限带白噪声发生器的研制

限带白噪声介绍

《自动化仪表》第22卷第4期　2001年4月

限带白噪声发生器的研制

TheStudyandDevelopmentofLimitedBandWhiteNoiseGenerator

赵战略　徐正红(西安交通大学,西安　710049)

关键词:白噪声发生器　限带　开关电容滤波器

Key　words:Whitenoisegenerator　Limitedband　Switching

capacitancefilter

入基区。虽然单位时间内注入基区的载流子平均数是一定的,但是,,。这就使得注入基区的,从而引起。这种由于载流子各自独立而随机地通过势垒所引起的噪声,称为散粒噪声。

电流强度平均值为I的一系列独立的随机电流脉冲所产生的散粒噪声电流均方值可以表示如下:

i2=2qIΔf

(1)(2)

摘　要　针对市售白噪声发生器价格昂贵,不利于一般场合使用的问题,介绍利用双极性晶体管散粒噪声功率谱密度在非常宽的范围内与频率无关,属白噪声这一特性,有效的限带白噪声发生器,并给出了具体电路Abstract　Toagainstthefactofthenoisegeneratorsareverywhichgeneralop2erations,asimpleandbandwhitenoisegeneratorisdesign.Thegeneratorisusingtheofdualpolaritytransistor,i.e.,thepowerspectrumdensityofparticulatenoiseisnotrelatedtofrequencyinverywidebandandclosetowhitenoise.Thecon2cretecircuitisalsogiven.

其功率谱密度为

S(f)=2qI

白噪声作为一种理想信号,在数学处理上具有简单、方便等优点,所以在系统辨识、线性系统分析和信号分析与处理中都有极重要的地位。在实际工作中,所研究某一系统的随机过程,只要满足该过程的功率谱密度在比系统带宽大得多的频率范围内近似均匀分布这一条件,就可以把它作为白噪声来处理,而不会带来多大误差。然而,市售的白噪声发生器相当昂贵,使它的应用受到一定限制。

本文在对双极性晶体管的散粒噪声的功率特性进行分析之后,利用它在极宽的频带范围内具有均匀的功率谱这一特性,设计实现了一个非常简洁有效的带宽可调的限带白噪声发生器,可以满足实验室或一般应用场合的要求。而且,该发生器已经成功的应用于基于非线性频谱分析的故障诊断方法研究中。

由式(2)可知,散粒噪声的功率谱密度与频率无关,属于白噪声。然而值得强调的是该式只在中低频范围内有效,在高频区(接近1GHz),散粒噪声也将随频率的上升而增加。尽管如此,在极宽的频带范围内,其功率谱密度仍与频率无关。而且,实验还发现,PN结反向击穿会使散粒噪声激增。

总之,PN结的散粒噪声具有以下特征:①在非常宽的频率范围内,从几赫兹到微波频段,其功率谱密度与频率无关,即呈白噪声;②基极-发射极的PN结反向击穿时,噪声强度激增。因此可以用作高性能的固态噪声源。

2　电路系统设计[2]

白噪声信号发生器电路原理图如图1所示。发生器是利用普通的双极性晶体管9014,它由双极性晶体管2N2222提供恒流源偏置。为了增加可得到的散粒噪声,9014的集电极处于开路而基极-发射极则为反向偏置。此时,BJT连接成其发射结处于反向击穿状态。　　

采用这样的配置,发射极-基极结的反向击穿电压可以很容易地用一般的频谱分析仪观察,其频谱带宽约为300MHz,而功率输出大约是-70dBm。

为了增大噪声功率,后级电路对散粒噪声进行了

1　散粒噪声的特性[1]

在双极性晶体管和半导体二极管等器件中,流动的电流不是平滑和连续的,而是各个携带着一个电子电荷的载流子的流动产生的电流脉冲之和。其原因在于这些器件中有势垒存在,而载流子通过势垒是随机发生的一系列独立事件。对于晶体管,当发射结处于正向偏置时,就有载流子越过发射结势垒由发射区注6

PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION,Vol.22,No.4,Apr.,2001

限带白噪声介绍

限带白噪声发生器的研制　赵战略,等

MF4A时钟输入端的频率fclock,其中时钟频率fclock=1/1169RC,R为电位器Rw2的阻值,通过调节Rw2,可

以方便地改变输入时钟频率。截止频率fco和时钟输

入的频率fclock有1∶50的关系,这样也就改变了截止频率率fco,从而改变了输出信号的带宽。其中,电位器Rw3用来调节滤波器输出的零电位。

为了增大输出信号,后级采用输出放大电路,保证了在输出负载不小于200Ω时,输出信号的幅度可以在±10V范围内调节。

3　结论

①,可以产生频带在,200Ω时,信号峰-峰值在±10V;

②该限带白噪声发生电路作为非线性系统广义频率响应函数(GFRF)模型辨识的信号源,已经成功的应用于“基于非线性频谱分析的故障诊断检测与诊断方法”项目中,该项目已经通过了国家自然基金委员会信息科学部主持的鉴定。

收稿日期:2000-06-19。

第一作者赵战略,男,1975年生,现为在读博士生;主要从事控制系统数据融合方面的研究。

图1　白噪声信号发生器电路原理图

放大。首先是将直流信号滤除过,因而滤直电容C1RμF,R3200k。NE5532是一较大,C1容值为1

个性能优良的低噪声电压放大器,工作电压为±12V,由它组成的跟随器,工作带宽为10MHz,这样经过跟随器的输出噪声带宽限制在10MHz内,峰-峰值范围为±5mV。信号再经过一级电压增益为100的放大电路,然后输入给一个4阶的Butterworth开关电容低通滤波器电路TLC04/MF4A,该电路的低通截止频率在011～30kHz范围内是可调的,只需调节TLC04/

(上接第5页)

控对象(如液位、温度、压力、流量等)的工作状态和实时数据与WWW结合起来,通过计算机网络将各类实时数据、画面、曲线接入Web服务器,并以HTML文本形式进行实时发布,使得任何一个授权用户都可以通过浏览器监视或远程监视现场的工作和生产状况。

我们先通过各类现场总线将采集到的实时数据传入各车间主控机并动态显示,同时在后台将这些实时数据上网。由于来自各车间的数据结构多种多样且存在数据冗余,因此利用自编的网关软件将其过滤,并把数据结构统一转换为某一类数据库。处理后的数据最终进入企业总部调度中心的数据库服务器,形成基于全企业的实时数据库,再以数据库引擎(如ODBC)将该数据库挂接。再用自编制的ActiveX控件来实现对网页上的动态信息的处理,让ActiveX控件每隔一定时间访问实时数据库,将所需数据取出并在网页上显示。最后将这些控件嵌入由HTML生成的各类网页中。这样,就可以在客户端的浏览器上,通过各类自定义的页面来显

示画面。

至于Internet功能的具体实现细节可以由一些具有Web功能的组态软件(如XG32、WebLon等)实现。

3　结论

21世纪初的控制系统可能是以网络为主要特征,

一方面是在工业自动控制中需要更深层次地渗透通信与网络技术,另一方面在通信与网络的发展中需要开辟具有巨大潜力的工控领域。本文对基于Internet的远程控制的概念及系统的实现方式作了尝试性探讨。但应指出,到目前为止基于Internet的远程控制还不能实现控制系统要求的实时控制,只能实现控制系统的宏观控制,如对现场控制设备的设定、检测、或重新组态,具体控制由现场的智能节点实现,或者获取现场的数据以监控系统和现场设备的运行状态。要实现实时控制还有待Internet技术及控制策略的进一步提高。

收稿日期:2000-05-02。

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