Генератор шума: теория и практика

21 сентября 2020

Генераторы шума могут быть применены в ряде задач, не исключая измерения АЧХ фильтров и КСВ антенн, генерации случайных чисел, контроля качества беспроводных систем, и так далее. В прошлый раз мы использовали готовый генератор шума с eBay. Теперь же предлагается разобраться, как работает генератор шума и попробовать сделать его самостоятельно.

Теория

Воспользуемся следующей схемой:

Схема генератора шума

Она была найдена в замечательной книге Experimental Methods in RF Design. В оригинальной схеме указаны транзисторы 2N3904, а стабилитроны D1 и D2 рекомендуются на 5 В. В то же время отмечается, что выбор этих компонентов не критичен. Они были заменены на то, что было под рукой — транзисторы 2N2222 и стабилитроны 1N4736 на 6.8 В. Резисторов 330 Ом на пол ватта тоже не нашлось. На их месте использовалась пара резисторов 680 Ом на четверть ватта, соединенные параллельно.

Схема работает примерно так. В начальный момент времени D1 имеет очень высокое сопротивление, и ток через него почти не течет. Это позволяет конденсатору C1 зарядиться через R1 до достижения напряжения пробоя D1. В этот момент сопротивление D1 резко падает и через него идет ток. Но длится это недолго, поскольку C1 разряжается ниже напряжения пробоя D1 и тот снова закрывается. Так повторяется до бесконечности, за счет чего и генерируется шум. Он усиливается транзистором Q1.

Левая часть схемы представляет собой базовый генератор шума. Правая часть схемы почти идентична. Она генерирует собственный шум, а также усиливает шум первого генератора. Это позволяет увеличить амплитуду и расширить спектр шума.

Практика

Генератор у меня получился следующим:

Самодельный генератор шума

Так его сигнал выглядит на осциллографе:

Осциллограмма шума

Это при работе генератора в высокоомную нагрузку. В нагрузку 50 Ом картина такая же, только амплитуда в два раза меньше.

А вот что говорит анализатор спектра:

Спектр шума

Перед нами частоты от 0 до 100 МГц, RBW 300 кГц. Желтый трейс соответствует фоновому шуму, а пурпурный — это выход нашего генератора. Для сравнения, простой генератор из одной ступени при таком же напряжении питания выдает -60 dBm на низких частотах и его сигнал смешивается с уровнем фонового шума выше 30 МГц.

Авторы сообщают, что генератор должен выдавать почти -50 dBm на частоте 10 МГц при RBW 300 кГц. Мы же получили этот уровень на частоте 30 МГц. Выглядит так, как если бы использованные компоненты оказались удачными.

Заключение

Генератор дешев и прост в повторении. Однако уровень генерируемого шума невысок по сравнению с покупным генератором. Эту проблему можно решить, сделав небольшой усилитель, или воспользовавшись готовым. В качестве последнего можно рекомендовать МШУ из заметки о пробниках ближнего поля.

Метки: .