Генератор на шум: принцип на работа и обхват на приложение. Генератор на бял шум

Бял шум е звукът, който чувате, когато телевизорът ви е настроен на честотата на станция, която не съществува. Спектралната му плътност нараства с наклон от 3 dB/октава, така че белият шум не е подходящ като източник за тестване на аудио оборудване. Ако комбинирате източник на бял шум и филтър от 3 dB/октава, можете да получите много добро приближение на „истински“ розов шум, където мощността във всяка октава е една и съща. Например мощността в честотната лента 40...80 Hz ще бъде равна на мощността в честотната лента 10...20 kHz.

В показаната на фиг. Във верига 1 филтърът е направен с помощта на евтин операционен усилвател. Няма причина да се използват скъпи усилватели с нисък шум във верига, която е проектирана да създава шум.

Снимка 1.

Обратната предубедена връзка база-емитер на транзистора BC548 създава шума на добър ценеров диод. При стойностите, посочени в диаграмата, средното шумово напрежение в честотната лента е 30 mV. „Транзисторните ценерови диоди“ не са много надеждни, в смисъл, че тяхното пробивно напрежение може да варира, в зависимост от случая, от 5 до 10 V, въпреки че обикновено пробивното напрежение на транзисторите е някъде около 9 V. Понякога се открива, че транзисторът е шумен много слаб. В този случай просто трябва да вземете друг.

Първото стъпало на операционния усилвател действа като буферен усилвател с много висок входен импеданс, за да не натоварва източника на шум. Усилването на буферното стъпало е 11 (20,8 dB). Постоянно наляганена изхода на буферния усилвател трябва да бъде същият (или да се различава само леко) като при „транзисторния ценерови диод“.

Щифт 8 на операционния усилвател е свързан към положителния полюс на батерията, щифт 4 към отрицателния полюс. Не го бъркай, иначе ще съсипеш усилвателя.

Кондензаторите, маркирани с буквите "NP", са електролитни, неполярни. Би било възможно да се използват филмови, но те са малко скъпи за проект, който решихме да направим евтин. И са необходими неполярни кондензатори, поради непредсказуемия знак на напрежението на C4 и почти пълната липса на постоянно отклонение на C8.

Второто стъпало на усилвателя е просто филтър с линейно отклонение от 3 dB/октава в честотната лента 20 Hz...20 kHz. Филтърът превръща белия шум в розов шум, осигурявайки постоянна енергия във всяка от 10-те октави на аудио диапазона.

Поради високото напрежение на пробив на "транзисторния ценеров диод", захранващото напрежение трябва да бъде доста високо. Използваме две стандартни 9 V батерии, свързани последователно, така че общото напрежение да е 18 V. Умишлено изключихме светодиодната индикация от веригата, тъй като един светодиод консумира повече ток от останалата част от веригата.
Превключвателят на захранването трябва да е двуполюсен, за да изключите и двете батерии. Средната точка на батериите е "земята" на веригата.

Веригата може да бъде сглобена върху парче макет и поставена в подходящ пластмасов или метален корпус. Стойностите на компонентите не са критични, така че резистори и кондензатори с 5% толеранс са добри. Използването на резистори от метален филм 1% за намаляване на шума в тази верига няма смисъл. Използвайте транзистори с ниска мощност, каквито имате под ръка. Двоен оп-усилвател (или два единични) също могат да бъдат избрани почти произволно, стига да отговарят на захранващото напрежение. Но не забравяйте, че не всички микросхеми имат еднакви pinouts.

Ако имате осцилоскоп или някой, който можете да вземете назаем, уверете се, че шумовият сигнал не се ограничава от усилвателите. Това не може да се определи на ухо, а прекъсването изкривява енергийния спектър на сигнала и шумът престава да бъде розов. Ако бъде открито изрязване или подозирате, че съществува, увеличете стойностите на резисторите R3 или R4 (или двата, но не и двата). Удвояването на рейтинга намалява изходното напрежение наполовина.

По принцип има цифрови генератори на "псевдослучаен" шум, но не ги харесвам, защото имат цикличен характер, който е много забележим за ухото. В нашата схема шумът всъщност е случаен.

Фигура 2.

Фигура 2 показва предавателната характеристика на филтър с наклон от -3 dB/октава. Не е съвсем перфектно, но никога не съм виждал перфектни филтри. И това, което имаме, е повече от достатъчно за повечето цели. Лек спад в ниски честоти, поради кондензатор C7 и изходния кондензатор на филтъра, всъщност е малко по-голям от показания на графиката, но грешката не надвишава 1 dB в целия диапазон аудио честоти.

Използване на генератор на шум

Свържете генератора към предусилвателя и постепенно увеличете звука до нормално ниво на речта. Това ще бъде приблизително 65 dB. Слушайте внимателно, търсейки характеристики в звука, като нисък шум или точки, където сигналът изчезва, или нещо, което просто не звучи като чист шум. Вероятно ще трябва да практикувате малко тази дейност. Ако имате графичен еквалайзер, ще бъде по-лесно да разберете как пиковете и спадовете в честотната характеристика влияят на звука.

Опитайте да чуете сигнала от генератора добри слушалкии след това през системата от високоговорители в стаята и сравнете резултатите. Може би те ще ви изненадат.

Устройството е проектирано според описанието от чужда статия. Подробна информация там. Бих искал да добавя, че устройството е проектирано да работи в нискочестотния диапазон и е източник на псевдослучаен шум за проверка, настройка и измерване на параметрите на акустично оборудване. За разширяване на възможностите е добавен режим на генериране на бял шум. Поради ниската консумация на устройството се използва автономна батерия.

Характеристики на устройството

• Захранващо напрежение - 12-3,5 волта
• Консумиран ток при 9 волта - 5 mA
• Параметри на розовия шум: изходно напрежение RMS - 0.2 V, пиково - 1 V
• Параметри на белия шум: изходно напрежение RMS - 1,5 V, пиково - 2 V

Когато захранващото напрежение намалява, тактовата честота на устройството пада, което води до намаляване на спектралната плътност на шума на изхода. Генераторът не искаше да работи според оригиналната схема, преминавайки в неконтролирано възбуждане при 3 MHz, така че следната схема беше получена чрез научно пробиване:

Към него е добавен и превключвател за вида на шума, което се постига чрез изключване на ladder филтъра, който създава roll-off от 3 dB/октава, а вместо него се включва допълнителен резистор, който формира напрежение делител, който предотвратява претоварване на изходния усилвател. В спектрограмите по-долу можете да видите сравнение между референтния генератор и самоделния. Кликнете за уголемяване.

Референтният генератор има преобръщане в края на обхвата, докато лентата на домашния генератор се простира до 150 kHz без преобръщане в случаи на бял шум. Всички нередности и кривини се отнасят само за компютъризиран спектрален анализатор; при нормално устройство лентата на белия шум е равномерна и за двата генератора, целта на тези графики е да сравнят генераторите един с друг, както виждате, те практически съвпадат.

Готовото устройство се поставя в алуминиева кутия от компютърни боклуци, изходните клеми не са запоени на снимката.

Акустичният генератор е устройство, което е предназначено да предизвиква смущения на места, където се провеждат тайни преговори. Акустичният генератор генерира "бял" шум в целия аудио честотен диапазон. Предаването на акустични вибрации се извършва, като правило, от пиезоелектрични вибратори и акустични високоговорители. Диаграмата по-горе се използва за работа на закрито.

Основни технически характеристики
Аудиочестотен диапазон 100 ... 15 000 Hz,
Максимална изходна мощност 15 W,
Захранване 220 V 50 Hz, Консумирана мощност не повече от 20 W

Схематичната диаграма на генератор на акустичен бял шум се основава на транзистор VT1 и използва шума, възникващ в емитерния преход. Полученият сигнал ще бъде случаен и хаотичен по честота и амплитуда.

След това хаотичният сигнал се усилва от транзистора VT2 и операционния усилвател U1. От изхода на микросхемата на операционния усилвател сигналът се насочва към високоговорителите на компютъра.От същия изход U1 сигналът се подава към 2 пътя.

Нискочестотният усилвател за вибратори е изграден по типична схема за свързване TDA2030. Препоръчително е да го инсталирате на радиатора.

Захранването на акустичния генератор на бял шум е направено според класическия дизайн на биполярен стабилизатор на напрежение, но по-мощен, така че устройството може да се използва в големи помещения или зали. Транзисторите VT4 и VT3 трябва да бъдат поставени на радиатори.

Конвенционалните електромагнитни телефони могат да се използват като електромеханични преобразуватели. Но медните таблетки трябва да бъдат запоени върху техните мембрани, като горният ръб трябва да е на нивото на капака. По отношение на ефективността тези „съветски“ телефони са най-добрите. Можете също така да вземете конвенционални електромагнитни релета или пиезоелектрични излъчватели, но това значително ще усложни дизайна на излъчвателите.

Следната генераторна схема създава електромагнитни радиосмущения в ефира в диапазона 30 MHz - 1 GHz. Освен това този аматьорски радиодизайн може да се използва за блокиране на активирането на радиобъгове от дистанционно, защото засяга входните вериги на приемника за дистанционно управление.

Този любителски радиодизайн използва класическа верига за генератор на радио шум. Ето защо смятам, че описание не е необходимо, но трябва да обърнете внимание на факта, че транзисторите VT1-VT4 трябва да бъдат инсталирани на радиатори. Вместо резистори R1 и R2 можете да поставите такъв с номинална стойност 4,7 ома и мощност 10 W.

Консумацията на ток на веригата на автоосцилатора за създаване на радиосмущения е 300 милиампера. Всички транзистори трябва да бъдат монтирани върху алуминиева плоча или радиатор. Намотките L1-L3 се навиват с тел с диаметър 0,15-0,25 върху резистор MLT-0,25, приблизително 17 оборота всеки. Този дизайн може да бъде поставен в корпус на хартиен кондензатор.Тази схема заглушава приемници и предаватели с честоти до 150 мегахерца.

Този заглушител на FM диапазона и малко повече някъде до 200-300 MHz работи много ефективно. Обхватът е около 50-70 метра и практически не изисква настройка.

Индуктори: L1 -2 оборота 0,45 mm на дорник 4 mm; L2, L5 - 16 навивки PELSHO 0.3 mm върху феритни пръстени 8*4*2; L3 - 5 навивки по 0,45 мм на дорник 4 мм, L4 - 2 навивки по 1 мм на дорник 8 мм, L6 - три навивки по 0,45 на дорник 4 мм; L7 - половин оборот 0,8 мм на дорник 4 мм; L8 - 45 навивки от 0,5 mm върху парче вътрешна изолация от коаксиала, дължина на намотката 23 mm; L9 - 4 навивки от 0,45 mm на дорник 4 mm; L10 - 1 оборот на дорник 5 мм, L11 - 23 оборота 0,5 мм върху парче вътрешна изолация от коаксиала; Транзистор Т1 - КТ368

Предложените схеми на прости заглушители са предназначени за локално потискане на сигнали от телевизионни приемници и FM радио диапазон. С тези параметри на устройството чрез завъртане на тримера можете да създавате шум със смущения от всеки телевизионен канал или всяка друга носеща честота. Устройството е заглушено някъде на разстояние 10-15 метра.

Индукторът L1 съдържа 10 навивки от медна жица с диаметър един mm върху рамка от 10 mm (с кран от средата). Тримерът по принцип не е необходим. Завинтваме индуктор L2 към резистор MLT 0,5 с номинална стойност 100 ома, проводник 0,1 mm и около 100 оборота.

Когато сглобявате, имайте предвид, че контурната намотка L1 не трябва да бъде разположена на същата ос като индуктор L2 и трябва да бъде на разстояние от 2 cm или повече. Антената е парче медна жица с дължина 20-40 см.

Веригата на генератора на бял шум се състои от два генератора с контролирано напрежение и е направена на домашна микросхема 531GG1. Един генератор работи постоянно при относително ниска честота, полученият сигнал се изпраща към контролния вход на друг генератор, който работи при висока честота 20-70 MHz в зависимост от входното напрежение.

Схемата на генератора на шум е класическа, но въпреки своята простота се използва във фабрично произведени генератори на шум. Дизайнът на устройството използва регулируемо захранване, което променя захранването на генератора от 1,5 V до 18 V при ток до 2A. Това е необходимо за оптимизиране на мощността. Устройството трябва да се регулира с помощта на полеви индикатор, като същевременно се измерва консумацията на ток, която не трябва да надвишава 2А. За настройка се използват и тримерни резистори VR2, VR3. За да регулирате равномерността на спектъра, препоръчително е да използвате спектрален анализатор. Имайте предвид, че е необходимо да се приложи принудително въздушно охлажданеи възможно най-голям радиатор.

Диапазонът на този акустичен генератор е от стотици kHz до 1 GHz. Не изисква никаква настройка и започва да работи веднага. Има два изхода - нормален (MiddleOut) и висок.Използването на мощен изход увеличава консумацията на ток и нагряването на елементите. Строго се изисква принудителен въздушен поток с вентилатор.

Източникът на шум в този акустичен генератор е ценеров диод VD1 тип KS168, който работи в режим на лавинен пробив дори при ниски токове. Токът, преминаващ през ценеровия диод в този дизайн, е около 100 μA. Шумът се отстранява от катода на ценеровия диод и преминава през кондензатор C1 към инвертиращия вход на операционния усилвател DA1 на микросхемата KR140UD1208. Обратният - неинвертиращ вход на операционния усилвател получава преднапрежение, което е равно на половината от захранващото напрежение от делителя на напрежението. Делителят е изграден върху резистори R2 и R3. Режимът на работа на операционния усилвател зависи от стойността на резистора R5, а усилването се вкарва от резистора R4. От натоварването на операционния усилвател, чиято роля в тази схема се играе от резистора R6, усиленото шумово напрежение се подава към усилвателя на мощността DA2 на универсалния чип K174XA10. От своя изход шумовият сигнал преминава през кондензатор C4 към високоговорител B1. /p>

Задаваме нивото на шума с променлив резистор R6. Zener диод VD1 генерира шум в честотния диапазон от херца до десет мегахерца. Ако K174XA10 не е наличен, можете да използвате всеки UNG, основното е, че има широк диапазон от работни честоти.

Генераторът на цифров бял шум е временен случаен процес, близък по своите свойства до процеса на физическия шум и се нарича псевдослучаен процес. Цифрова последователност от двоични символи в цифровите генератори на акустичен шум се нарича псевдослучайна последователност, която е поредица от правоъгълни импулси с псевдослучайна продължителност и интервали между тях.

Генераторът на шум е направен на цифрови чипове: осембитов регистър за смяна на чипа K561IR2, суматор по модул 2 (DD2.1), тактов генератор (DD2.3, DD2.4) и тригерна верига (DD2.2), на чипа K561LP2.

Тактовият генератор на DD2.3 и DD2.4 е изграден по мултивибраторна схема. От неговия изход с честота на повторение около 100 kHz, поредица от правоъгълни импулси пристига в регистрите за смяна DD1.1 и DD1.2, образувайки 8-битов регистър за смяна. Когато се подаде захранване, регистрите може да са в състояние, при което всичките им изходи са ниски. Тъй като появата на нулева комбинация в регистрите е забранена, във веригата се въвежда схема за стартиране на генератора на елемент DD2.2. Когато захранването е включено, DD2.2 произвежда единица на изхода си, която ще прехвърли регистъра от нулева стойност. Генерираният псевдослучаен сигнал се премахва от осмия бит на регистъра за смяна и преминава към усилвателя и емитера. Напрежението в захранването може да бъде в диапазона от 3 до 15 V.

При разработването на радиолюбители се използват CMOS микросхеми от серия 561; ако не са налични, те могат да бъдат заменени с микросхеми от серия K564, K1561 или дори K176. Когато използвате серия 176, захранващото напрежение трябва да бъде девет волта.

Правилно свързаният и сглобен цифров акустичен генератор не изисква настройка. Промяна тактова честотаМожете да промените обхвата на "бял шум" и интервала между спектралните компоненти.

В генератор на резистивен бял шум, EMF се появява поради повишаване на температурата на проводимия слой на резистора, който се нагрява от постоянен ток, протичащ през филтъра, който се прави на индуктор L1 и кондензатор C2. Протичащият ток може да се промени чрез завъртане на променливия резистор R2.

Конструктивно радиолюбителското изобретение е изпълнено в правоъгълен корпус от фибростъкло, с подвижен капак. . На предния панел има копче резистор R2 със скала.

Дросел L1 - 15 навивки тел с диаметър 0,6 mm, навити на дорник с диаметър 4 mm.

Писна ми да паркирам някакви неразбиращи шофьори в цветна леха близо до къщата. Има прост и законен начин да им дадете урок, а именно: събирайте проста диаграмазаглушители на автомобилни аларми. И след това автомобилът, намиращ се в обхвата на устройството, няма да може да бъде настроен или премахнат от алармената система.

Генератор на полупроводников шум е диод, който в определен режим на работа може да се използва като източник на шум в определен честотен диапазон.

Принципът на работа на генераторите на шум се основава на свойствата на лавинообразното разпадане на диодния преход. В началния стадий на лавинообразния срив процесът на ударна йонизация се оказва нестабилен: възниква ударна йонизация, прекъсва се и се появява отново в онези преходни точки, където в момента има достатъчна напрегнатост на електрическото поле. Резултатът от произволно неравномерно генериране на нови носители на заряд по време на ударна йонизация е шум, който е характерен за определен диапазон от токове. При работа на устройства като ценерови диоди, например, шумът е вредно явление. Ето защо диапазонът от токове, съответстващ на шума, е изключен от диапазона на работните токове на ценерови диоди.

По този начин диодите с обратно отклонение могат да се използват като генератори на шум в диапазона на обратните токове от минималния (\(I_(сонда мин)\)) до максималния (\(I_(сонда макс)\)) ток на пробив, където наблюдава се най-голям интензитет на електрическите флуктуации.

Параметрите на генераторите на шум са в много отношения подобни на параметрите на ценерови диоди. Най-специфичните са три характеристики, които описват свойствата на генерирания от устройствата шумов сигнал и зависимостта му от колебанията в температурата на устройството.

Спектрална плътност на шума(\(S_sh\)). От теорията на сигнала е известно, че спектралната плътност е една от най-важните характеристики на всеки сигнал. За целите на измерването т.нар “бял шум”, такъв сигнал има постоянна спектрална плътност на всички честоти. Полупроводниковите генератори на шум позволяват да се получи такава характеристика в определен честотен диапазон. Параметър спектрална плътност на шума(\(S_w\)) на полупроводниково устройство се изразява като ефективната стойност на шумовото напрежение, отнесено към лента от 1 Hz, при даден ток на пробив и в определен честотен диапазон. В генераторите на полупроводников шум и най-често срещаните ценерови диоди стойностите на \(S_sh\) са в диапазона от 3...30.

Честота на прекъсване на равномерността на спектъра(\(f_(gr)\)). При реалните полупроводникови генератори на шум спектралната плътност на генерирания шум е постоянна само в определен честотен диапазон. С увеличаване на честотата стойността му постепенно намалява. Най-високата честота на спектъра, при която отрицателното отклонение на спектралната плътност на шума не надвишава дадена стойност (при даден ток на пробив), се нарича гранична честота на равномерността на спектъра(\(f_(gr)\)). В типичните устройства стойността \(f_(gr)\) е в диапазона от 1...4 MHz.

Среден температурен коефициент на спектрална плътност на шума(\(\alpha_(S_ш)\)). Обратният ток, предшестващ лавинен срив, и пробивното напрежение по време на лавинен срив нарастват с повишаване на температурата. В резултат на това областта на характеристиката ток-напрежение, съответстваща на най-високия интензитет на шума, се измества с температурни промени към областта на високи токове и напрежения. Тези. в режим на стабилен ток, спектралната плътност на генерирания шум също ще се промени с промяна в температурата. Тази промяна се характеризира със специален коефициент, наречен температура коефициент на спектрална плътност на шума(\(\alpha_(S_ш)\)). Изразява се като съотношението на относителната промяна в спектралната плътност на шума за даден работен температурен диапазон към абсолютната промяна в температурата на околната среда при постоянен ток. Знакът и стойността на температурния коефициент на спектралната плътност на шума могат да бъдат различни при различни токове.

Диаграмата, показана на фиг. 1 е реализация на генератора на розов шум (шум от трептене), описан в NBS Technical Note #604, „Ефективна числена и аналогова симулация на процеси на шум от трептене“, от J.A. Барнс и Стивън Джарвис. При посочените в диаграмата параметри на компонентите, на изхода му ще има равномерно намаляващ шум със спектрална плътност 1/f при честоти от по-малко от един херц до повече от четири килохерца. Веригата използва операционен усилвател TLC2272, въпреки че могат да се използват други операционни усилватели с висок входен импеданс и ниско ниво на шума. Усилвателят трябва да има ниско ниво на токов шум, тъй като веригата използва резистор R3 с относително висока стойност, който се използва за генериране на бял шум с амплитуда 50 nV. Изберете операционен усилвател с шумово напрежение по-малко от 15 nV√Hz и шумов ток под 0,1 pA√Hz, като и двата са налични в много съвременни операционни усилватели. Стойностите на кондензатора се различават леко от изчислените стойности в горния документ, за да се опрости дизайна и се прилага отклонение във веригата, за да се позволи използването на електролитни кондензатори. Електролитните кондензатори трябва да се избират внимателно, тъй като много алуминиеви електролитни кондензатори имат много близки допуски.

Ориз. 1. Схема на генератор на розов шум.

За разлика от веригите за генериране на шум, използващи ценерови диоди, транзистори с обратно отклонение и други устройства, генериращи шум, тази схема произвежда предсказуемо и повторяемо изходно ниво. Ако премахнете сигнала от изхода на усилвателя DA1.1 през кондензатор от 100 µF по същия начин като втория етап, можете да получите удобен и точен източник на бял шум със стойност от 5 µV√Hz, честотите от които се намират в обхвата на аудиочестотите, такъв източник Перфектен за калибриране при измерване на аудио шум. За да приложите напрежение от 2,5 V към този допълнителен кондензатор, ще трябва да добавите резистор от около 30 MΩ между +5 V захранване и положителния вход на първия операционен усилвател DA1.1. Ако няма резистор с високо съпротивление, тогава можете да използвате делител на напрежение 100 kOhm + 460 Ohm, свързан към източника +5 V и общия проводник и шунтиран с кондензатор. Долният извод на резистора R3 трябва да бъде свързан към този разделител. Ако се използва танталов кондензатор, не е необходимо да се използва преднапрежение, тъй като този тип кондензатор може да работи при нулево отместване(освен това може да издържи обратно напрежение, не повече от 10% от работното напрежение). Към схемата може да се добави сумиращ усилвател, комбиниращ бял шум от изхода на първия операционен усилвател и трептящ шум от изхода на веригата, което ще позволи симулиране на различни шумови устройства и системи. Два входа на сумиращия усилвател ви позволяват независимо да регулирате нивата на бял и розов шум на изхода.