Генератор розового шума для тестирования звуковой аппаратуры. Генератор шума

Чтобы лучше узнать стабилитрон и познакомиться с его возможностями использования в радиолюбительских конструкциях, проведите предлагаемые эксперименты. А если они понравятся вам, оснастите описываемыми простыми устройствами свою лабораторию.

Простейший генератор шума.

Помимо генераторов, вырабатывающих сигналы синусоидальной, импульсной, треугольной и других форм, в измерительной технике пользуются и так называемыми шумовыми генераторами или генераторами шума. Особенность сигнала такого генератора в его хаотической форме и сравнительно широком диапазоне частот - от сотен герц до десятков мегагерц. Если вы впервые слышите о таком сигнале, не упустите случая познакомиться с ним, собрав генератор шума по приведенной на рис. 1 схеме.

Понадобятся три батареи 3336, соединенные последовательно, переменный резистор R1 сопротивлением 10, 15 или 22 кОм, стабилитрон VD1 типа Д808 или Д809, резистор нагрузки R2 сопротивлением от 120 до 180 Ом и фильтрующий конденсатор С 1 емкостью 4700... 10 000 пФ - он предотвращает попадание высокочастотных шумовых сигналов в цепь источника питания.

Установив сначала движок переменного резистора в крайнее правое по схеме положение, подсоедините к генератору источник питания и подключите к резистору нагрузки R2 входные щупы осциллографа, например ОМЛ-ЗМ. Входным аттенюатором или регулятором усиления (если осциллограф другой) подберите наибольшую чувствительность осциллографа (для ОМЛ-ЗМ - 0,01В /дел.) На экране должна появиться несколько размытая (утолщенная) линия развертки. Плавно перемещая движок переменного резистора в сторону левого по схеме вывода, наблюдайте за увеличением размытости - она может стать наибольшей примерно в среднем положении движка. Это и есть максимальный сигнал шума на выходе генератора, его амплитуда может составлять от десятков микровольт до единиц милливольт.

Попробуйте включить вместо VD1 другой экземпляр стабилитрона Д808 или Д809 и заметьте амплитуду шумового сигнала. Наверняка найдется стабилитрон, генерирующий наибольший сигнал.

Вообще, шумят практически все стабилитроны серий Д808 - Д813, Д814А - Д814В. А вот стабилитроны КС133А, КС147А и многие другие непригодны для работы в подобном режиме. Следует также помнить, что напряжение батареи GB1 зависит от используемого стабилитрона и оно должно превышать напряжение стабилизации хотя бы на 2 В.

А теперь о практическом использовании подобного генератора. Соедините нижний по схеме вывод резистора R2 с общим проводом (заземлением) лампового или транзисторного радиоприемника, а верхний вывод резистора подключите к антенному гнезду. На всех диапазонах (ДВ, СВ, KB, УКВ) вы услышите в динамической головке приемника шум.

Если установить в генераторе вместо резистора R2 переменный и подавать сигнал на антенный вход приемника с его движка, то громкость шума удастся изменять перемещением движка резистора. А если бы удалось измерить амплитуду выходного шумового сигнала в разных положениях движка, можно было бы либо сравнивать приемники по чувствительности, либо просто определять чувствительность того или иного приемника. Кроме того, с помощью генератора шума нетрудно отыскивать неисправность во входных цепях приемников и даже телевизоров.

Необычный генератор импульсов. Взглянув на рис. 2, вы не увидите собственно генератора, вырабатывающего импульсный сигнал. Его заменяет ограничитель синусоидального сигнала, выполненный на базе стабилитрона.

Основа нашего генератора - понижающий сетевой трансформатор, роль которого выполняет известный вам унифицированный трансформатор кадровой развертки телевизора ТВК-110ЛМ. На его вторичной обмотке можно наблюдать синусоидальный сигнал размахом около 40В (между вершинами положительной и отрицательной полуволн). Этот сигнал поступает на цепь из балластного резистора R1 и стабилитрона VD1. Во время положительного полупериода переменного напряжения на входе цепи стабилитрон выполняет свою основную функцию, в результате чего на его выводах можно наблюдать (конечно, с помощью осциллографа) ограниченную сверху полуволну синусоиды. Амплитуда результирующего сигнала зависит от напряжения стабилизации стабилитрона. Во время же отрицательного полупериода стабилитрон работает как обыкновенный диод, оставляя от отрицательной полуволны лишь часть, соответствующую прямому напряжению диода.

В итоге формируется импульсный сигнал (его форма при соответствующем переменном напряжении может соответствовать показанной зеленым цветов), основание которого немного смещено вниз относительно линии развертки (если, конечно, осциллограф работает в режиме открытого входа).

При испытании других стабилитронов в таком режиме резистор R1 должен быть такого сопротивления, при котором максимальный ток через стабилитрон будет выше I ст min и ниже I ст max

Стабилитрон - ограничитель напряжения. Представьте ситуацию, когда вашему транзисторному приемнику требуется питание напряжением, скажем, 9В, а в распоряжении есть сетевой блок с фиксированным постоянным напряжением 15 В, Как быть?

Конечно, первая мысль - включить в цепь питания постоянный резистор, гасящий излишек напряжения. Но такой способ неприемлем из-за того, что в зависимости от громкости звука будет изменяться потребляемый приемником ток, а значит, и напряжение на нем.

Если же вместо гасящего резистора включить в цепь питания стабилитрон (рис. 3), проблема будет решена. Теперь напряжение на нагрузке (приемнике) станет равным разности напряжений блока питания и стабилизации стабилитрона. В этом легко убедиться с помощью вольтметра постоянного тока.

Поскольку у разных экземпляров стабилитронов может отличаться напряжение стабилизации, более точно (если это нужно) выходное напряжение можно подобрать включением диода VD2 последовательно со стабилитроном. Тогда общее гасящее напряжение составит сумму напряжений стабилизации и прямого для данного диода. В свою очередь, диод ставят либо германиевый (у него прямое напряжение может быть около 0,5 В), либо кремниевый (до 1,2 В), либо два-три последовательно соединенных диода. Можно также соединять последовательно несколько стабилитронов (даже с разными напряжениями стабилизации) для получения нужного гасящего напряжения. В любом варианте значение выпрямленного тока диода (или диодов) должно превышать ток нагрузки, а последний не должен быть более максимального тока стабилизации стабилитрона (или любого из соединяемых последовательно стабилитронов).

И еще следует помнить, что стабилитрон следует включать в этой цепи в обратном направлении, а диод - в прямом.

Как растянуть шкалу вольтметра. Контролируя какое-то напряжение, иногда бывает нужно либо следить за его колебаниями, либо более точно измерить. Скажем, при эксплуатации автомобильной аккумуляторной батареи важно следить за изменением ее напряжения в диапазоне 12...15 В. Именно этот диапазон желательно было бы разместить на всей шкале стрелочного индикатора вольтметра. Но, как вы знаете, отсчет на любом из диапазонов практически всех измерительных приборов идет от нулевого значения и добиться более высокой точности отсчета на интересующем участке невозможно.

И тем не менее существует способ растяжки практически любого участка шкалы (начало, середина, конец) вольтметра постоянного тока. Для этого нужно воспользоваться свойством стабилитрона открываться при определенном напряжении, равном напряжению стабилизации. К примеру, для растяжки конца шкалы диапазона 0...15В достаточно использовать стабилитрон в такой же роли, что и в предыдущем эксперименте.

Взгляните на рис. 4. Стабилитрон VD1 включен последовательно с однопредельным вольтметром, составленным из стрелочного индикатора РА 1 и добавочного резистора R2. Как и в предыдущем эксперименте, стабилитрон съедает часть измеряемого напряжения, равного напряжению стабилизации. В результате на вольтметр будет поступать напряжение, превышающее напряжение стабилизации.

Это напряжение и станет своеобразным нулем отсчета, а значит, на шкале растянется лишь разница между наибольшим измеряемым напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона.

Показанное на рисунке устройство рассчитано на контроль напряжения аккумуляторной батареи в диапазоне от 10 до 15В, но этот диапазон можно изменить по желанию соответствующим подбором стабилитрона и резистора R2.

Каково назначение резистора R1? В принципе, он не обязателен. Но без него, пока стабилитрон закрыт, стрелка индикатора остается на нулевой отметке. Введение же резистора позволяет наблюдать напряжение до 10В на начальном участке шкалы, но этот участок будет сильно сжат.

Собрав показанные на схеме детали и соединив их со стрелочным индикатором РА 1 (микроамперметр М2003 с током полного отклонения стрелки 100 мкА и внутренним сопротивлением 450 Ом), подключают щупы ХР1 и ХР2 к блоку питания с регулируемым выходным напряжением. Плавно увеличивая напряжение до 9...9,5В, заметите небольшое отклонение стрелки индикатора - всего на несколько делений в начале шкалы. Как только при дальнейшем увеличении напряжения оно превысит напряжение стабилизации, угол отклонения стрелки будет резко возрастать. Примерно с напряжения 10,5 до 15В стрелка пройдет почти всю шкалу.

Чтобы убедиться в роли резистора R1, отключите его и повторите эксперимент. До определенного входного напряжения стрелка индикатора останется на нулевой отметке.

Продолжение следует…

3.4.3. Генераторы акустического шума

Акустические генераторы шума используются для зашумления акустического диапазона в помещениях и в линиях связи, а также для оценки акустических свойств помещений.

Под "шумом" в узком смысле этого слова часто понимают так называемый белый шум, характеризующийся тем, что его амплитудный спектр распределен по нормальному закону, а спектральная плотность мощности постоянна для всех частот.

В более широком смысле под шумом, по ассоциации с акустикой. понимают помехи, представляющие собой смесь случайных и кратковременных периодических процессов. Кроме белого шума выделяют такие разновидности шума, как фликкер-шум и импульсный шум. В генераторах шума используется белый шум, так как даже современны ми способами обработки сигналов этот шум плохо отфильтровывает ся. Ниже приводятся несколько схем различных генераторов шума.

Генератор белого шума

Самым простым методом получения белого шума является использование шумящих электронных элементов (ламп, транзисторов, различных диодов) с усилением напряжения шума. Принципиальная схема несложного генератора шума приведена на рис. 3.29.

Источником шума является полупроводниковый диод - стабилитрон VD1 типа КС168, работающий в режиме лавинного пробоя при очень малом токе. Сила тока через стабилитрон VD1 составляет всего лишь около 100 мкА. Шум, как полезный сигнал, снимается с катода стабилитрона VD1 и через конденсатор С1 поступает на инвертирую щий вход операционного усилителя DA1 типа КР140УД1208. На не инвертирующий вход этого усилителя поступает напряжение смещения, равное половине напряжения питания с делителя напряжения выполненного на резисторах R2 и R3. Режим работы микросхемы определяется резистором R5, а коэффициент усиления - резистором R4. С нагрузки усилителя, переменного резистора R6 , усиленное напряжение шума поступает на усилитель мощности, выполненный на микросхеме DA2 типа К174ХА10. Работа этого усилителя подробно описана в главе 2. С выхода усилителя шумовой сигнал через конденсатор С4 поступает на малогабаритный широкополосный громкоговоритель В1. Уровень шума регулируется резистором R6.

Стабилитрон VD1 генерирует шум в широком диапазоне частот от единиц герц до десятков мегагерц. Однако на практике он ограничен АЧХ усилителя и громкоговорителя. Стабилитрон VD1 подбирается по максимальному уровню шума, так как стабилитроны представляют собой некалиброванный источник шума. Он может быть любым с напряжением стабилизации менее напряжения питания.

Микросхему DA1 можно заменить на КР1407УД2 или любой операционный усилитель с высокой граничной частотой коэффициента единичного усиления. Вместо усилителя на DA2 можно использовать любой УЗЧ.

Для получения калиброванного по уровню шума генератора используют специальные шумящие вакуумные диоды. Спектральная плотность мощности генерируемого шума пропорциональна анодному току диода. Широкое распространение получили шумовые диоды двух типов 2ДЗБ и 2Д2С. Первый генерирует шума полосе до 30 МГц, а второй - до 600 МГц. Принципиальная схема генератора шума на шумящих вакуумных диодах приведена на рис. 3.30.

Резистор R1 типа МЛТ-0,25. Резистор R2 проволочный, он используется совместно с диодом 2ДЗБ. Питание генератора осуществляется от специального блока, схема которого приведена на рис. 3.31.

Цифровой генератор шума

Цифровой шум представляет собой временной случайный процесс, близкий по своим свойствам к процессу физических шумов и называется поэтому псевдослучайным процессом. Цифровая последовательность двоичных символов в цифровых генераторах шума называется псевдослучайной последовательностью, представляющей собой последовательность прямоугольных импульсов псевдослучайной длительности с псевдослучайными интервалами между ними. Период повторения всей последовательности значительно превышает наибольший интервал между импульсами. Наиболее часто применяются последовательности максимальной длины - М-последовательности, которые формируются при помощи регистров сдвига и сумматоров по модулю 2, использующихся для получения сигнала обратной связи.

Принципиальная схема генератора шума с равномерной спектральной плотностью в рабочем диапазоне частот приведена на рис. 3.32.

Этот генератор шума содержит последовательный восьмиразрядный регистр сдвига, выполненный на микросхеме К561ИР2, сумматор по модулю 2 (DD2.1), тактовый генератор (DD2.3, DD2.4) и цепь запуска (DD2.2), выполненные на микросхеме К561ЛП2.

Тактовый генератор выполнен на элементах DD2.3 и DD2.4 по схеме мультивибратора. С выхода генератора последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования около 100 кГц поступает на входы "С" регистров сдвига DD1.1 и DD1.2, образующих 8-разpядный pегистpа сдвига. Запись инфоpмации в pегистpа пpоисходит по входам "D". На вход "D" pегистpа DD1.1 сигнал поступает с элементa обратной связи сумматора по модулю 2 - DD2.1. При вккочении питания возможно состояние регистров, когда на всех выходах присутствуют низкие уровни. Так как в регистрах М-последовательности запрещено появление нулевой комбинации, то в схему введена цепь запуска генератора, выполненная на элементе DD2.2. При включении питания последний формирует на своем выходе уровень логической единицы, который выводит регистр из нулевого состояния. На дальнейшую работу генератора цепь запуска не оказывает никакого влияния. Сформированный псевдослучайный сигнал снимается с 8-го разряда регистра сдвига и поступает для дальнейшего усиления и излучения. Напряжение источника питания может быть от 3 до 15 В.

В устройстве использованы КМОП микросхемы серии 561, их можно заменить на микротомы серий К564, К1561 или К176. В последнем случае напряжение питания должно быть 9 В.

Правильно собранный генератор в налаживании не нуждается. Изменением тактовой частоты можно регулировать диапазон частот шума и интервал между спектральными составляющими для заданной неравномерности спектра.

Предназначен для создания помех в акустическом диапазоне в различных помещениях и в линиях связи. Достаточно простым способом создания белого шума является применение «шумящих» радиоэлектронных элементов (электроламп, стабилитронов, транзисторов, различных диодов) с последующим усилением напряжения шума.

Описание работы простого генератора белого шума

В данной схеме источником шума является полупроводниковый элемент, а именно стабилитрон VD1 (КС168А). Этот стабилитрон функционирует в режиме лавинного пробоя при весьма небольшом токе. Сила тока протекающего сквозь данный стабилитрон равна всего-навсего около 100 мкА.

Электронный шум, как ценный сигнал, принимается с катода стабилитрона VD1 и сквозь неполярный конденсатор С1 идет на инвертирующий вход 2 DA1 операционного усилителя (КР140УД1208). С делителя напряжения состоящего из резисторов R2 и R3 напряжение смещения поступает на другой вход 3 DA1 этого же усилителя.

Порядок работы микросхемы DA1 обусловливается сопротивлением резистора R5, а коэффициент усиления сопротивлением резистором R4. Нагрузкой усилителя DA1 является переменный резистор R6. С него выделенный сигнал идет на усилитель мощности DA2, построенный на микросхеме К174ХА10.

Усиленный сигнал с выхода DA2 через полярный конденсатор С4 идет на малогабаритную динамическую головку В1. Степень шума регулируется переменным резистором R6. Стабилитрон VD1 создает шум в большом диапазоне частот от нескольких герц до нескольких десятков мегагерц. Тем не менее, практически он ограничен АЧХ операционного усилителя и динамической головкой воспроизводящей сигнал.

Детали генератора

Стабилитрон VD1 можно применить любой с напряжением стабилизации меньше чем источник питания схемы. Из имеющихся стабилитронов необходимо выбрать тот, который имеет наибольший уровень шума. Усилитель DA1 возможно поменять на микросхему КР1407УД2 или любой другой операционный усилитель с наивысшей частотой коэффициента усиления. Взамен микросхемы на DA2 можно поставить любую другую микросхему УЗЧ.

:: Помощь

В самом начале своих занятий радиоэлектроникой, я очень хотел сделать генератор шума. Тогда не было плееров и казалось очень привлекательным самому сделать источник мягкого розового шума или шума прибоя, чтобы вставить в уши наушники, заглушить окружающие звуки, отключиться от мира и спокойно медитировать, например, в общественном транспорте. Но тогда сделать своими руками такое устройство мне так и не удалось. Схемы, которые я находил в литературе, не работали.

Генератор шума состоит из двух частей: источника шума и усилителя. Если мы хотим получить не белый шум, то усилитель должен быть с частотно-зависимой характеристикой. Например, розовый шум получается, если понизить коэффициент усиления усилителя на высоких частотах.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

Вопрос автору. Здравствуйте! Правильно ли я понял, что на операционном усилител е, например, на указанном 544 уд1, используются 3 ножки (из 8)- питание(+,-) и выход? Паяли ли схему сами? Если да, то можно ли просто вывести на наушники, без подключения к доп.усилителю? и еще, что скажете насчет вот такой схемы: [ссылка удалена] Благодарю.

Белый шум - это звук, который вы слышите, когда телевизор настроен на частоту несуществующей станции. Его спектральная плотность растет с крутизной 3 дБ/октава, поэтому белый шум не годится в качестве источника для тестирования аудиоаппаратуры. Если же объединить источник белого шума и фильтр с крутизной спада 3 дБ/октава, можно получить очень хорошее приближение к «настоящему» розовому шуму, когда мощность в пределах каждой октавы будет одинакова. Например, мощность в полосе частот 40…80 Гц будет равна мощности в полосе частот 10…20 кГц.

В показанной на рис. 1 схеме фильтр сделан на недорогом ОУ типа . Нет никаких оснований использовать дорогие малошумящие усилители в схеме, которая предназначена для того, чтобы шуметь.

Рисунок 1.

Смещенный в обратном направлении базо-эмиттерный переход транзистора BC548 шумит как хороший стабилитрон. При указанных на схеме номиналах, среднее шумовое напряжение в полосе частот равно 30 мВ. «Транзисторные стабилитроны» не слишком надежны, в том смысле, что напряжение пробоя у них может варьировать, в зависимости от экземпляра, от 5 до 10 В, хотя обычно пробивное напряжение транзисторов находится где-то около 9 В. Иногда обнаруживается, что транзистор шумит очень слабо. В таком случае, надо просто взять другой.

Первый каскад ОУ выполняет роль буферного усилителя с очень высоким входным сопротивлением, чтобы не нагружать источник шума. Усиление буферного каскада равно 11 (20.8 дБ). Постоянное напряжение на выходе буферного усилителя должно быть таким же (или отличаться совсем ненамного), как на «транзисторном стабилитроне».

Вывод 8 ОУ подключается к положительному полюсу батареи, вывод 4 - к отрицательному. Не перепутайте, а то погубите усилитель.

Маркированные буквами «NP» конденсаторы - электролитические, неполярные. Можно было бы применить и пленочные, но они дороговаты для проекта, который мы решили сделать дешевым. А конденсаторы нужны именно неполярные, из-за непредсказуемого знака напряжения на C4 и практически полного отсутствия постоянного смещения на C8.

Второй каскад усилителя - это как раз фильтр с линейным спадом 3 дБ/октава в полосе частот 20 Гц…20 кГц. Фильтр превращает белый шум в розовый, обеспечивая постоянство энергии в каждой из 10 октав звукового диапазона.

Из за высокого пробивного напряжения «транзисторного стабилитрона», напряжение питания приходится делать достаточно высоким. Мы используем две стандартные батарейки по 9 В, включенные последовательно так, что суммарное напряжение равно 18 В. Светодиодную индикацию мы намеренно исключили из схемы, так как один светодиод потребляет тока больше, чем вся остальная схема.
Выключатель питания должен быть двухполюсным, чтобы отключать обе батареи. Средняя точка батарей является «землей» схемы.

Схему можно собрать на куске макетной платы и поместить в подходящий пластмассовый или металлический корпус. Номиналы компонентов некритичны, поэтому вполне подойдут резисторы и конденсаторы с допуском 5%. Использование металлопленочных 1% резисторов для снижения уровня шума в этой схеме лишено всякого смысла. Транзисторы используйте маломощные, любые, какие есть под рукой. Сдвоенный ОУ (или два одиночных) тоже могут выбираться практически произвольно, лишь бы они подходили по напряжению питания. Но не забывайте, что не у всех микросхем цоколевки совпадают.

Если у вас есть осциллограф, или есть, у кого его взять на время, убедитесь, что шумовой сигнал не обрезается усилителями. На слух это не определить, а отсечка искажает энергетический спектр сигнала, и шум перестает быть розовым. Если отсечка обнаружена, или у вас есть подозрение, что она существует, увеличьте номиналы резисторов R3 или R4 (любого, но не обоих сразу). Увеличение номинала вдвое уменьшает выходное напряжение наполовину.

В принципе, существуют цифровые генераторы «псевдо случайного» шума, но мне они не нравятся, так обладают цикличностью, очень заметной на слух. В нашей же схеме шум на самом деле случайный.

Рисунок 2.

На Рисунке 2 показана передаточная характеристика фильтра с наклоном -3 дБ/октава. Она не вполне совершенна, но идеальных фильтров я никогда и не встречал. А того, что получилось, более чем достаточно для большинства целей. Небольшой спад на низких частотах, обусловленный конденсатором C7 и выходным конденсатором фильтра, реально чуть больше, чем изображено на графике, но ошибка не превышает 1 дБ во всем диапазоне звуковых частот.

Использование генератора шума

Подключите генератор к предусилителю и постепенно увеличивайте громкость до уровня спокойной речи. Это будет примерно 65 дБ. Внимательно слушайте, стараясь обнаружить какие-то особенности звука, как например, низкий шум, или наличие точек, в которых сигнал исчезает, или же что-то, что просто не похоже на чистый шум. Вероятно, вам придется немного попрактиковаться в этом занятии. Если у вас есть графический эквалайзер, вам будет проще понять, как влияют на звук пики и провалы частотной характеристики.

Попробуйте прослушать сигнал генератора в хороших наушниках, а затем через акустическую систему в комнате, и сравнить результаты. Возможно, они удивят вас.