Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Ostatní měřící generátory II. OB21-OP-EL-ELKM-JANC-M-3-022

Generátory náhodných a pseudonáhodných napětí Napětí náhodného průběhu v čase bývá označováno za šumové. Proto také měřicí generátory náhodného popř. i pseudonáhodného napětí nesou často stejné označení. Od těchto generátorů se požaduje, aby poskytovaly napětí se spektrální hustotou konstantní v kmitočtovém rozsahu, pro který jsou určeny (tzv. bílý šum). V měřicí technice se používá šumové napětí s rozdělením přibližně normálním (Gaussovým) nebo alternativním (tzv. binární).

Generátory normálního šumu Generátory náhodného napětí s konstantní spektrální hustotou a s přibližně normálním rozdělením s nulovou střední hodnotou a konstantním rozptylem jsou několikerého druhu. V úvahu může přicházet tepelný šumový generátor dodávající šum tepelného původu, jehož zdrojem je rezistor nebo vodič. Pro vyšší kmitočty se dá použít diodový šumový generátor (obr. 1). Vlastním zdrojem šumu je v něm šumová dioda. Je to speciální vakuová dioda pracující v oblasti nasycení, ve které je šum vyvolán výstřelovým jevem.

Generátory normálního šumu Obr.1 Schéma zapojení diodového šumového generátoru

Generátory normálního šumu Pro velmi vysoké kmitočty je možné použít výbojkový šumový generátor. Zdrojem šumu je speciální nízkotlaká výbojka zamontovaná do vedení pro příslušnou kmitočtovou oblast, např. do vlnovodu (obr.2). Velikost šumu vydávaného výbojem ve výbojce závisí hlavně na náplni výbojky, kterou bývá často argon. Kmitočtový rozsah je dán konstrukčním provedením.

Generátory normálního šumu Obr. 2 Výbojkový šumový generátor

Generátory normálního šumu Dosud připomenuté šumové generátory jsou použitelné jen na vyšších kmitočtech. Generátor šumu pro nižší kmitočty bývá založen na transpozici kmitočtů (obr. 3). Vysokofrekvenční šum se spektrální hustotou konstantní kolem určitého kmitočtu se směšuje s harmonickým signálem téhož kmitočtu a pomocí dolní propusti se z produktů směšování ponechají jen složky o rozdílových kmitočtech. Tak se získá šum se spektrální hustotou konstantní v oblasti velmi nízkých a nízkých, popř. i obrazových kmitočtů.

Generátory normálního šumu Obr. 3 Blokové schéma šumového generátoru pro nižší kmitočty

Generátory normálního šumu Šum poskytovaný uvedenými šumovými generátory má rozdělení přibližně normální a spektrální hustotu konstantní v poměrně širokém pásmu kmitočtů. Pokud by se z těchto vlastností slevilo, dal by se šumový generátor vytvořit i jednodušším způsobem.

Generátory binárního šumu Názvem binární (dvouhodnotové) napětí se rozumí napětí s alternativním rozdělením, tj. napětí, které může nabývat jen dvou hodnot. U náhodného binárního napětí dochází k přechodu z jedné hodnoty na druhou náhodně a obě hodnoty mají stejnou pravděpodobnost výskytu.

Generátory binárního šumu Náhodné binární napětí může být: asynchronní (přechody nezávisejí na jiném napětí), synchronní (k přechodům může docházet jen v okamžicích určených periodickými taktovacími impulsy - hodinovými impulsy).

Generátory binárního šumu Binární šum se dá vytvářet různým způsobem. Tak např. generátor náhodného binárního šumu může být založen na odvození asynchronního náhodného binárního napětí pomocí analogového komparátoru z náhodného napětí s přibližně normálním rozdělením při jeho průchodech nulou. Asynchronní náhodné binární napětí se na synchronní převede pomocí klopného obvodu taktovaného hodinovými impulsy.

Generátory binárního šumu Obr. 4 Princip zapojení generátoru pseudonáhodného binárního šumu

Generátory binárního šumu Ryze náhodný binární šum je možné nahradit binárním šumem pseudonáhodným, který má obdobné vlastnosti, avšak vytváří se snadno deterministicky. Generátor pseudonáhodného binárního šumu obsahuje posuvný registr s tzv. lineární zpětnou vazbou taktovaný hodinovými impulsy (obr.4). Lineární zpětnou vazbou se zde rozumí odvození vstupního napětí posuvného registru pomocí logického obvodu součtu mod 2 z výstupního napětí posledního klopného obvodu a nejméně jednoho jiného klopného obvodu tohoto registru.

Generátory binárního šumu Výstupy z posuvného registru pro zpětnou vazbu se musí vybrat tak, aby se dosáhlo toho, že registr bude procházet všemi rozdílnými stavy s výjimkou samých nul; perioda výstupního napětí pak má maximální možnou délku. Ve skutečných generátorech se však používá posuvný registr větší délky (nejméně desetibitový), aby perioda výstupního napětí nebyla kratší než doba aplikace. Pseudonáhodný šum má vlastnosti blížící se vlastnostem náhodného šumu.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura E. Vitejček a V. Hos: Elektrické měření, SNTL Praha 1979 V. Fajt a kol.: Elektrická měření, SNTL Praha 1987 L. Bejček a kol.: Měření v elektrotechnice, FEKT VUT Brno 2003