Пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів

Пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів, що містить вхідні клеми, диференціальний підсилювач, послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач, фазочутливий випрямляч, інтегратор і вимірювальний прилад, а 3 58536 В основу корисної моделі покладене завдання створення такого пристрою для виміру дисперсії шумових сигналів, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечується повне виключення впливу власних шумів як активних, так і пасивних елементів вимірювальної схеми, що забезпечить підвищення точності виміру дисперсії низькоінтенсивних шумових сигналів. Поставлене завдання досягається тим, що в пристрій для виміру дисперсії шумових сигналів, що містить вхідні клеми, диференціальний підсилювач, послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач, фазочутливий випрямляч, інтегратор і вимірювальний прилад, а також мультивібратор, вихід якого з'єднаний з керуючим входом фазочутливого випрямляча, згідно з корисною моделлю, введені додатковий диференціальний підсилювач, блок множення і два автоматичні перемикачі, протилежні входи яких з'єднані між собою і підключені до вхідних клем, керуючі входи підключені до виходу мультивібратора, а виходи з'єднані з входами диференціального підсилювача, входи додаткового диференціального підсилювача з'єднані безпосередньо з вхідними клемами, виходи диференціальних підсилювачів з'єднані з входами блока множення, вихід якого з'єднаний з входом фільтра нижніх частот. Введення в схему пристрою для вимірювання дисперсії шумових сигналів додаткового диференціального підсилювача, блока множення і двох автоматичних перемикачів, включених відповідним чином, дозволяє отримати квадрат миттєвих значень шумової напруги певного знаку у вигляді інформативного приросту постійної складової напруги на виході блока множення. Неінформативна постійна напруга на виході блока множення виникає, як від наявності корельованих шумів в двох підсилювачах так і від зміщення (дрейфу) нуля самого блока множення. Але завдяки зміні полярності одного з сигналів, що перемножуються, відносно іншого за допомогою переключення автоматичних перемикачів змінюється і знак приросту від результату множення складових вимірюваного шуму. При безперервній роботі автоматичних перемикачів інформативний знакозмінний приріст постійної напруги перетвориться в змінну напругу, яка виділяється вибірковим підсилювачем, налаштованим на частоту перемикань. Оскільки зміна полярності шумової напруги здійснюється на вході вимірювальної схеми, то всі внутрішні шуми (теплові, дробові та ін.) не створюють знакозмінний приріст напруги і тому не впливають на результат виміру, що забезпечує підвищення точності виміру дисперсії низькоінтенсивних шумових сигналів. На кресленні представлена електрична функціональна схема пристрою для вимірювання дисперсії шумових сигналів. Пристрій містить вхідні клеми 1 і 2, автоматич  4 ні перемикачі 3 і 4, протилежні входи яких з'єднані між собою і підключені до вхідних клем 1 і 2 пристрою. Диференціальний підсилювач 5 своїми входами з'єднаний з виходами автоматичних перемикачів 3 і 4. Входи додаткового диференціального підсилювача 6 підключені безпосередньо до вхідних клем 1 і 2. Виходи диференціальних підсилювачів 5 і 6 з'єднані з входами блока множення 7, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр нижніх частот 8, вибірковий підсилювач 9, фазочутливий випрямляч 10, інтегратор 11 і вимірювальний прилад 12. Мультивібратор 13 своїм виходом з'єднаний з керуючими входами автоматичних перемикачів 3 і 4, а також керуючим входом фазочутливого випрямляча 10. Пристрій для вимірювання дисперсії шумових сигналів працює таким чином. Шумовий сигнал Uх(t) підключається до вхідних клем 1 і 2, на яких розділяється на два однакові сигнали U1(t) і U2(t). Один з них Ux(t) впливає через автоматичні перемикачі 3 і 4 на входи диференціального підсилювача 5. Інший сигнал U2(t) безпосередньо впливає на входи додаткового диференціального підсилювача 6. При одному положенні автоматичних перемикачів 3 і 4 полярність сигналів U1(t) і U2(t) однакова. Якщо шумовий сигнал Ux(t) представити в комплексному вигляді  U x , то підсилена напруга прийме значення:    U1  U2  Ux , (1) Підсилена напруга на виходах диференціальних підсилювачів 5 і 6 з врахуванням наявності в них власних шумів буде:     U3  K1U1  Un1 , (2)     U4  K 2 U2  Un2 , (3)   де K1 і K 2  - комплексні коефіцієнти під силення диференціальних підсилювачів 5, 6;   U і U - комплексні напруги власних шумів n1 n2 підсилювачів. Згідно статистичному зв'язку шуми диференціальних підсилювачів 5, 6 можна розділити на корельовані і некорельовані. Корельовані шуми є наслідком паразитних зв'язків між двома диференціальними підсилювачами і обумовлені неідентичністю їх частотних характеристик. Тому напруги (2) і (3) представляють у вигляді:      U3  K1U1  U'n1U"n1 , (4)      U4  K 2 U2  U'n2 U"n2 , (5) де один штрих означає корельованість шумових процесів, а два штрихи - некорельованість. Сумарні напруги (4) і (5) перемножуються в блоці множення 7, а результат перемножування усереднюється фільтром нижніх частот 8. Усереднену напругу можна представити як:           U5  K 3S K1U1  U'n1U"n1 K 2 U2  U'n2 U"n2   U , (6)     де риска зверху відображає процес усередню8. вання, а ДНІ - зміщення (дрейф) нуля блока мноПри обчисленні перемножених значень у виження 7; разі (6) слід мати на увазі, що усереднений добуS - крутизна перетворення блока множення 7; ток двох некорельованих процесів має нульове K3 - коефіцієнт передачі фільтру нижніх частот значення. Тому 5 58536         U"n1 U"n2  K1U1U"n2  K 2U2U"n1  0 , (7) З врахуванням виразу (7) результат виразу (6) прийме вигляд:  де Ux 2 - дисперсія (середній квадрат) шумового сигналу, що вимірюється. При протилежному положенні автоматичних перемикачів 3 і 4 змінюється полярність шумової  напруги U1 , яка впливає на входи диференціального підсилювача 5. Перемножуванні шумові процеси стають протифазними. Усереднена напруга на виході фільтру нижніх частот 8 отримає вигляд:       U6  K 3SK1K 2U1U2  U'n1 U'n2   U . (8)     Відповідно до виразу (1) добуток співмножни ків           K1K 2U1U2  K1K 2Ux 2  K1K 2 Ux 2 , (9)  6           U7  K 3S  K1U1  U'n1U"n1 K 2 U2  U'n2 U"n2   U . (10)     В результаті зміни полярності шумової напруги 2 , (15) U12  Sp Ux U1 змінюється знак лише першого додатку у виразі (8). Усереднена напруга на виході фільтру нижніх де Sр=K1K2K3SK4K5K6 - результуюча крутизна частот 8 набуває значення: перетворення дисперсії шумового сигналу в постійну напру       U8  K3S K1K 2Ux 2  U'n1 U'n2   U . (11) гу.   З остаточних виразів (14) і (15) видно, що реПри безперервній роботі автоматичних перезультат виміру пропорційний дисперсії (середньомикачів 3 і 4 вихідна напруга фільтру нижніх часму квадрату) шумового сигналу Ux(t), і не залежить тот 8 періодично змінюється від значення (8) до від рівня власних шумів підсилювачів 5 і 6 та змізначення (11). В результаті у вихідній напрузі фіщення (дрейфу) нуля блока множення 7. Це дольтру нижніх частот 8 з'являється змінна складова зволяє значно (у 5-10 разів), залежно від рівня напруги частоти перемикання полярності однієї з шумового сигналу, підвищити точність виміру ниперемножуваних шумових напруг: зькоінтенсивних шумових сигналів і розширити діапазон виміру дисперсії в області малих значень U6  U8 U9 t   sign sin2Ft  , (12) 2 2 (10-15-10-17) В . Гц де signsin(2Ft)- прямокутна огинаюча знакозВикористання запропонованого пристрою в мінної складової напруги; інформаційно-вимірювальній техніці дозволяє: F - частота зміни полярності шумової напруги. - оцінювати рівень шумів в малошумливих підВибірковим підсилювачем 9, налаштованим на силювачах і активних елементах (транзисторах, частоту F перемикань мультивібратора 13, виділядіодах і ін.); ється і посилюється основна гармоніка знакозмін- вимірювати коефіцієнт шуму і температуру ної напруги (12). Посилена змінна напруга випряшуму на вході різних електронних пристроїв; мляється фазочутливим випрямлячем 10 і - визначати шумові параметри активних і пазгладжується інтегратором 11. Вихідна постійна сивних чотириполюсників при різних видах наваннапруга інтегратора 11 вимірюється вимірювальтаження; ним приладом 12 і складає - калібрувати генератори шуму, переважно ни1 U10  K 3SK 4K 5K 6 U6  U8 , (13) зькотемпературні схеми з узгодженим наванта2 женням; де K4 - коефіцієнт підсилення вибіркового під- здійснювати вимірювання неврівноважених силювача; шумів, що виникають в процесах механічної оброK5 - коефіцієнт випрямлення фазочутливого бки деталей і при опроміненні матеріалів енергевипрямляча; тичними потоками. K6 - коефіцієнт передачі інтегратора. Реалізація запропонованого пристрою не виПідставивши у вираз (13) значення напруги (8) магає використання малошумливих мікросхем і і (11), остаточно отримаємо: криогенних температур для термостабілізації напруг, а також зниження рівня власних шумів елеU11  K1K 2K 3SK 4K 5K 6 Ux 2 , (14) ментів. Функціональні блоки (підсилювач, переВираження (14) можна представити в узагальмножувач, фільтри і тому подібне) можуть бути неному вигляді: виконані на стандартних радіоелементах.   7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 58536 8 Підписне Тираж 23 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 – 42, 01601