Раздел 1

Измерительные генераторы

В общем случае генератором называют устройство, создающее на своем выходе переменное напряжение при отсутствии входных сигналов. Все генераторы для реализации своих функций используют положительную обратную связь (ПОС).

Измерительные генераторы способствуют получению информации и генерации сигнала, точнее должны вырабатывать наиболее полные модели (имитации) сигналов (реальный сигнал неизвестен). Все системы воспринимают только неопределенный (неизвестный ранее) сигнал.

Принцип измерений, основанный на применении измерительных генераторов, состоит в том, что любая система устроена таким образом, что она должна прореагировать на некоторое возбуждающее воздействие:

отклик

воздействие

ВС – внешний сигнал

С – система

И– измеритель

В процессе регистрации отклика системы на это возбуждающее воздействие, проанализировав отклик, можно получить (измерить) характеристики (параметры) исследуемой системы с помощью различного рода измерителей.

В соответствии с назначением, а также типом генерируемых сигналов генераторы группируют по следующим группам:

1) генераторы шума;

2) генераторы гармонических колебаний;

3) генераторы импульсных сигналов;

4) специальные генераторы.

§ 1.1 Генераторы шумовых сигналов

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Как у процесса у шума выделяют следующие параметры:

- динамический диапазон;

- дисперсия (определяет энергетику процесса);

- дифференциальный закон распределения (плотность вероятности);

- спектральные характеристики шума;

- корреляционные характеристики шума.

Рассмотрим графики шумовых процессов:

Стационарный случайный процесс — такой процесс, в котором в течение времени не изменяется закон распределения и ширина спектра.

Нестационарный случайный процесс — такой процесс, в котором в течение времени изменяется закон распределения и ширина спектра. (С точки зрения измерителей, нестационарный шумовой процесс это шумовой процесс, длящийся короткие промежутки времени (меньшие, чем время усреднения в измерителях)).

§ 1.1.1 Аналоговые генераторы шума

Рассмотрим структуру генератора аналогового шума:

Устройство согласования используется для согласования входного сопротивления входных цепей подключаемого внешнего устройства (усилитель и т.п.) и выходного сопротивления аттенюатора.

Желательно чтобы на выходе генератора был белый шум. Белый шум обладает равномерной спектральной плотностью от 0 до бесконечности. Все элементы структуры генератора аналогового шума должны воспринимать первичный источник шума как источник белого шума (из которого впоследствии, возможно, сформировать требуемый сигнал).

В качестве первичного источника шума используются резисторы, стабилитроны, ионные электровакуумные приборы, возможно, применять специально созданные шумовые приборы: шумовые диоды (вакуумные и газоразрядные). Каждый такой прибор создаёт весьма специфичный закон распределения и спектральную плотность шума, для последующего же использования полученного шума необходимо получить требуемую спектральную плотность и закон распределения.

Спектральную плотность шумового процесса, возможно, устанавливать и корректировать с помощью фильтров, но сформировать закон распределения он не может в принципе, так как для формирования закона распределения необходимо производить нелинейные преобразования. Закон распределения и спектральную плотность шумового процесса в аналоговом генераторе шума формирует специальное устройство — формирователь. Формирователь закона распределения и спектральной плотности имеет ограниченный динамический диапазон, который нельзя превышать во избежание искажения закона распределения, поэтому на вход формирователя подаются относительно слабые по уровню сигналы. Полученный на выходе формирователя сигнал с необходимыми характеристиками далее необходимо усилить. Усиление сигнала происходит в усилителе, при этом к нему предъявляется ряд требований:

- он должен обладать линейностью во всем динамическом диапазоне;

- полоса пропускания усилителя должна быть шире спектральной плотности шумового сигнала на выходе формирователя, с тем, чтобы сигнал не приобрел искажения в процессе усиления.

После усиления необходимо иметь возможность установить требуемый уровень выходного сигнала. Для этой цели нельзя изменять коэффициент усиления усилителя, так как нарушается ряд его характеристик в процессе перестройки, что влияет на уровень искажений сигнала им усиливаемого. Поэтому после усилителя устанавливают делитель (аттенюатор) для установки необходимого коэффициента передачи. Полоса пропускания делителя должна быть такой же что и ширина спектра шумового сигнала на выходе усилителя.

Чтобы иметь возможность контролировать уровень сигнала на выходе прибора, в генераторе устанавливают измеритель, измеряющий уровень сигнала на выходе усилителя с фиксированным коэффициентом усиления и корректирующий свой множитель шкалы в зависимости от настройки делителя, таким образом, позволяя точно измерять значения даже малых по уровню сигналов (что было бы затруднительно если измеритель подключался непосредственно после делителя, так как сигнал, поступающий в измерительное устройство, может оказаться недостаточным по уровню для нормальной работы измерителя). Устройство измерения должно минимально влиять на свойства источника информации и свойства ее получателя, поэтому оно используется совместно с согласующими устройствами (на рисунке не показаны). Измеритель может измерять не только уровень сигнала, но и другие его параметры.

Среди различных генераторов шума выделяют генераторы хаотической импульсной помехи (ХИП), которые используются как генераторы помех.

Если функция описывающая сигнал сложная, то в источнике первичного шума применяют устройства создающие шум в виде числовой последовательности — цифрового шума.

График ХИП (она формируется путем запуска схемы формирования импульсов, в случайные моменты времени, определяемые моментом превышения уровнем аналогового шума определенного порога)