Пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів

Пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів, що містить повторювач напруги, до входу якого підключена вхідна клема, квадратор, до виходу якого підключений інтегратор і вимірювальний прилад, який відрізняється тим, що в нього введені інвертор, автоматичний ключ, диферен ційний підсилювач, вибірковий підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і мультивібратор, при цьому інвертор зашунтований автоматичним ключем і підключений входом до виходу повторювача напруги, а виходом - до прямого входу диференційного підсилювача, інверсний вхід якого з'єднаний з виходом повторювача напруги, а вихід з'єднаний з входом квадратора, до виходу інтегратора підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та вимірювальний прилад, а керуючий вхід синхронного детектора і автоматичного ключа підключені до виходу мультивібратора. Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки і може бути використана для оцінки дисперсії шумових сигналів в системах передачі і прийому інформації, техніці фізичного експерименту, інформаційно-вимірювальній техніці і бюмедичних дослідженнях Дисперсія шумового сигналу (середній квадрат випадкової напруги) якнайповніше характеризує його енергетичні властивості і чисельно дорівнює максимальному значенню авто-кореляційної функції сигналу Дисперсія шуму однозначно пов'язана з параметрами системи, яка генерує шум (температурою та активним опором) Середньоквадратичні значення напруг шумових сигналів звичайно невеликі (10 6 -10 8 В) і їх вимірювання вимагає спеціальних прийомів і більшого часу усереднювання Засоби вимірювання, призначені для визначення кореляційної функції (корелометри), можуть бути використані і для вимірювання дисперсії при нульовій затримці сигналів, які перемножуються [див Шишкин И Ф Метрология, стандартизация и управление качеством Учеб для вузов / под ред акад Н С Соломенко - М Изд-во стандартов, 1990 - С 185-187] Проте власні шуми вхідного підсилювача корелометра вносять великі погрішності, оскільки їх дисперсія того ж порядку, що і дисперсія шуму, що вимірюється Відомий пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів [див Бендат Д ж , Пирсол А Применение корреляционного и спектрального анализа пер с англ - М Мир, 1983 - С 166-167], який містить два паралельно включених підсилювача, виходи яких сполучені з входами перемножувача сигналів, до виходу якого через інтегратор підключений вимірювальний прилад Оскільки власні шуми двох незалежних підсилювачів між собою значною мірою некорельовані, то на виході інтегратора одержують постійну напругу, пропорційну дисперсії шумового сигналу, що вимірюється Проте неминучий дрейф нуля самого перемножувача і інтегратора не дозволяють реалізувати потенційну точність двохканальних множильних схем Значний внесок в сумарну погрішність вносять і корельовані шуми двох підсилювачів Відомий також пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів [див Цветков Э И Основы теории статистических измерений - Л Энергия Ленингр отделение, 1979 - С 63-64], що містить повторювач напруги, до входу якої підключена вхідна клема, квадратор, до виходу якого підключений інтегратор і вимірювальний прилад Крім того, відомий пристрій включає вхідний широкосмуговий підсилювач, компаратор і зразкову міру шумової напруги Відомий пристрій має невисоку точність через вплив низькочастотних шумів квадратора, який звичайно виконується на діодах із зсувом Знижу СО 11031 ють точність також і власні шуми вхідного широкосмугового підсилювача в смузі його пропускання, які не можна відокремити від шуму, що вимірюється В основу корисної моделі встановлена задача створення такого пристрою для вимірювання дисперсії шумових сигналів, в якому введення нових елементів і зв'язків ДОЗВОЛИЛО б повністю виключити вплив власних шумів (як низькочастотних, так і високочастотних) на вихідну напругу, що вимірюється, що забезпечить високу точність оцінки дисперсії вихідного шумового сигналу Поставлена задача досягається тим, що в пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів, що містить повторювач напруги, до входу якої підключена вхідна клема, квадратор, до виходу якого підключений інтегратор, і вимірювальний прилад, згідно з корисною моделлю, в нього введені інвертор, автоматичний ключ, диференційний підсилювач, вибірковий підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і мультивібратор, при цьому інвертор зашунтований автоматичним ключем і підключений входом до виходу повторювача напруги, а виходом до прямого входу диференційного підсилювача, інверсний вхід якого з'єднаний з виходом повторювача напруги, а вихід з'єднаний з входом квадратора, до виходу інтегратора підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та вимірювальний прилад, а керуючий вхід синхронного детектора і автоматичного ключа підключені до виходу мультивібратора Введення в схему пристрою для вимірювання дисперсії шумових сигналів інвертора, автоматичного ключа, диференційного підсилювача, вибіркового підсилювача, синхронного детектора, фільтру нижніх частот і мультивібратора, з'єднаних зазначеним чином, дозволяє перетворити вхідний шумовий сигнал, що вимірюється, за рахунок його періодичного інвертування в змінну складову вихідної напруги інтегратора, яку виділяють з низькочастотних шумів вибірковим підсилювачем, налаштованим на частоту періодичного інвертування, і перетворюють в постійну напругу синхронним детектором, керованим мультивібратором, який одночасно управляє і автоматичним ключем, що шунтує інвертор у вхідному ланцюзі диференційного підсилювача, що виключає вплив власних шумів диференційного підсилювача і квадратора на значення вихідної напруги, що вимірюється, і тим самим забезпечується висока точність оцінки дисперсії вхідного шумового сигналу На кресленні представлена функціональна схема пристрою для вимірювання дисперсії шумових сигналів Пристрій містить вхідну клему 1, з'єднану з входом повторювача напруги 2, вихід якого через інвертор 3, шунтований автоматичним ключем 4, з'єднаний з прямим входом диференційного підсилювача 5, інверсний вхід якого з'єднаний з виходом повторювача напруги безпосередньо До виходу диференційного підсилювача підключені послідовно з'єднані квадратор 6, інтегратор 7, вибірковий підсилювач 8, синхронний детектор 9, фільтр нижніх частот 10 і вимірювальний прилад 11 Керуючі входи автоматичного ключа 4 і синхронного детектора 9 з'єднані з виходом мультивібратора 12 Пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів працює таким чином Шумовий сигнал Ux(t) через вхідну клему 1 поступає на вхід повторювана напруги 2 і розгалужується на його виході на дві однакові напруги Ui(t) і ІІгО) Одна з вихідних напруг через інвертор З, який періодично шунтується автоматичним ключем 4, надходить на прямий вхід диференційного підсилювача 5 Друга напруга поступає на інверсний вхід цього підсилювача Якщо шумовий сигнал Ux(t) представити в комплексному вигляді як Ux, то ВИХІДНІ напруги повторювача напруги 2 матимуть вигляд Ui=U2=k1Ux, 0) де кі - коефіцієнт передачі повторювача напруги Вихідна напруга диференційного підсилювача 5 є адитивною сумішшю шуму і власних шумів елементів диференційного підсилювача, що вимірюється При розімкненому автоматичному ключі 4 маємо U3=2k1k2Ux+UN, (2) де к 2 - коефіцієнт посилення диференційного підсилювача 5, UN - напруга власних шумів, приведених до виходу в комплексному вигляді В замкнутому положенні автоматичного ключа 4 виключається інвертування однієї з вхідних напруг диференційного підсилювача 5, і його вихідна напруга пропорційна різниці вхідних напруг (3) U 4 = UN ВИХІДНІ напруги диференційного підсилювача 4 из і Щ по черзі впливають на вхід квадратора 6, в якому миттєві значення адитивної суміші шумових напруг зводяться в квадрат і далі усереднюються інтегратором 7 При періодичних замиканнях і розмиканнях автоматичного ключа 4, який керується прямокутною напругою мультивібратора 12, на виході інтегратора 7 формується ПОСЛІДОВНІСТЬ імпульсів з усередненими амплітудами 12 Us = ^ 8 ^ 2k-|k2Ux+UN , 0 < t (Ю) де кб - коефіцієнт передачі фільтру 10 нижніх частот, S2 - крутизна перетворення синхронного детектора 9 Остаточно одержимо (11) U 8 (t) = - k 2 k 3 k 4 S 1 (7) + kfk 2 Ux де k4 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 8, (t) - залишкова напруга низькочастотних шумів, що потрапляють в смугу пропускання вибіркового підсилювача 8 Вхідний шумовий сигнал Ux(t) і власні шуми диференційного підсилювача 5 між собою некорельовані, тому їх добуток після усереднювання наближується до нуля (8) UXUN=O З урахуванням виразу (8) напругу (7) можна спростити ~ 8 f|3 складова напруги тільки від першого члена змінної напруги (9) п де U x - дисперсія вхідного шумового сигналу в смузі пропускання диференційного підсилювача Змінну напругу (9) синхронно детектують в синхронному детекторі 9, який керується напругою мультивібратора 12, що зменшує вплив залишкових низькочастотних шумів на результат вимірювання Оскільки частота шунтування інвертора 3 автоматичним ключем 4 співпадає з частотою керування синхронного детектора 9, то на виході фільтру 10 нижніх частот виділяється постійна деБо^І - крутизна перетвоя рення вимірювальної схеми Постійна напруга (11) вимірюється приладом 11, шкала якого градуюється в одиницях вимірювання дисперсії випадкової напруги (В2) З отриманого виразу (11) виходить, що постійна напруга, що вимірюється, пропорційна дисперсії шумового сигналу Ця напруга не залежить від рівня власних шумів диференційного підсилювача 5 Вплив низькочастотних шумів пригнічується вибірковим підсилювачем 8 і фільтром 10 нижніх частот синхронного детектора 9 Завдяки цьому забезпечується висока точність оцінок дисперсії шумових сигналів Дослідження показали можливість визначення електричного опору поверхні біологічних об'єктів за оцінками дисперсії їх теплових шумів Така ситуація виникає, коли на тканину живих організмів неприпустимо впливати зовнішньою електричною напругою, а корисна інформація міститься в значеннях електричного опору цих тканин Теплові шуми вимірювалися в смузі частот 10-300кГц із значенням дисперсії 10 -10 1 5 В 2 Частота періодичного інвертування складала 75Гц, в якості диференційного підсилювача використовувався інструментальний підсилювач типу AD620AN Як ключ використовувався послідовний інтегральний переривник типу 101КТ1В Статистична погрішність оцінок дисперсії знаходилася в межах 1-1,5% при часі усереднювання вихідної напруги синхронного детектора не більше 5с 11031 и/2 /и V Комп ютерна верстка А Попік Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1 м Київ - 4 2 , 01601 , 8