Генератор шума: принцип действия и область применения. Генератор белого шума

Белый шум - это звук, который вы слышите, когда телевизор настроен на частоту несуществующей станции. Его спектральная плотность растет с крутизной 3 дБ/октава, поэтому белый шум не годится в качестве источника для тестирования аудиоаппаратуры. Если же объединить источник белого шума и фильтр с крутизной спада 3 дБ/октава, можно получить очень хорошее приближение к «настоящему» розовому шуму, когда мощность в пределах каждой октавы будет одинакова. Например, мощность в полосе частот 40…80 Гц будет равна мощности в полосе частот 10…20 кГц.

В показанной на рис. 1 схеме фильтр сделан на недорогом ОУ типа . Нет никаких оснований использовать дорогие малошумящие усилители в схеме, которая предназначена для того, чтобы шуметь.

Рисунок 1.

Смещенный в обратном направлении базо-эмиттерный переход транзистора BC548 шумит как хороший стабилитрон. При указанных на схеме номиналах, среднее шумовое напряжение в полосе частот равно 30 мВ. «Транзисторные стабилитроны» не слишком надежны, в том смысле, что напряжение пробоя у них может варьировать, в зависимости от экземпляра, от 5 до 10 В, хотя обычно пробивное напряжение транзисторов находится где-то около 9 В. Иногда обнаруживается, что транзистор шумит очень слабо. В таком случае, надо просто взять другой.

Первый каскад ОУ выполняет роль буферного усилителя с очень высоким входным сопротивлением, чтобы не нагружать источник шума. Усиление буферного каскада равно 11 (20.8 дБ). Постоянное напряжение на выходе буферного усилителя должно быть таким же (или отличаться совсем ненамного), как на «транзисторном стабилитроне».

Вывод 8 ОУ подключается к положительному полюсу батареи, вывод 4 - к отрицательному. Не перепутайте, а то погубите усилитель.

Маркированные буквами «NP» конденсаторы - электролитические, неполярные. Можно было бы применить и пленочные, но они дороговаты для проекта, который мы решили сделать дешевым. А конденсаторы нужны именно неполярные, из-за непредсказуемого знака напряжения на C4 и практически полного отсутствия постоянного смещения на C8.

Второй каскад усилителя - это как раз фильтр с линейным спадом 3 дБ/октава в полосе частот 20 Гц…20 кГц. Фильтр превращает белый шум в розовый, обеспечивая постоянство энергии в каждой из 10 октав звукового диапазона.

Из за высокого пробивного напряжения «транзисторного стабилитрона», напряжение питания приходится делать достаточно высоким. Мы используем две стандартные батарейки по 9 В, включенные последовательно так, что суммарное напряжение равно 18 В. Светодиодную индикацию мы намеренно исключили из схемы, так как один светодиод потребляет тока больше, чем вся остальная схема.
Выключатель питания должен быть двухполюсным, чтобы отключать обе батареи. Средняя точка батарей является «землей» схемы.

Схему можно собрать на куске макетной платы и поместить в подходящий пластмассовый или металлический корпус. Номиналы компонентов некритичны, поэтому вполне подойдут резисторы и конденсаторы с допуском 5%. Использование металлопленочных 1% резисторов для снижения уровня шума в этой схеме лишено всякого смысла. Транзисторы используйте маломощные, любые, какие есть под рукой. Сдвоенный ОУ (или два одиночных) тоже могут выбираться практически произвольно, лишь бы они подходили по напряжению питания. Но не забывайте, что не у всех микросхем цоколевки совпадают.

Если у вас есть осциллограф, или есть, у кого его взять на время, убедитесь, что шумовой сигнал не обрезается усилителями. На слух это не определить, а отсечка искажает энергетический спектр сигнала, и шум перестает быть розовым. Если отсечка обнаружена, или у вас есть подозрение, что она существует, увеличьте номиналы резисторов R3 или R4 (любого, но не обоих сразу). Увеличение номинала вдвое уменьшает выходное напряжение наполовину.

В принципе, существуют цифровые генераторы «псевдо случайного» шума, но мне они не нравятся, так обладают цикличностью, очень заметной на слух. В нашей же схеме шум на самом деле случайный.

Рисунок 2.

На Рисунке 2 показана передаточная характеристика фильтра с наклоном -3 дБ/октава. Она не вполне совершенна, но идеальных фильтров я никогда и не встречал. А того, что получилось, более чем достаточно для большинства целей. Небольшой спад на низких частотах, обусловленный конденсатором C7 и выходным конденсатором фильтра, реально чуть больше, чем изображено на графике, но ошибка не превышает 1 дБ во всем диапазоне звуковых частот.

Использование генератора шума

Подключите генератор к предусилителю и постепенно увеличивайте громкость до уровня спокойной речи. Это будет примерно 65 дБ. Внимательно слушайте, стараясь обнаружить какие-то особенности звука, как например, низкий шум, или наличие точек, в которых сигнал исчезает, или же что-то, что просто не похоже на чистый шум. Вероятно, вам придется немного попрактиковаться в этом занятии. Если у вас есть графический эквалайзер, вам будет проще понять, как влияют на звук пики и провалы частотной характеристики.

Попробуйте прослушать сигнал генератора в хороших наушниках, а затем через акустическую систему в комнате, и сравнить результаты. Возможно, они удивят вас.

Устройство сконструировано по описанию из зарубежной статьи. Подробная информация там же. От себя добавлю что прибор рассчитан на работу в низкочастотном диапазоне и является источником псевдослучайного шума для проверки, настройки и измерения параметров акустической аппаратуры. Для расширения возможностей был добавлен режим генерации белого шума. В связи с малым потреблением прибора используется автономное питание от батареи.

Характеристики прибора

• Напряжение питания - 12-3,5 вольт
• Потребляемый ток при 9 вольтах - 5 мА
• Параметры розового шума: выходное напряжение среднеквадратичное - 0.2 В, пиковое - 1 В
• Параметры белого шума: выходное напряжение среднеквадратичное - 1.5 В, пиковое- 2 В

При снижении напряжения питания падает тактовая частота прибора, что влечет к уменьшению спектральной плотности шума на выходе. Генератор по оригинальной схеме работать не захотел, уходя в неконтролируемый возбуд на 3 МГц, поэтому методом научного тыка была получена следующая схема:

В нее также добавлен переключатель вида шума, достигается это за счет отключения лестничного фильтра который создает спад 3 дб/октава, а заместо него подключается дополнительный резистор который образует делитель напряжения предотвращающий перегрузку выходного усилителя. На приведенных ниже спектрограммах можно наблюдать сравнение эталонного генератора и самодельного. Клик для увеличения.

Эталонный генератор имеет завал в конце диапазона, при этом полоса самодельного генератора простирается до 150 кГц без завала, в случаи белого шума. Все неровности и кривизна относятся только к компьютеризированному спектроанализатору, на нормальном приборе полоса белого шума ровная у обоих генераторов, задача этих графиков сравнить генераторы между собой, как видно они практический совпадают.

Готовый прибор размещен в алюминиевой коробочке от компьютерного хлама, на фото не подпаяны выходные клеммы.

Акустическим генератором называется устройство которое предназначено для наведения помех в местах которых проводятся секретные переговоры. Акустический генератор формирует "белый" шум во всем диапазоне звуковой частоты. Передача акустических колебаний осуществляется, как правило, пьезоэлектрическими вибраторами и акустическими колоноками. Схема приведенная выше используется для работы внутри помещения.

Основные технические характеристики
Диапазон звуковых частот 100 ... 15 000 Гц,
Максимальная мощность выходного сигнала15 Вт,
Питание 220 В 50 Гц, Потребляемая мощность не более 20 Вт

Принципиальная схема акустического генератора белого шума построена на транзисторе VT1 и использует шумы возникающие в эмиттерном переходе. Полчаемый сигнал будет случайным и хаотическим по частоте, и амплитуде.

Далее хаотический сигнал усиливается транзистором VT2 и операционным усилителем U1. С выхода микросхемы ОУ предусмотрена отводка сигнал на компьютерные колонки, С этого же выхода U1 сигнал поступает на 2 тракта.

Усилитель низкой частоты для вибраторов построен по типовой схеме включения TDA2030. Ее желательно установить на радиатор.

Блок питания акустического генератора белого шума выполнен по классической схема двуполярного стабилизатора напряжения, но более мощного, для возможности применения устройства в больших помещениях или залах. Транзисторы VT4 и VT3 обязательно нужно поставить на радиаторы.

В качестве электромеханических преобразователей можно применить обычные электромагнитные телефоны. Но на их мембраны следует напаять медные таблетки из расчета, что верхний край должен находиться на уровне крышки. По степени отдачи, эти "советские" телефоны являются лучшими. Также можно взять обычные электромагнитные реле или пьезоэлектрические излучатели, но это сильно усложнит конструкцию излучателей.

Следующая схема генератора создает электромагнитные радиопомехи в радиоэфире в диапазоне 30 МГц - 1 ГГц. Кроме того эту радиолюбительскую конструкцию можно использовать для блокирования включения радио жучков с дистанционным управлением, т.к воздействует на входные цепи приемника ДУ.

В этой радиолюбительской конструкции использована классическая схема шумового генератора радио диапазона. Поэтому думаю описание не нужно, но следует обратить ваше внимание, что на транзисторы VT1-VT4 нуджно установить на радиаторы. Вместо резисторов R1 и R2 можно поставить один номиналом 4,7 Ома мощностью 10 Вт.

Ток потребления схемы автогенератора для создания радиопомех составляет 300 миллиампер. Все транзисторы необходимо закрепить на алюминиевой пластине или радиаторе. Катушки L1-L3 наматываются проводом диаметром 0,15-0,25 на резистор МЛТ-0,25 примерно по 17 витков. Эту конструкцию можно расположить в корпусе бумажного конденсатора.Эта схема глушит приемники и передатчики с частотой до 150 мегагерц.

Эта глушилка FM диапазона и чуть больше где-то до 200-300 МГц работает очень эффективно. Радиус действия около 50-70 метров, в настройке практически не нуждается.

Катушки индуктивности: L1 -2 витка 0,45 мм на оправке 4мм; L2, L5 - 16 витков ПЭЛШО 0,3 мм на ферритовых кольцах 8*4*2; L3 - 5 витков 0,45 мм на оправке 4мм, L4 - 2 витка 1мм на оправке 8мм, L6 - три витка 0,45 на оправке 4 мм; L7 - пол витка 0,8 мм на оправке 4 мм; L8 - 45 витков 0,5 мм на куске внутренней изоляции от коаксиала, длина намотки 23 мм; L9 - 4 витка 0,45 мм на оправке 4 мм; L10 - 1 виток на оправке 5мм, L11 - 23 витка 0,5 мм на куске внутренней изоляции от коаксиала; Транзистор T1 - КТ368

Предлагаемые схемы простых глушилок предназначены для локального подавления сигналов телевизионных приемников и FM радио диапазон. При данных параметрах устройств, вращением подстроечника можно зашумить помехами любой ТВ канал или любую другую несущую частоту. Глушит прибор где-то на расстоянии 10-15 метров.

Катушка индуктивности L1 содержит 10 витков медного провода диаметром один мм на каркасе 10 мм (с отводом от середины). подстроечник в принципе не обязателен. Дроссель L2 накручиваем на резистор МЛТ 0,5 номиналом 100 Ом, провод 0,1 мм и около 100 витков.

При сборке учитывайте, что контурная катушка L1 не должна располагаться на одной оси с дросселем L2 и должна находиться на расстоянии 2 см и более. Антенна отрезок медного провода длиной 20-40 см.

Схема генератора белого шума состоит из двух генераторов, управляемых напряжением и выполнена на отечественной микросхеме 531ГГ1. Один генератор работает постоянно на относительно низкой частоте, полученный сигнал поступает на управляющий вход другого генератора, который работает на высокой частоте 20-70 МГц в зависимости от входного напряжения.

Схема шумогенератора - классическая, но несмотря на простоту, она применяется в шумогенераторах заводского изготовления. В конструкции устройства используется регулируемый блок питания, изменяющий питание генератора от 1.5 V до 18 V при токе до 2А. Это необходимо для оптимизации выходной мощности. Регулировку устройства нужно осуществлять с использованием индикатора поля, измеряя при этом ток потребления, который не должен превышать 2А. Также для регулировки используются подстроечные резисторы VR2, VR3. Для регулировки равномерности спектра желательно использовать анализатор спектра. Заметим, что нужно обязательно применять принудительное воздушное охлаждение и радиатор максимально большого размера.

Диапазон этого акустического генератора от сотен кГц до 1 ГГц. В настройке он не нуждается и начинает работать сразу. Имеет два выхода - обычной (MiddleOut) и высокойИспользование мощного выхода увеливает потребляемый ток и разогрев элементов. Принудительный обдув ветилятором строго обязателен.

Источником шума в этом акустическом генераторе является стабилитрон VD1 типа КС168, который работает в режиме лавинного пробоя даже при небольших токах. Сила тока проходящего через стабилитрон в этой конструкции около 100 мкА. Шум снимается с катода стабилитрона и через конденсатор С1 проходит на инвертирующий вход операционного усилителя DA1 на микросхеме КР140УД1208. На противоположный - неинвертирующий вход ОУ поступает напряжение смещения, которое равно половине напряжения питания с делителя напряжения. Делитель построен на резисторах R2 и R3. Режим работы операционного усилителя зависит от номинала резистора R5, а коэффициент усиления вставляется резистором R4. С нагрузки ОУ, роль которой в данной схеме выполняет резистор R6, усиленное напряжение шума поступает на усилитель мощности, DA2 на универсальной микросхеме К174ХА10. С ее выхода шумовой сигнал через конденсатор С4 проходит на громкоговоритель В1. /p>

Уровень шума задаем переменным резистором R6. Стабилитрон VD1 генерирует шум в диапазоне частот от герц до десяти мегагерц. В случае отсутствия К174ХА10 можно применить любой УНГ, главное чтоб у него был широким диапазоном рабочих частот.

Цифровой генератор белого шума это временной случайный процесс, близкий по своим свойствам к процессу физических шумов и его называют псевдослучайным процессом. Цифровой последовательностью двоичных символов в цифровых акустических генераторах шума называют псевдослучайной последовательностью, которая представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с псевдослучайной длительностью и интервалами между ними.

Генератор шума выполнен на цифровых микросхемах: восьмиразрядный регистр сдвига на микросхеме К561ИР2, сумматор по модулю 2 (DD2.1), тактовый генератор (DD2.3, DD2.4) и цепь запуска (DD2.2), на микросхеме К561ЛП2.

Тактовый генератор на DD2.3 и DD2.4 построен по схеме мультивибратора. С его выхода с частотой следования около 100 кГц последовательность прямоугольных импульсов приходит на регистры сдвига DD1.1 и DD1.2, образующих 8-разpядный pегистpа сдвига. При подаче питания может быть состояние регистров, когда на всех их выходах будут низкие уровни. Т.к в регистрах запрещено появление нулевой комбинации, то в схему введена цепь запуска генератора, на элементе DD2.2. При включении питания DD2.2 выдает на своем выходе единицу, которая переведет регистр из нулевого значения. Сформированный псевдослучайный сигнал снимается с восьми разряда регистра сдвига и проходит на усилитель и излучатель. Напряжение в блоке питания может быть в диапазоне от 3 до 15 В.

В радиолюбительской разработке применены КМОП микросхемы серии 561, их в случае отсутствия можно заменить на микросхемы серий К564, К1561 или даже К176. В случае использования 176 серии напряжение питания должно быть девять вольт.

Правильно распаянный и собранный цифровой акустический генератор в настройке не нуждается. Меняя тактовую частоты можно изменять диапазон "белого шума" и интервал между спектральными составляющими.

В резестивном генераторе белого шума ЭДС появляется из-за повышения температуры токопроводящего слоя резистора, который нагревается от постоянного тока, поступающего через фильтр, который выполнен на дросселе L1 и конденсаторе С2. Протекающий ток можно изменять путем подкрутки переменного резистора R2.

Конструктивно радиолюбительсое изобретение выполнено в прямоугольном корпусе из стеклотекстолита, со съемной крышкой. . На передней панели находится ручка резистора R2 со шкалой.

Дроссель L1 - 15 витков провода диаметром 0,6 мм, намотанного на оправке диаметром 4 мм.

Достала парковка отдельных непонимающих водятлов на клумбе возле дома. Есть простой и законный способ их проучить, а именно: собрать простую схему глушилки автомобильной сигнализации. И после этого машину находящуюся в радиусе действия прибора нельзя будет поставить или снять со сигнализации.

Полупроводниковый генератор шума - это диод, который в определенном режиме работы может использоваться как источник шумов в определенном диапазоне частот.

Принцип действия генераторов шума основан на свойствах лавинного пробоя перехода диода. В начальной стадии лавинного пробоя процесс ударной ионизации оказывается неустойчивым: ударная ионизация возникает, срывается, возникает вновь в тех местах перехода, где оказывается в данный момент достаточная напряженность электрического поля. Результатом случайной неравномерности генерации новых носителей заряда при ударной ионизации являются шумы, которые характерны для определенного диапазона токов. При работе таких, например, приборов как стабилитроны, шумы - явление вредное. Именно поэтому диапазон токов, соответствующий шумам, исключают из диапазона рабочих токов стабилитронов.

Таким образом, в качестве генераторов шума можно использовать обратносмещенные диоды в диапазоне обратных токов от минимального (\(I_{проб min}\)) до максимального (\(I_{проб max}\)) пробивного тока, где наблюдается наибольшая интенсивность электрических флуктуаций.

Параметры генераторов шума во многом схожи с параметрами стабилитронов. Наиболее специфичными являются три характеристики, описывающие свойства генерируемого приборами шумового сигнала и его зависимость от колебаний температуры прибора.

Спектральная плотность шума (\(S_ш\)). Из теории сигналов известно, что спектральная плотность является одной из важнейших характеристик любого сигнала. Для измерительных целей чаще всего необходим т.н. “белый шум”, у такого сигнала спектральная плотность при всех частотах постоянна. Полупроводниковые генераторы шума позволяют получить такую характеристику в определенном диапазоне частот. Параметр спектральной плотности шума (\(S_ш\)) полупроводникового прибора выражается как эффективное значение напряжения шума, отнесенное к полосе в 1 Гц, при заданном токе пробоя и в определенном диапазоне частот. В полупроводниковых генераторов шума и наиболее распространенных стабилитронах значения \(S_ш\) лежат в пределах 3...30 .

Граничная частота равномерности спектра (\(f_{гр}\)). В реальных полупроводниковых генераторах шума спектральная плотность генерируемых шумов постоянна только в определенном диапазоне частот. С увеличением частоты ее значение постепенно понижается. Наибольшая частота спектра, при которой отрицательное отклонение спектральной плотности шумов не превышает заданное значение (при заданном токе пробоя), называется граничной частотой равномерности спектра (\(f_{гр}\)). В типовых приборах значение \(f_{гр}\) лежит в пределах 1...4 МГц.

Средний температурный коэффициент спектральной плотности шума (\(\alpha_{S_ш}\)). Обратный ток, предшествующий лавинному пробою, и пробивное напряжение при лавинном пробое увеличиваются с ростом температуры. В результате участок ВАХ, соответствующий наибольшей интенсивности шумов, смещается с изменением температуры в область больших токов и напряжений. Т.е. при стабильном токовом режиме с изменением температуры будет изменяться и спектральная плотность генерируемых шумов. Такое изменение характеризуется специальным коэффициентом, называемым температурным коэффициентом спектральной плотности шума (\(\alpha_{S_ш}\)). Он выражается как отношение относительного изменения спектральной плотности шума в заданном диапазоне рабочих температур к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе. Знак и значение температурного коэффициента спектральной плотности шума могут быть различными при разных токах.

Схема, показанная на рис. 1, является реализацией генератора розового шума (фликкер-шума), описанного в технической записке NBS #604, "Эффективное Численное и аналоговое моделирование процессов фликер-шума", авторы Ж.А. Барнс и Стивен Джарвис. При параметрах компонентов, указанных на схеме, на её выходе будет присутствовать равномерно убывающий шум со спектральной плотностью 1/f на частотах от менее чем одного герца до более четырёх килогерц. В схеме применён операционный усилитель TLC2272, хотя можно использовать и другие ОУ с высоким входным сопротивлением и низким уровнем собственных шумов. Усилитель должен иметь низкий уровень токового шума, так как в схеме применён резистор R3 относительно высокого номинала, который используется для генерации белого шума амплитудой 50 нВ. Выбирайте ОУ с напряжением шума меньше 15 нВ√Гц и шумовым током менее 0,1 пА√Гц, и те, и другие параметры имеются у многих современных операционных усилителей. Значения ёмкостей конденсаторов незначительно отличаются от расчётных значений в вышеуказанном документе для упрощения конструкции и в схеме применено смещение, чтобы можно было использовать электролитические конденсаторы. Электролитические конденсаторы следует выбирать тщательно, так как у многих алюминиевых электролитических конденсаторов очень велики допуски.

Рис. 1. Схема генератора розового шума.

В отличие от схем генераторов шума с использованием стабилитронов, обратносмещённых переходов транзисторов и других устройств, генерирующих шум, эта схема даёт предсказуемый и повторяемый уровень выходного сигнала. Если снимать сигнал с выхода усилителя DA1.1 через конденсатор номиналом 100 мкФ аналогичным образом, как это сделано у второго каскада, то можно будет получить удобный и точный источник белого шума величиной 5 мкВ√Гц, частоты которого лежат в диапазоне звуковых частот, такой источник прекрасно подойдёт для калибровки при измерениях аудио шума. Для того, чтобы подать напряжение смещения величиной 2,5 В на этот дополнительный конденсатор, нужно будет добавить резистор сопротивлением около 30 МОм между источником питания +5 В и положительным входом первого ОУ DA1.1. Если нет высокоомного резистора, то можно использовать делитель напряжения 100 кОм+460 Ом, подключённый к источнику +5 в и общему проводу и зашунтированный конденсатором. К этому делителю следует подключить нижний по схеме вывод резистора R3. Если применяется танталовый конденсатор, то напряжение смещения использовать необязательно, так как этот вид конденсаторов может работать при нулевом смещении (кроме того он может выдержать и обратное напряжение, не превышающее 10% рабочего напряжения). В схему может быть добавлен суммирующий усилитель, объединяющий белый шум с выхода первого ОУ и фликкер-шум с выхода схемы, что позволит моделировать различные шумовые устройства и системы. Два входа суммирующего усилителя позволяют сделать независимую регулировку уровней белого и розового шумов на выходе.