Генератор случайных сигналов

(54) АЛОВ ОР СЛУЧАЙНЫХ Изобретение относится к вычисще тельной технике и может быть исполь- зовано для настройки приемных устройств различного назначения, оценки эффективности функционирования радиоэлектронных средств (РЗС) при воз-. действии случайных сигналов с плавно изменяющимися статистическими характеристиками и тренировки операторов в работе на РЭС в сложных условиях.Известны способы изменения статис-. тических характеристик случайных сигналов. гулирование сред" я импульсов ге на радиоактивпроизводятдо источника лучайных импуль способ, полу удобный в экс а Так, .;например, рней частоты следованинератора, основанногном распаде веществаизменением расстояниизлучения 11.Однако генераторсов, реализующий эточается громоздкий, н 2Управлять средней частотой следо-, вания импульсов можно с помощью фор .мнрующего устройства с переменным порогом срабатывания,на вход которого поступаетнепрерывйый случайный процесс от специального генератора 2.Однако этот метод решения задачи приводит к нерациональному использо". ванно мощности генератора непрерывного сигнала, так как полезно используется только та часть выбросов, которая превысила порог срабатывания, поэтому, чем выше порог срабатывания формирователя, тем ниже КПД генератора.Плотность вероятности случайных сигналов изменяют либо путем нелиней.т ных преобразований случайных напряже-. ний с заранее известным законом рас.,: пределения, либо сложением сигналов от специальных генераторов 3 .В первом случае требуется специальный э дающий генератор случайных сигналов и множество нелинейных.эле-,8642 86 4ключен к первому входу пикдетектора ико входу формирователя прямоугольныхимпульсов, первый и второй выходы которого соединены соответственно совходом блока разряда и с первым входом интегратора, второй вход которого подключен к первому выходу блокаразряда, второй выход которого соединен со вторым входом пикпетектооавыходом генеоатопа является выход коммутатора, входы которого соединены со"ответственно с выходом триггера Шмитта, с выходом интегратора, с первымвыходом формирователя прямоугольныхимпульсов, с выходом пикдетектора исо вторым выходом переключателя,На фиг. 1 изображена функциональная схема генератора; на фиг. 2-4 -диаграммы работы генератора,Генератор содержит.последовательносрединенные блок задания статистическиххарактеристик 1, блок сравнения 2,регулятор светового излучения 3, источник светового излучения 4, диафрагму 5, фотоэлектронный умножитель6, измеритель тока 7, пирокополосный,Фусилитель 8 и переключатель 9. Второйи третий выходы измерителя тока 7 соединены со"входами блока сравнения 2 ипереключателя 9, выход которого черезЙС-фильтр 1 О соединен со входом триггера Шмиттанепосредственно со входом формирователя прямоугольных импульсов 12 и пикдетектора 13, другойвход которого соединен с выходом блокаразряда 14, другой выход которого соединен со входом интегратора 5, другойвход которого соединен с выходом формирователя 12, другой выход которогосоединен со входом блока разряда 14.Входы коммутатора 16 соединены с выходами блоков 11, 12, 9, 13, 15Генератор работает следующим образом.При отсутсвии освещения или, прислабом световом потоке, поступающемна фотокатод, на выходе фотоэлектронного умножителя имеет место пуассонов-.ский поток дискретных импульсов,Вследствие статистической неравномерности коэффициента усиления диодовумнозителя амплитуда импульсов наего выходе имеет нормальный законраспределения, Эти свойства позволяют значительно расширить областьего применения.Длительность темновых импульсовиа выходе фотоэлектронного умножителя составляет обычно доли микросекунд. 30 ментов с характеристиками, которыене всегда могут иметь простое схемное рещение; во втором - необходимоиметь множество специальных генераторов, каждый из которых сам по себепредставляет сложное устройство. Врезультате схема всего генератора получается сложной, конструкция - громоздкой, а эксплуатация таКого гене-,ратора вызывает значительные трудности,Наиболее близким кпредлагаемомуявляется генератор случайных сигналов,содержащий электронный умножитель,источник света, диафрагму, фотоусилитель, Такой генератор может выраба-.тывать как случайный импульсный потоктак и непрерывный шум Я.1Однако данный генератор используется обычно для генерации шума с нормальным законом распределения, что являет 20ся нерациональным подходом к использованию фотоэлектронного умножителяи значительно сокращает его потенциальные воэможности для практическогоприменения.Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей генератора за счет формирования сигналов раз;.личной формы с различным распределением.Для достижения постоянной цели визвестный генератор случаиных сигилов,содержащий широкополосный усилитель,источник светового излучениякоторый через диафрагму оптически связан ЗЗс входом фотоэлектронного умножителя,введены переключатель, ВС-фильтр,пикдетектор, триггер Шмитта, блоксравнения, формирователь прямоугольныхимпульсов, блок разряда, интегратор, ф 0коммутатор, измеритель тока, регуля -тор светового излучения, блок заданиястатистических характеристик, выходкоторого соединен с первым. входомблока сраенвния, выход которого через 45регулятор светового излучения соединенсо входом источника светового излучения, выход фотоэлектронного умножителясоединен со входом измерителя тока,первый второй и третий выходы которого соединены соответственно со вторым входом блока сравнения, со входомширокополосного усилителя и с первымвходом переключателя, второй вход воторого подключен к выходу широкополо-.сного усилителя, первый выход пере".ключателя через ВС-фильтр соединен совходом триггера Шмитта, а также подС помощью пикдетектора и схемы разряда можно превратить их. в поток прямоугольных импульсов желаемой длитель"ности с прежним нормальным закономраспределения амплитуд (фиг. 2 а, б),Такие сигналы обычно получаютпутем квантования во времени непрерывного шума с фиксацией его мгно-венных значений, что ведет к нерацйональному использованию мощности генератора исходного шума, поскольку полезно используется только весьма незначительная часть шумового напряженияЕсли короткие импульсы податьна вход формирователя прямоугольныхимпульсов, например, идущего мультивибратора, то получим поток импульсов одинаковой амплитуды, но со случайным периодом следования (фиг. 2 в)с помощью интегратора и схемы разрядапоток прямоугольных импульсов превращается в поток треугольных импульсов (фиг. 2 г).Если на вход низкочастотного ВСфильтра подать короткие импульсы, 25то получим случайный поток экспоненциальных импульсов, воздействуя последним, например, на вход триггераШмитта, получим поток импульсоводинаковой амплитуды, но со случайными длительностью и периодом следования (фиг. 2 е).Полученные таким образом последовательности импульсов могут использоваться для настройки и проверки работоспособности приемных устройстр различного назначения. Более того, плавноизменяя освещенность фотокатода умножителя, можно в широких пределах регулировать среднюю частоту следованиявсех укаэанных потоков, а при достаточ 40но сильном оСвещении импульсный потокпревращается в непрерывный шум с плавно изменяющейся плотностью вероятностей вплоть до нормального распределе-.ния,45Таким образом, генератор случайныхсигналов на базе фотоэлектронногоумножителА становится многофункциональным прибором, в котором наиболеерационально используются все его по фложительные качества.На фиг. 3 приведены теоретическиекривые зависимости вероятности появления импульсов от среднего тока фотоэлектронного умножителя (средний 55ток выражен через среднее число фотоэлектронов й, появляющихся на ано"де умножителя), Кривая 1 соответствует вероятности появля,ния импульсовпри нулевом пороговом уровне, кривая 2 - для порогового уровня, отличного от нуля,На фиг, 4 показана зависимостьсреднего числа появляющихся импульсов М от тока 1 ф , полученная экспериментально при проверке характеристик .генератора. По вертикальной оси откладывается число импульсов, умноженноена 104, а по горизонтальнойоси - токфотоэлектронного умножителя 1 ф в микроамперах (см. акт экспериментальной проверки).Пороговый уровень при эксперимен-.тальной проверке близок к нулевому,Теоретически расчеты и экспериментальные результаты показывают, что имеется достаточно большая область, изменения среднего тока умножителя, внутрикоторой число импульсов Й изменяетсяпрактически линейно с ротором 1 ф.Такая зависимость сохраняется до .тех пор, пока импульсы на выходе умножителя не перекрываются. Момент перекрытия зависит от ширины полосы пропу.скания дг усилителя, стоящего послеБумножителя. Например, при д 1=10 Гцсредняя длительность генерируемых импульсов 4 составляет примерно=1/дую=10 с.Как показывают экспериментальныеисследования для этого случая, эамеьное перекрытие начинается тогдакогда среднее число импульсов в се-.кунду Йъ 5.10 , т.е, тогда, когдагенерируемые импульсы занимают болееполовины временной оси, На фиг. 4это соответсвует участку, где ток1 фЪ 2 10 А. Это дает .возможностьавтоматически изменять и поддерживатьсреднюю частоту следования импульсов. Изменение плотности вероятности также легко привязывается к изменениям тока 1 ф . Например экспериментальная кривая 1 (фнг, 2 ж) соответствуетсреднему току 1=210А (поток еще импульсный, но импульсы начинают перекрываться друг с другом), а кривые 2 и 3 характеризуют непрерывный шум при средних токах 1 ф соответственно 12,5 и 25 мкА., В последнем случае шум имеет нормальный закон распределения. В этом случае при фиксированной полосе пропускания в любой момент времени накладывается друг надруге большое число импульсовСогласно центральной предельной теореме теории вероятностей шум должен иметь нормальный закон распределения. Дальнейшее увеличение тока приводит к росту дисперсии нормального шума при неизменном нормальном законе распределения.Таким образом, генератор на базе умножителя может работать в двух режимах: импульсном и непрерывном. В первом случае имеется возможность автоматически подстраивать и поддерживать среднее число импульсов Й л во втором - плотность вероятности,Единственйым параметром, от которого зависят и режим работы, и статистические характеристики генератора, является ток умножителя 1 Ф, обусловленный освещенностью фотокатода умножителя, Автоматически изменяя освещенность фотокатода, можно поддерживать заданные статистические характеристики случайных сигналов постоянными, или изменять их по определенной программе.Силу света можно регулировать обычным способом, автоматически изменяя либо ток накала электронной лампочки, либо напряжение, если в качестве источника света используется светодиод типа АП 102.Автоматическая подстройка заданных статистических характеристик позволяет уменьшить габариты вес, и снизить стоимость генератора случайных сигналов, имеющего в качестве первичного источника шума фотоэлектронный умножитель. Дело в том, что характеристики шума на выходе ФЗУ чувствительны к колебаниям напряжения между диодами. Поэтому для питания ФЗУ требуется высокостабилизированч ный источник. высоковольтного напряжения, Такой источник питания обладает достаточно большими габаритами, весом и имеет высокую стоимость.Автоматическое изменение освещенности фотокатода умиожщтеля позволяет использовать источник высоковольтного напряжения с обычными сглаживающими, фильтрами (без электроннойстабилизации), поскольку малая инер ционность источника света дает возможность своевременно компенсироватьвозмокнье достаточно медленные колебания напряжения в электрической сети. Предлагаемый генератор случайныхсигналов работает следующим образом, 45 50 55 которое сбрасывает выходное напряжение интегратора и пикдетектора до нуля эТаким образом, на коммутатор 16 поступают все сигналы (фиг. 2 б,в,.г,е).Переход к непрерывным шумам с плавным автоматическим изменением закона распределения производится блоком 1 путем задания тока Т, превышающегопо величине 1 ФВ этом случае срабатывает переключатель режима работы 9 и направляет случайный . сигнал непосредственно на коммутатор 16. Через коммутатор генерируемые слуБлок 1 задает статистические характеристики генерируемых .сигналов,подавая на блок сравнения 2 требуемоезначение тока 1 З , Измеритель тока 7показывает действительное .значениетока об, которое соответствует опре -деленной освещенно ти фотокатодаумножителя в данный момент времени.Блок сравнения 2 определяет отклонение Ь 1= 1 1 Фв действительного значения тока от заданного,В зависимости от величины н знакаотклонения д 1 регулятор 3 изменяетсветовой поток источника света 4 так,чтобы укаэанное отклонение Ь 1 стремилось к нулю. В дальнейшем заданныйрежим работы поддерживается автоматически.Пороговая величина тока 1- перефО20ключателя 9 (это может быть обычныйрелейный элемент) выбирается равнымтому значению тока умножителя, при ко.- тором начинается наложение импульсовдруг на друга, т.е. происходит пере 25ход от импульсного потока к непрерывному случайному сигналу.Если ток умножнтеля 1 Ф%1 фто свыхода широкополосного усилителя 8через переключатель режима работы 9импульсный ноток направляется наЗОВС-фильтр 10, формирователь прямоугольных импульсов 12 и пикдетектор 13,Поток экспоненцнальных импульсовразличной амплитуды триггером ШмиттаЗ 5 1 превращается в поток прямоугольныхимпульсов случайной длительности исо случайным периодом следования,Формирователь прямоугольных импульсов 12 вырабатывает импульсы заданной40фиксированной длительности. Он жезадает длительность импульсов на выходах пикдетектора 13 и интегратора 15, запуская задним фронтом прямоугольного импульса блок разряда 14,чайнце сигналы могут поступать навходы различных радиоэлектронныхсредств с целью их практического ис-:пользования.Требуемый закон распределения устанавливается автоматически путемрегулировки освещенности фотокатодаумножителя, аналогично импульсномурежиму работы генератора, только прибольшем значении тока 1 ф .Предлагаемый генератор случайныхсигналов, имеет .более широкие функциональные возможности, способствуюп 1 неповышению эффективности его практического применения; высокий КПД использования источника питания", автоматическая установка режима работы; автоматическая подстройка заданных статистических характеристикслучайных сигналов; меньшие габариты,вес и более низкую стоимость,Сравнительные весовые и габаритные данные предлагаемого генератораи источника высоковольтного напряжения приведены в акте экспериментальной проверки.По, сравнению с существующими генераторами, способными изменять статистические характеристики случайныхсигналов, предлагаемое устройствоотличается простотой схемных решений и, как следствие этого, высокойнадежностью в работе и удобствомэксплуатации.формула изобретенияГенератор, случайных сигналов содержащий 1 широкополосцый: усилитель, источник светового излучения, ко" торый через диафрагму оптически связан со входом Фотоэлектронного умно- жителя, о т л и ч а ю щ.и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет Формирования сигналов различной форьи с различным распределением он содержит переключатель, ЙС-фильтр, пикдетектор,триггер Шмитта, блок сравнения, формирователь прямоугольных импульсов,блок разряда, интегратор, коМмутатор,изМеритель тока, регулятор световогоизлучения, блок задания статистическиххарактеристик, выход которого соединен с первым входом блока сравнения,выход которого через регулятор светового излучения соединен со гходомисточника светового излученйя, выходфотоэлектронного умножителя соединенсо входом измерителя тока, первый,второй и третий выходы которого соединены соответственно со вторым входом блока сравнения, со входом широ-.кополосного ;усилителя и с первымвходом переключателя, второй входкоторого подключен к выходу широко,полосного усилителя, первый выходпереключателя через КС-фильтр соединен со входом триггера Шмитта, атакже подключен к первому входупикдетектора и ко входу формирователя прямоугольных импульсов, первый25и второй выходы которого соединенысоответственно со входом блока разряда и с первым входом интегратора,второй вход которого подключен к первомувыходу блока разряда, второй выход кото-,рого соединен со вторым входом пикдетек- .тора, выходом генератора является вы",ход коммутатора, входы которого соединены соответственно с выходом триггера Шмитта, с выходом интегратора, с35 первым выходом Формирователя прямоугольных импульсов, с выходом пикдетектора и со вторым выходом переключателя,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе40 1. Бобнев М,П. Генерирование случайных сигналов. М "Энергия1971,с. 22.2. Там же, с. 184.3, Там же, с. 71.45 4. Тетерич Н.М. Генераторы шумаи измерение. шумовых характеристик,М. "Энергия", 1968, с, 88 (прототип).