Датчик случайных двоичных сигналов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ о 11 526821 Союз СоветскихСоциалистических Республик . ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) 3 м заявкиГосударственный комитет Совета Министров СССР по делам изобретений(53) УДК 681.335(088.8 юллетень32 Опубли вано 30.08.76 ткрытии а опубликования описания 15.09.76 72) Автор пзобретени В. Е. Мельникаганрогский радиотехнический институт им, В. Д, Калмыкова Заявптел ИК СЛУЧАЙНЫХ ДВОИЧНЫХ СИГНАЛО 54) 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 в ". Температурная нестабильность параметров источника внешнего шума привода к несцмметрии 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 И котором погрешность равновероятности непревышала бы допустимой величины.Целью изобретения является повышениеточности поддержания равной вероятности выходных сигналов и увеличение нагрузоч ной способности быстродействующего датчикаслучайных двоичных символов на основе двухдиодного триггера.Указанная цель достигается тем, что датчикдополнительно содержит второй источник 20 шумового сигнала с температурным коэффициентом нестабильности, ооратным по знаку температурному коэффициенту нестабильности, первого источника шумового сигналаа, 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 импуль 5268713сы поев.)югс 5 с всроятносыо олизкой и О, ) рп посупленпп очередной пары тактовьхпул ьсо в.Рассмотрим схему датчика случайных двоичных сигналов О и 1. Выходы источников 1 и 2 шумовых сигналов, представляюпих собой нормальный непрерывный шум, подключены к входам усилителя 3 шума (например, сложного эмиттерного повторителя на р-г-р) и и-р-и-транзисторах) . Выход усилителя 3 через резистор 4 подключен к входу (бистаоильного) триггера 5 на симметричной паре тулнельных 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 сивметрия плотности распределения шума относительно математического ожидания (постоянной составляощей), 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 нуля.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 соответствуощему 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 +б 0 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 одинаковьви действующими значениями шума, пробой переходов которых осуществляется напряжениями различной полярности. В рег 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 зу.ы атс суммирования шумов этих диодов, например, с помощью сложного двухвходового эмиттерного ювторителя па р-и-р и и-р-а транзисторах формируется шум с нулевым коэффициентом асимметрии и определенном температурном диапазоне. Это объясняетс 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 отрицательпых - 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 отрицательных флюктуаций, чтобы не нарушать симметрию плотности распределения выходного шума, который через резистор 4 поступает на триггер 5.Особенностяо триггера 5 на симметричной паре Гото является использование двух парафазных 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 несоздавать 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 6 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 помощьюусилитсл 51 3. РсзугьНру 101 ци Сг 311 роцесс также имеет пормальш)с распре)Слснс амплитуд флюктуаций, Усигсый;и току этого процесс через резистор 4 поступает ня вход триггера 5. Если при поступлении тактовых импульсов и достижении знячсни Гок через тупнельные диоды, рпмсрпо равного их пиковому значению, с выхода усиди) еля 3 вступает флюктуация по ОжтельОй полярности, то в высоковольтное состояние псрскл 10- чается нижний ТД и на иходе трпггсра оявляется импульс положитсл)пи)й полярности, соответствующий 1. Если при подаче тактовых импульсов через резистор 4 поступает флюктуация отрицательной полярности, то В высоковольтное состояние переключается верхний ТД и на выходе триггера появляется импульс отрицательной полярности, соответствующий 0. В том или ином состоянпитриггср находится в течение длительности тактового импульса и по окончани;1 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 флюктуациям, вступающим с усилителя 3 только в момент, когда ток через туннельные диоды Во время фронта тактовых импульсов достигает значсни 51, бизкого к Всличинс их 11 икового ТОя. В этот момент полярность флюктуации, поступающей через резистор 4, и обеспечивает переключение триггера в нулевое или единичнос состо 51 ние. По окончан 5 и 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 сравнению с применением несимметричной пары Гото, При подаче тактовых импульсов в обоих случаях нарастание тока через туннельные диоды до пикового значения происходит за время , в течение которого напряжение на туннельных диодах меняется мало. После этого начинается процесс перскл 01 С- ния триггера, который характеризуется скачкообразным изменением напряжения на туннельных диодах. Напряжение в точкс вход- выход триггера на несимметричной наре Гото, используемой в известном стройстве, за ВРс 5Нзмсн 51 стс 51 От ИУл 51 до наР 51)кс 10 1.) 2) ) 30 з.) 40 4,) 50 Э 5 1 Ья и).1 ьт-:.1 с)О хараксристик ГД 1, ==-0,15 В. Б рсутВт 1 тс с:,ячо. этого напряжсИя В звсстном устройстве вызывает протекание тока через резисторы, связывающиериггср со входымияходным усилителями. Причем эОт ток протекает через Верхий тун- СЛЬЫй ДОД, В РС;УЛЬТ 11 ТС ЧСГО К ИаЯЛУ Псрскл 10 сп 5 сси сри 5 и Яр Я Гото ОказыВЯ- ется разоалансированной. Это приводит к увеличеншо погрсшности равновероятности. В описываемом устройстве поскольку оба тактовых импульса нарастают синхронно, то напряжение В точке Вход-выход триггера остается равным нугпо В тсчснпс всего времени Ь Отсутст 1 С изменения напряжения в общей точке за Врс 5 мя 1; палючаст влияние резисто- РОВ, СОСДИН 5101 ИХ ТР 11 ГГСР С СММИРУ 1 ОЩИ." И выходным усилителями, на балансировку триггсра непосредственно перед самим переключением его, в результате чсго погрешность р авновсроятностп уменьшается.Подобным образом использование выходного усилителя сяльваничсским входом, потенциал которого нс равен потенциалу общей шины, прпгодит к протеканию входного тока этоГо уалитсля через триггер и к разбалансу последнего нспосрсдстьснно перед началом переключения. Подклиочсние усилителя, потенциал Входа которого равен потенциалу общей иИпы, к триггеру на симметричной паре ,як В статике, Т 21 и 11 течение вре)ени 1) приводит к потрсбленшо входной цепью выходного усигцеля тока от триггера несмотря на наличие гальванической связи между триггером и выходным усилителем. Это устраняет В;1 иянис послсдпсГО н 2 балансиров 1 у триГГера н спосос)ствуст уменьшению погрешности равновсроятности датчика. Формула изобретения Датчик случайных двоичных сигналов, содержащий источник шумового сигнала, под. ключснный черсз усилитель шума к триггеру на двух тунпельных диодах, о тл и ч а ю щи йс я тем, что, с целью повышения точности поддержания равной вероятности выходных сигналов, датчик дополнительно содержит второй 1 сиНк иумового сигналя с техперат)ны 1 коэффц 1 Сипом нестабильности, обратным по знаку температурному коэффициенту несабильностп первого источника шумового сигнала, н согГЯсу 1 ощий усилитель, симметрпцып Гальвяничсскии вход 1 ОторОГО подключен к выходу триггера, выход второго источника шумового сигнала соединен с другим входом уа)лптсля шума.Корректор Е. Рожкова Редактор Н. Суханова Типография, пр. 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