Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2013
Steve Hageman
EDN
Белый шум бывает очень полезен при тестировании многих типов электронных схем. В сочетании с БПФ-анализатором источник шума с плоским спектром позволяет быстро получить амплитудно-частотную характеристику устройства. Если шум имеет плоский спектр и известный уровень, несложно определить коэффициент усиления схемы, что можно сделать даже визуально. Этот давно известный метод практически использовался уже, по крайней мере, в 1978 году в низкочастотном анализаторе спектра HP3582A [1].
«Современным» способы генерации белого шума основаны на применении цифровых сдвиговых регистров с обратной связью, реализованных на схемах с программируемой логикой. А некоторые авторы для генерации белого гауссовского шума даже использовали массивы работающих параллельных микроконтроллеров.
Ниже описано чисто аналоговое решение, основанное на легкодоступных дешевых компонентах, которые, при желании быстро собрать прототип на макетной плате, даже можно приобрести в корпусах со штыревыми выводами.
Общеизвестно, что хорошим источником широкополосного шума является стабилитрон. Поэтому главной задачей становятся поиски стабилитрона, характеристика которого была бы плоской в пределах интересующего вас диапазона. В широкополосном (5 МГц) генераторе шума, построенном в свое время Джимом Вильямсом (Jim Williams), использовался стабилитрон с напряжением стабилизации 6.8 В. Распространены, также, и источники шума на обратносмещенном переходе база-эмиттер NPN транзистора.
Целью разработки было создание достаточно мощного источника шума для Фурье-анализа, имеющего плоскую характеристику в полосе частот от 1 Гц до 100 кГц. Стабилитрон 6.8 В, и в самом деле, генерировал интенсивный шум, однако я обнаружил в нем большую составляющую 1/f в области нижних частот, и, кроме того, его спектральную характеристику сложно было назвать плоской. Поэтому в своей конструкции в качестве источника шума я использовал проверенный временем 12-вольтовый стабилитрон. Мои исследования показали, что эти диоды имеют мощный и равномерный спектр шума и хорошо работают при сильно разряженных батареях 9 В, которые были использованы в схеме [2].
Собственный шум выбранного стабилитрона при питании его напряжением 18 В через резистор 1 МОм составляет примерно 20 мВ с.к.з. Пиковое значение примерно в пять раз больше и находится в пределах 100 мВ.
Чтобы не беспокоиться об ошибке смещения по постоянному напряжению, я выбрал почтенный сдвоенный операционный усилитель LF412 на полевых транзисторах, с помощью которого дважды усилил шум диода на 10.
Получившаяся схема изображена на Рисунке 1. На стабилитрон через резистор 1 МОм подано обратное напряжение 18 В от двух включенных последовательно батарей 9 В. Микросхема LF412 питается напряжением ±9 В, средняя точка которого взята от точки соединения батарей. Небольшой входной ток и малое напряжение смещения позволяют обойтись без выходных развязывающих конденсаторов, поскольку постоянная составляющая напряжения на выходах отличается от уровня «земли» на единицы милливольт. Хотя LF412 не является малошумящим усилителем, его шумы все же существенно ниже шумов стабилитрона, и здесь можгут не учитываться.
 |
||
| Рисунок 1. | Выходное напряжение этого низкочастотного генератора шума равно 1 или 10 В пик-пик в диапазоне частот от 1 Гц до 100 кГц. | |
Шум стабилитрона последовательно усиливается с помощью U1A и U1B до пиковых уровней примерно 1 В и 10 В. Если этого слишком много для тестируемой схемы, с помощью резисторов R8 и R9 выходные напряжения можно поделить до любого необходимого значения.
На Рисунке 2 показана результирующая шумовая характеристика схемы, плоская, как можно видеть, в полосе частот от 1 Гц до 100 кГц. Небольшой спад частотной характеристики на выходе х100 в районе 100 кГц составляет менее 0.5 дБ, и при необходимости может быть скомпенсирован соответствующей частотно-зависимой коррекцией усиления U1B. Однако для многих целей это будет совершенно излишним. Для сравнения на Рисунке 2 показана шумовая характеристика линейного стабилизатора LM317, включенного с конденсаторами минимально возможной емкости. Это иллюстрирует многочисленные утверждения, что «LM317 – очень шумный регулятор». Несложно заметить, что до стабилитрона 12 В ему очень далеко.
 |
||
| Рисунок 2. | Спектральная плотность мощности в диапазоне частот от 1 Гц до 100 кГц практически постоянна. Для сравнения показана шумовая характеристика стабилизатора LM317, считающегося очень сильно шумящим прибором. | |
Благодаря использованию стабильных маломощных усилителей на полевых транзисторах и керамических конденсаторов в цепях развязки, компонента шума 1/f, индуцируемая температурными градиентами от блуждающих воздушных потоков, сведена к минимуму. Тем не менее, конструкцию следует заключить в какой-то корпус и держать ее подальше от циркулирующих потоков воздуха.
Схема потребляет всего 4 мА и надежно работает даже с разряженными до 7 В батареями. Такая глубина разряда при указанном токе позволяет утверждать, что устройство проработает на простых щелочных батареях более 100 часов. По мере разряда батарей шум схемы изменяется примерно на 15%. Если это нежелательно, можно, усложнив цепь питания стабилитрона, сделать ее менее зависящей от внешних факторов.
Ссылки
