметричной паре туннельных диодов. Импульсное питание (парафазные тактирующие импульсы) триггера подается на клеммы б 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 шума настраивается таким образом, чтобы обеспечивалась симметрия плотности распределения шума относительно математического ожидания (постоянной составляющей), т. е. коэффициент асимметрии (третий центральный момент) шума должен быть равен нулю. Однако при изменении температуры симметрия плотности распределения нарушается и коэффициент асимметрии становится отличным от пуля.

Флюктуации одной полярности становятся более вероятными 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 шумового сигнала, причем температурный коэффициент асимметрии плотности распределения шума второго источника должен быть примерно 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 шума симметрия плотности распределения суммарного шума на выходе усилителя практически не нарушается (коэффициент асимметрии равен нулю) в температурном диапазоне порядка — 20 С до +бО С. При этом эксцесс (четвертый центральный момент) суммарного шума может несколько отличаться от нуля, т. е. суммарный шум в некоторой мере отличается от нормального.

Однако в предлагаемом датчике на погрешность равновероятности влияет только асимметрия шума независимо от того, насколько

его распределения отличаются от нормального.

В частном случае в качестве таких источников первичного непрерывного шума можно использовать два однотипных шумящих диода с одинаковыми действующими значениями шума, пробой переходов которых осуществляется напряжениями различной полярности. В ре5

ЗО

65 зулы атс сумми130вания шумов этих диодОВ, например, с помощью сложного двухвходового эмиттерного по33торителя Ila р-и-р и и-р-II транзисторах формируется шум с нулевым коэффициентом асимметрии и определенном температурном диапазоне. Это объясняется одинаковым влиянием температуры на процессы пробоя диодов в источниках шума 1 и 2.

Например, при повышении температуры токи пробоя через диоды в источниках 1 и 2 возрастают. При этом амплитуды положительных флюктуаций через диод в источнике 1 возрастают, а амплитуды отрицательных— уменьшаются. Для диода в источнике 2 возрастание тока приводит к увеличению амплитуд отрицательных флюктуаций и уменьшению амплитуд положительных флюктуаций.

Но в результате суммирования двух шумов симметрии нормального шума на выходе усилителя 3 почти не нарушается, а лишь наблюдается некоторое увеличение его интенсивности. При уменьшении температуры в определенных пределах суммарный выходной шум также не теряет симметрии.

Усилитель 3 шума должен обеспечивать одинаковое усиление положительных и отриIIàòåëüíûõ флюктуаций, чтобы не нарушать симметрию плотности распределения выходного шума, который через резистор 4 поступает на триггер 5.

Особенностью триггера 5 на симметричной

«паре Гото» является использование двух Нарафазных серий для обеспечения импульсного питания триггера. При использовании арсенидгаллиевых туннельных диодов (ТД) амплитуда 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 прп переключении нижнего ТД в высоковольтное состояние на выходе триггера будет напряжение +0,4 в, которое принимается за «1».

Выходной усилитель при подключении его с помощью резистора 8 к триггеру 5 не должен нарушать 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 и согласующий усилитель должны иметь достаточно большую полосу пропускания, чтобы не ограничивать быстродействия датчика.

Рассмотрим работу датчика случайных двоичных символов.

На клеммы б и 7 поступают 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 усилитсля 3. Рсз "т1ь! 11ру!О!ци1! сс!3 3 й11ь1 Й llpnцесс также имеет норм!3лы10с распределен!!с амплитуд флюктуаций, Усис!С1111ы1! 110 току этого процесс через резистор 4 поступает на вход триггера 5. Если при поступлении тактовых импульсов и достижении значения гик» через тупнельные диоды, !!рпмсрпо равllo! о их пиковому значению, с выхода успл1!теля 3 !поступает флюктуация положителыюй полярности, то в высоковольтное состояние псрскл!очается нижний ТД и на и>!ходе трпггсра !1оявляется импульс положитсл1пигй полярности, соответствующий «1». Если при подаче тактовых импульсов через резистор 4 поступает флюктуация отрицатслш30й полярности, то в высоковольтное состояние Hepe!<;! IO I aeTcsi верхний ТД и на выходе триггера появляется импульс отрицательной полярности, соответствующий «0». В том или ином состоянпитрпггср находится в течение длительности тактового импульса и Но окончани;! его возвращается в пулевое состояние. Через резистор 8 сформированные по длительности и амплитуде случайные импульсы поступают на вход согласующего усилителя 9, прсдотврап,ающего влияние нагрузки на процесс переключения триггера.

Триггер чувствителен к флюктуация vl Io ступающим с усилителя 3 только в момент, когда ток через туннельные диоды во время фронта тактовых импульсов достигает 3На«сния> б>!Изкого K величине их IIIIKQBOI O тока. В этот момент полярность флюктуации, поступающей через резистор 4, и обеспечивает переключение триггера в нулевое или единичнос состояние. 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 длительностью и амплитудой тактовых импульсов.

Следует указать на эффект, достигаемый применением симметричной «пары Гото» iio сравнению с применением несимметричной

«пары Гото». При подаче тактовых импульсов в обоих случаях нарастание тока через туннельные диоды до пикового значения происходит за время t„, в течение которого папря>ксние на T)HHåëüíûõ диодах меняется мало.

После этого начинается процесс переключения триггера, который характеризуется скачкообразным изменением напряжения на туннельных диодах. Напряжение в точке «входвыход» триггера на несимметричной «паре

Гото», используемой в известном устройстве, за врсм5! 1> !1змсн5!стс51 0Т пу 151 до I .211ря>кса

1>)

2;) . >

30 з.>

1 l i i 5i HOBBY lio.1!>т-:l LI HcjHH!If кар а к С1)исти к!! ТД

t. =-=-0,15 в. Б резус!! Ите скачок этого напряж !11151 в из13сстн031 устройстве вызывает протекание тока !срез резисторы, связывающие

1рнггср со вход11ым l! выходным усилителями.

При!ем этот ток протекает через верхи!1й тунНс1 ьпьlй дllод, в )3С:3у л ь1 11 те чего к пи>! алу псрсклю icHil51 нссиммстрия «пара Гото» оказывается разбалансированной. Это приводит к увеличеншо погрсшностп равновероятности. В описываемом устройстве поскольку оба такT0BBlx импульса нарастают синхронно, то напряжение 13 точке «вход-Bbix03» триггера остается равным нугио и течение всего времени t„-.

OTcyTcTBHc изменения напряжения в общей то.кс з-1 врс5мя t; исключает влияние резистоР013, сосД!11!5110И11их TPlil гсР с с>>ммиРУ lощим и выходны H усилителями, на балансировку триггсра непосредственно перед самим перек !10«CIIHev его, в результате чсго погрешность р авновсроятностп уменьшается.

Подобным образом использование выходногo усилителя с гальваническим входом, потенциал которого Нс равен потенциалу общей шины, приводит к протеканию входного тока этоlo усилителя через триггер EI к разбалансу последнего нспосрсдстьснно перед началом переключения. Подклиочсние усилителя, потенциал входа которого равен потенциалу общей шины, к триггеру на симметричной паре как U с3атпкс, так и !3 течение времени (, не приводит к потрсблешпо входной цепью выходног0 ус!!..!!!Теля тока от триггера несмотря на наличие гальванической связи между триггеро>м и выходным усилителем. Это устраняет влпяш с последнего на балансировку триггера и способствует уменьшению погрешности равцовсроятности датчика.

Формула изобретения

Датчик случайных двоичных сигналов, содержащий источник шумового сигнала, подключенный черсз усилитель шума к триггеру па двух туниельных диодах, о тл и ч а ю щи йс 51 тем, что, с целью повышения точности поддержания равной вероятности выходных сигна10в> датчик дополнительно содержит второй

iIcT0ч!1пl И11>мового сппlала с температурным коэфф1!цпснтом нестабильности, обратным

lio знаку температурному коэффициенту нес аби 3»lIOCTH первого источника шумового сигнала, н согласующий усилитель, симметрп 1нь111 Гальванн lеcкии вход I QTopoi подключен к выходу триггера, выход второго источника шумового сигнала соединен с другим входом усилителя шума.

526871

С оста витсль В. Жов и иски й

Техред 3. Тараненко

Корректор Е. Рожкова

Редактор Н. Суханова

Типография, Ilp. Сапунова, 2

Заказ 2070/10 Изд. № 1641 Тираж 864 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений п открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская паб., д. 4,5