Этот проект заставил меня почувствовать своего рода родство с Диогеном, хотя я искал предмет, описанный в названии, а не честного человека.
 |
|
| Рисунок 1. | «Диоген в поисках честного человека» – картина, приписываемая Иоганну Генриху Вильгельму Тишбейну (1751-1829). Автор этой статьи преследовал более скромные цели. |
Я хотел создать конструкцию, не требующую оценочных испытаний и выбора одного компонента из группы. Для достижения предсказуемых характеристик я согласился бы (хотя и не приветствовал) с использованием частотной коррекции и даже автоматической регулировки усиления (АРУ). Назовем мою желаемую конструкцию «надежно воспроизводимой».
Стандартная цифровая схема MLS
Поначалу я полагал, что ни один из перечисленных атрибутов не понадобится, и что подойдет простая, хорошо известная цифровая схема – генератор последовательности максимальной длины (maximal length sequence, MLS) [1]. Эта схема генерирует псевдослучайную последовательность, имеющую белый спектр. Общий пример такой схемы показан на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Общий вид генератора MLS. В справочнике приведена таблица с 2–5 конкретными отводами для регистров длиной от N = 2 до 32 для создания повторяющихся последовательностей длиной 2N–1. При инициализации регистра хотя бы один бит должен иметь ненулевое значение. Автор сначала прослушал версию, использующую только один вентиль «исключающее ИЛИ» с регистром длиной N = 31, в которой выбирались выходы только 28-го и 31-го регистров. |
Запрограммировать код, описанный в подписи к Рисунку 2, в микропроцессор ATtiny13A и получить тактовый период 1.35 мкс было несложно. Конечно, для проверки шум нужно прослушивать. И действительно, преобладающим звуком является «шипение» белого шума.
Но на заднем плане также слышны щелчки, треск и другие нежелательные артефакты. Я попросил своего друга, у которого слух лучше, чем у меня, прослушать запись, чтобы подтвердить мой неутешительный вывод. И тогда я взял фонарь и отправился на поиски следующего кандидата.
Обратносмещенный n-p-n транзистор
Меня заинтриговало обратное смещение перехода база-эмиттер транзистора при плавающем коллекторе (см. Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Тестовое приспособление для проверки шумовых характеристик n-p-n транзисторов с обратносмещенными переходами база-эмиттер. |
Я протестировал десять транзисторов 2N3906 со значениями R, равными 103, 104, 105 и 106 Ом. Были собраны как величины постоянных напряжений, так и частотные развертки (отношение напряжения к корню квадратному из спектральной плотности в единицах дБВэфф/√Гц).
Было очевидно, что с уменьшением R средний уровень шума снижался, а постоянное напряжение немного увеличивалось, оставаясь в диапазоне от 7.2 до 8.3 В. Это вселило в меня надежду, что простая схема АРУ, в которой изменяется ток смещения транзистора, может удовлетворить моим требованиям.
Увы, этого не произошло. На Рисунках 4а, 4б, 4в и 4г показан спектральный шум в низкочастотном диапазоне. (Дополнительная фильтрация источника питания 18 В не повлияла на основную частоту сети 60 Гц или ее гармоники – они приходили от моего тестового оборудования. Среднеквадратичный уровень основной гармоники 60 Гц составлял около 10 мкВ).
 |
|
| Рисунок 4а. | Обратите внимание на проблему «фона» гармоник электрической сети, которую в частности создает «тихий оранжевый» транзистор. |
 |
|
| Рисунок 4б. | Смещение «оранжевого» транзистора меньшим током увеличило шум и скрыло гармоники электрической сети, но не основную гармонику. |
 |
|
| Рисунок 4в. | При уменьшении тока смещения шумы некоторых (но не всех) транзисторов маскируют основную гармонику частоты 60 Гц. |
 |
|
| Рисунок 4г. | Независимо от того, можно ли замаскировать или устранить помехи от электрической сети, очевидно, что говорить о постоянстве формы частотной характеристика для всех сопротивлений резистора R нельзя. |
Я пробовал другие транзисторы и получил похожие результаты. Поскольку рассчитывать на определенную форму частотной характеристики транзистора с обратносмещенным переходом база-эмиттер нельзя, он не может быть подходящим источником сигнала для надежно предсказуемой конструкции. Пора снова взять фонарь в руки и продолжить поиски.
Параллельный регулятор
В некоторых технических описаниях микросхем семейства 431, и в частности TLVH431B, есть график, показывающий эквивалентный входной шум этих устройств. (См. Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Эквивалентный входной шум и тестовая схема для TLVH431B (Рисунок 5-9 в техническом описании микросхемы). |
Если бы шум повторялся от устройства к устройству, его рост почти на 3 дБ от 300 Гц до 10 Гц можно было бы компенсировать. Я измерял напряжения на катодах десяти устройств, используя испытательную схему, показанную на Рисунке 6. Спектральные характеристики представлены на Рисунке 7.
 |
|
| Рисунок 6. | Испытательное устройство для измерения спектральной плотности шума TLVH431B. Значительной разницы в результатах, показанных на Рисунке 7, при использовании сопротивлений R, равных 1 кОм и 10 кОм, не наблюдалось. Сопротивления 100 кОм и 1 МОм не обеспечивали токов, достаточных для работы устройств. |
 |
|
| Рисунок 7. | Спектр шумов TVH431B; 10 выборок с одинаковой датой изготовления. |
Хотя TLVH431B является лучшим выбором, чем 2N3904, уровень его шума все еще непостоянен, что требует использования какой-либо АРУ. По-прежнему присутствовали сигналы от электрической сети, и ослабить их, подбирая различные сопротивления R, было невозможно. Все протестированные компоненты имеют одинаковую дату изготовления, и нет никаких доступных числовых характеристик, определяющих предельные значения шумовых амплитуд или частотных откликов.
Кто знает, как бы повели себя приборы с другими кодами даты? Собранные данные, конечно, не позволяют мне утверждать, что этот компонент может быть частью «надежно воспроизводимой» конструкции, как я определил этот термин. Но знаете что? Таскать с собой этот фонарь становится довольно утомительно.
Xorshift32
Я продолжал думать, что у этой проблемы должно быть цифровое решение, даже если оно не может быть тем, которое создает MLS. Я провел небольшое исследование, и в голову пришел вариант генератора случайных чисел, называемого «xorshift», а именно xorshift32 [2].
Xorshift32 начинается с инициализации 32-битной переменной ненулевым значением. Создается копия этой переменной, в которую сдвигаются влево 13 нулей, удаляя 13 крайних левых исходных значений регистра.
Оригинал и сдвинутая копия подвергаются побитовой операции «исключающее ИЛИ» и сохраняются в исходной переменной. Создается копия этого результата. Затем в копию сдвигаются вправо 17 нулей, чтобы исключить 17 крайних правых значений копии. Над сдвинутой копией снова производится побитовая операция «исключающее ИЛИ» с обновленным исходным регистром, и результат сохраняется в этом регистре.
И снова создается копия последнего обновления оригинала. В новейшую копию сдвигаются влево 5 нулей, после чего она подвергается операции «исключающее ИЛИ» с последним обновлением оригинала и сохраняется в этом оригинале. По мере повторения этого трехэтапного процесса генерируется случайная последовательность длиной 232–1, состоящая из уникальных 32-разрядных целых чисел.
Этот алгоритм был запрограммирован для микропроцессора ATtiny13A, работающего на тактовой частоте 9.6 МГц, что обеспечивало период сдвига битов 5.8 мкс. Младшему разряду регистра был назначен бит 0 порта B устройства (вывод 5 восьмивыводного корпуса PDIP).
Этот вывод через разделительный конденсатор был подключен к усилителю мощности акустической системы Polk Audio. Мы с другом пришли к единому мнению, что слышим только белый шум; щелчки и треск последовательности
MLS, отсутствовали.
На Рисунках 8 и 9 показаны частотные развертки спектральной плотности последовательностей MLS и xorshift.
 |
|
| Рисунок 8. | Спектральные плотности шума в полосе от 4 до 1550 Гц двух прослушанных цифровых последовательностей, созданных с помощью микропроцессоров ATtiny13A, питающихся от 5 В. |
 |
|
| Рисунок 9. | Спектральные плотности шума в полосе от 63 до 25000 Гц двух прослушанных цифровых последовательностей, созданных с помощью микропроцессоров ATtiny13A, питающихся от 5 В. |
Из Рисунков 8 и 9 можно сделать несколько выводов.
Уровни белых шумов последовательностей достаточно высоки, чтобы скрыть за собой помехи частоты сети и ее гармоник, исходящие от моего испытательного оборудования, которые очень заметны при оценке 2N3904 и TLVH431B.
Разница в уровнях двух цифровых последовательностей обусловлена более высокой тактовой частотой MLS, из-за чего та же общая энергия, что и в xorshift, распределяется по более широкой полосе частот, что приводит к более низкой плотности энергии в любом заданном интервале частот слышимого диапазона.
Наконец, xorshift32 имеет провал примерно 0.1 дБВэфф/√Гц на частоте 25 кГц. Если бы ATtiny13A тактировался от внешнего источника 20 МГц, исчез бы даже этот небольшой провал АЧХ.
Акустически чистый источник белого шума
Источник чистого белого шума для диапазона частот от инфразвука до 20 кГц можно получить, реализовав алгоритм xorshift32 на недорогом микропроцессоре.
Результат надежно воспроизводим, что исключает необходимость выбора оптимального компонента из группы. Напряжение в звуковом диапазоне вычисляется как:
что соответствует сигналу 1.6 В с.к.з. Этот метод лишен недостатков, присущих исследованным аналоговым источникам шума. Нет необходимости иметь дело с низкими и неопределенными уровнями сигнала, требующими применения большого усиления и АРУ, формирования АЧХ на частотах ниже 300 Гц или в других областях, а также с помехами от электрической сети, уровень которых сопоставим с преднамеренным шумом.
Наконец-то я могу опустить этот чертов фонарь. Интересно, как сложились дела у Диогена.
Купить TLVH431 на РадиоЛоцман.Цены
