МИНИАТЮРНЫЙ ГЕНЕРАТОР БЕЛОГО ШУМА ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

13.12.2022 |

Шум в электронных схемах является, как правило, отрицательным явлением, однако, в некоторых случаях его применяют для тестирования электронных схем и цепей. Так, например, поведение многих электронных схем и цепей можно проанализировать путем изменения входного сигнала в полосе частот и исследования реакции этих схем и цепей на такое изменение. Это могут быть отдельные входные синусоидальные сигналы с разными частотами, или сигнал с качающейся частотой. Отметим, что сформировать незашумленные сигналы с частотой ниже единиц герц весьма затруднительно. Такие сигналы, как правило, формируются процессором, ЦАП и прецизионным фильтром, причем при изменении частоты необходимо некоторое время для получения установившегося сигнала. Проще использовать множество источников сигналов разной частоты. Однако в этом случае есть вероятность пропуска сигналов в некоторой важной для тестируемого устройства полосе частот. Генератор белого шума проще генератора качающейся частоты, т.к. он формирует все частоты одновременно с одинаковой амплитудой сигнала. Подавая на вход тестируемой цепи белый шум, можно по сигналам отклика на выходе протестировать эту цепь. Для этого выход тестируемой схемы или цепи следует подключить к анализатору спектра сигналов. При этом можно легко выявить ложные или основные гармонические составляющие спектра. Кроме того, генератор белого шума легок в применении, компактный в исполнении и отличается невысокой стоимостью.
Каким же образом может быть построен генератор белого шума? Источником белого шума может служить тепловой шум резистора. Средний квадрат напряжения теплового шума V2 NOISE зависит только от величины активного сопротивления R и его абсолютной температуры T, и может быть рассчитан по формуле Найквиста
VNOISE=√4KTRΔf,
где К – постоянная Больцмана, Δf – полоса частот, в которой измеряется напряжение. Отметим, что в области частот, для которой выполняется неравенство hf/KT<<1, где h – постоянная Планка, спектральную плотность Sf шума можно считать постоянной и не зависящей от частоты, т.е. Sf= 4KTR.
Отсюда следует, что тепловой шум можно рассматривать в широком диапазоне частот (вплоть до 1012 Гц) как белый шум. Таким образом, напряжение спектральной плотности шума, измеренное в неизменной полосе частот, зависит только от величины сопротивления резистора, как показано в таблице.
На рис. 1 приведена простая схема генератора белого шума на основе ИМС усилителя LTC2063 и резистора R1 в качестве источника теплового или белого шума. Сопротивление резистора R1 равно 10 МОм.
Коэффициент усиления схемы определяется соотношением сопротивлений резисторов
R2, R3 и равен KU = 1 + R2/R3.
Поскольку выбранный усилитель – это усилитель с прерыванием сигнала на входе (chopper amp), емкость С1 используется в качестве фильтра пульсаций на частоте прерывания.

Рис.1. Схема генератора белого шума на основе усилителя LTC2063

Величины сопротивлений резисторов R2 и R3 выбраны таким образом, чтобы их шумы были значительно меньше, чем шум, генерируемый резистором R1.
Еще одним источником белого шума является стабилитрон. Кроме того, псевдо белый шум можно получать, используя микропроцессор с ЦАП на выходе. В этом случае период повторения псевдослучайного сигнала, формируемого микропроцессором, должен быть достаточно большим.
Внешний вид портативного генератора белого шума с батарейным питанием на основе ИМС усилителя LTC2063 приведен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид портативного генератора белого шума

Таблица. Значение спектральной плотности
шума в зависимости от величины
сопротивления резистора

Величина сопротивления резистора Спектральная плотность шума, нВ/^Гц
10 Ом 0.402
100 Ом 1.27
1 кОм 4.02
10 кОм 12.7
100 кОм 40.2
1 Мом 127
10 Мом 402

ВЫВОДЫ
Портативные генераторы белого шума для тестирования электронных цепей и устройств могут быть легко реализованы на основе прецизионного усилителя типа LTC2063 и резистора, генерирующего тепловой шум, который при определенных условиях эквивалентен белому шуму.