13. СПОСОБЫ СТАБИЛИЗАЦИИ МОЩНОСТИ ФЛУКТУАЦИЙ

Необходимость в стабилизации мощности флуктуаций связана прежде всего с нестабильностью параметров первичных источников шума, их зависимостью от величины питающих напряжений.

Способы стабилизации мощности шумов основаны на глубоком двустороннем ограничении шумов в ограничителе или использовании систем автоматической регулировки усиления.

Первый способ состоит в ограничении флуктуаций перед поступлением их на формирующий фильтр. Чем меньше относительный уровень ограничения тем меньше дисперсия флуктуаций на выходе ограничителя зависит от их дисперсии на его входе (рис. 39).

Рис. 39. Характеристика ограничителя.

В самом деле, если между дисперсиями на входе и выходе ограничителя нарушается Прямая пропорциональности, т. е. величина

с уменьшением будет убывать, то схема ограничителя будет выполнять роль стабилизатора дисперсии. Но сама по себе стабилизация дисперсии малоинтересна, так как после ограничителя в генераторах, как правило, устанавливается фильтр нижних частот, нормализующий шумы. Поэтому в качестве количественной меры стабилизирующих свойств ограничителя целесообразно наряду с величиной принять производную:

Так как без ограничителя

где коэффициент пропорциональности, то

Стабилизирующие свойства ограничителя проявятся, если будет удовлетворяться условие

Если на вход ограничителя поступают нормальные флуктуации с корреляционной функцией

то корреляционная функция напряжения на выходе ограничителя будет определяться формулой

где производная нормального интегрального закона распределения; - дисперсия флуктуаций на выходе ограничителя.

Рис. 40. Зависимость относительной дисперсии от относительного уровня ограничения.

Рис. 41. Характеристика стабилизирующих свойств ограничителя.

Кривая приведена на рис. 40. Нетрудно показать, что

Все входящие в формулу (79) функции табулированы. Но для инженерных расчетов при формулу (79) можно существенно упростить. Производя замены получим:

На рис. 41 приведены зависимости по точной (сплошная линия) и приближенной формулам.

Отсюда следует, что симметричный двусторонний ограничитель при глубоком ограничении обладает хорошими стабилизирующими свойствами по отношению к мощности флуктуаций. Нетрудно убедиться, что примерно в той же степени, что и диоперсия, стабилизируется спектральная плотность у нулевых частот.

Спектральная плотность у нуля в соответствии с (5) определяется формулой

следовательно,

Рассмотрим частный случай. Пусть флуктуации на входе ограничителя имеют спектральную плотность

и корреляционную функцию

Подставив (83) в (82) и проведя интегрирование, получим:

Функция с ростом очень быстро убывает, поэтому с ошибкой, не превышающей 5%, можно принять:

Коэффициент слабо зависит от уровня ограничения (при изменении от 0,1 до 1 он меняется от 0,646 до 0,901), поэтому можно считать, что нестабильность спектральной плотности у нуля частот определяется только нестабильностью дисперсии Этот результат непосредственно вытекает и из известного факта, что времся корреляции процессов на входе и выходе ограничителя сравнительно мало отличается друг от друга,

Таким образом, использование двустороннего ограничителя в качестве устройства, стабилизирующего интенсивность флуктуаций, дает хорошие результаты. Однако следует иметь в виду, что нормализация процесса на выходе фильтра требует использования на его входе сравнительно широкополосных флуктуаций.

Рис. 42. Блок-схема устройства для непосредственной стабилизации уровня генерируемых шумов.

Во всяком случае, ширина спектра на входе ограничителя должна в 5—10 раз превосходить полосу формирующего фильтра. В качестве ограничителей целесообразно использовать полупроводниковые диоды—стабилитроны, так как при этом ограничение получается стабильным по порогу.

Второй способ стабилизации интенсивности флуктуаций состоит во включении в схему генератора системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Хотя в схемном отношении системы стабилизации интенсивности шумов совпадают с обычными схемами АРУ, теория их достаточо сложна. Рассмотрим некоторые схемы АРУ по шумам (ШАРУ). Регулировка усиления возможна только в том случае, если в цепи усиления используются лампы с переменной крутизной, поэтому система ШАРУ искажает распределения амплитуд усиливаемого сигнала. Для получения нормальных флуктуаций требуется их нормализовать путем дополнительной фильтрации. Указанное обстоятельство привело к появлению схем регулировки интенсивности флуктуаций, получаемых непосредственно от первичного источника. Осуществить такую регулировку можно различными путями. Так, при использовании в качестве первичного источника вакуумного насыщенного диода регулируется напряжение накала диода. Флуктуации с выхода усилителя УШ (рис. 42) поступают на амплитудный детектор

сравниваются с опорным напряжением и подаются на реверсивный двигатель регулирующий величину напряжения накала диода, а вместе с тем и интенсивность флуктуации. Величина определяет уровень, у которого стабилизируется интенсивность флуктуаций. При использовании источников флуктуаций других типов можно регулировать другие источники питания (например, для тиратрона или фотоэлектронного умножителя — анодное напряжение).

Наиболее сложным при создании систем ШАРУ является выбор постоянной времени сглаживающего фильтра на выходе детектора. С одной стороны, полосу фильтра желательно выбирать как можно более узкой, так как проходящая на его выход флуктуационная составляющая модулирует по амплитуде стабилизируемые флуктуации и тем самым искажает их спектр. С другой стороны, полоса фильтра должна быть достаточно широкой, чтобы пропустить спектр флуктуаций нестабильности схемы. Так как последние имеют ширину порядка сотых долей герц, то такого же порядка должна быть и полоса фильтра. Хорошие результаты получаются при использовании в качестве сглаживающего устройства активных фильтров в виде схем с линейным разрядом конденсатора. Пример такой схемы приведен на рис. Стабилизируемое напряжение шумов поступает на каскад с регулируемым напряжением смещения (лампа После дополнительного усиления в двух каскадах (лампа шумы подаются на амплитудный детектор Активный фильтр (схема с линейным разрядом конденсатора) собран на лампе

Наряду с возможностью получать практически неограниченные постоянные времени, активные фильтры обеспечивают весьма высокий коэффициент усиления петли ШАРУ, что важно с точки зрения обеспечения высокой стабильности интенсивности шума на выходе схемы. Точка, у которой стабилизируются флуктуации, определяется положением движка потенциометра Так как постоянная времени всей петли ШАРУ велика, то устанавливать трёбуемый уровень флуктуаций потенциометром неудобно. Кроме того, при этом будут меняться стабилизирующие свойства схемы. Для увеличения стабильности работы схемы в цепи катода лампы и экранной сетки включены стабилитроны.

Задача стабилизации средней частоты ХИП аналогична задаче стабилизации интенсивности флуктуаций, так как число выбросов, превосходящих уровень срабатывания формирующего порогового устройства, пропорционально напряжению шумов.

Рис. 43. Принципиальная схема регулятора уровня шумов.

На детектор системы стабилизации могут подаваться шумы или импульсы (см. рис. 17). При стабилизации ХИП к сглаживающим фильтрам также предъявляются весьма жесткие требования, так как флуктуации, проходящие на выход фильтра, модулируют генерируемые импульсы по частоте, нарушая закон распределения интервалов между ними.