Probleme mit Rauschgenerator für weisses Rauschen

Ich habe mal einen einfachen Rauschgenerator gebaut, hier die Schaltung:

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eine Messung mit meinem neuen PicoScope und Mittelung der FFT über ein paar Minuten sieht so aus:

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Die rote Kurve ist dabei Pad3 in der Schaltung, also vor dem Filter und Pad4 ist die blaue Kurve, ein Tiefpassfilter zum testen. Ich kann da reinzoomen und sieht auch so aus, als wäre bei der errechneten Grenzfrequenz von ca. 13 kHz eine Abschwächung von knapp 3 dB. Damit könnte man also wohl gut Filter ausprobieren.

Ich verstehe aber nicht, warum auch eine Abschwächung bei dem Bereich kleiner 1 kHz auftritt. Wenn ich übrigens den Tiefpassfilter abklemme, ändert sich das Spektrum so gut wie gar nicht, der Ausgang ist also scheinbar recht stabil.

Eine andere Frage ist, wie man ein besseres weisses Rauschen hinbekommt. Von 5 kHz auf 40 kHz eine Abschächung von ca. 20 dB ist nicht das, was ich mir unter weissem Rauschen vorstelle und generell gefällt mir der Buckel bei 5 kHz nicht. Hier noch ein Spektrum bei höheren Frequenzen:

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Schön wäre ein gleichmäßiges weisses rauschen auch bis hinunter zu z.B. 0,1 Hz und bis rauf zu 10 MHz. Ist sowas machbar?

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Frank Buss
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War noch ein Copy-and-Paste Fehler: Der Filter R8/C6 besteht aus 8,2 kOhm und 1,5 nF. Auch fehlt noch der Glättungselko am Spannungsregler Ausgang von 100 uF. Interessant war, wo der noch nicht dran war und nur der 100 nF Kondensator: da oszillierte die Versorgungsspannung um ca. 20 mV bei 100 bis 200 kHz, was man dann in voller Amplitude als Rechteck sehr schön am Ausgang sehen konnte :-)

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Frank Buss

Frank Buss schrieb:

Weil Du keine galvanische Kopplung hast. Mach wenigstens mal C1 und C2 größer.

MfG hjs

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Hans-Jürgen Schneider

Hans-J=FCrgen Schneider schrieb:

h

r zu=20

Dann kriegt er es mit Funkelrauschen zu tun ;-) Aber man kann auch Rauschen transponieren. Damit kriegt man wei=DFes Rauschen auch bis an die untere H=F6rgrenze gebacken.

--=20 mfg hdw

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Horst-D.Winzler

Frank Buss schrieb:

Hallo,

manchmal kann durch variieren des Diodenstroms das Rauschen noch prickelnder machen.

Bernd Mayer

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Bernd Mayer

Frage des Aufwands. Analog mühsam. Bei 0,1Hz ist man analog im 1/f Knick. Genrad hatte glaube ich mal einen analogen Generator der bei hohen Frequenzen wo es eben ist per Bandpaß ein breites Stück rauschnitt und dann per Mischer auf tiefe Frequenz runtersetzte.

Heute kommt man digital mit erträglichem Aufwand zu besseren Ergebnissen. Immer vorausgesetzt man stört sich nicht daran daß das Signal periodisch ist. Mitglieder der FORTH e.V. haben das eigentümliche Privileg in

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Heft 11 über die verschiedenen üblichen digitalen Varianten nachlesen zu können. Die dort dargestellte Schaltung würde wohl auch bei einigen MHz noch laufen. Aber die Periodendauer die durch die Grösse des ROMs begrenzt ist ist dann eben kurz.

MfG JRD

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Rafael Deliano

Ja, digital ist das alles kein Problem. Ich habe mal einen zellularen Automaten als Rauschgenerator verwendet, siehe hier:

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Braucht allerdings ein Takt pro Bit, aber bei der gewählten Automatenlänge ist der ziemlich zufällig. Wird auch in Mathematica als Zufallszahlengenerator verwendet:

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Ich habe allerdings noch nichts darüber gefunden, wie lange denn nun die Periode für eine gegebene Bitlänge ist.

Habe eben auch die Oszillogramme für meinen Signalgenerator mit den PicoScope-Messungen aktualisiert, was insbesondere für das Spektrum des Rauschgenerators schon viel besser aussieht, da mein altes Tek nicht über einen längeren Zeitraum mitteln kann:

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Meine Hoffnung war, daß es analog auch nicht allzu schwierig ist. Sowas in der Art: "um die hohen Frequenzen stärker zu verstärken, baust du da und dort noch ein Kondensator und Widerstand ein, und schon ist es das perfekte weisse Rauschen" :-)

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Frank Buss

Hat nichts gebracht. Auch eine Vergrößerung der Kondensatoren (Elkos mit

1000 uF) hat nur minimal Besserung für die tiefen Frequenzen gebracht, die merkwürdige Kurve, mit Maximum bei 8 kHz, ist geblieben.

Interessant ist übrigens, wenn ich z.B. statt der Zenerdiode (war eine 3,3V Ausführung, bei ca. 5V Versorgungsspannung) eine rote Leuchtiode in Durchlassrichtung einbaue. Dann steigt der Pegel um ca. 10 dB, sodaß ich am Ausgang nun bis zu 1Vpp bekomme. An der Kurvenform des Spektrumanalyzers hat sich aber nichts geändert. Ich bleibe wohl besser bei meinen Digitalschaltungen :-)

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Frank Buss

Das weisse Rauschen hat nichtnur ebenes Spektrum sondern auch Normal/Gaußverteilung. Übliche digitale Generatoren haben erstmal Gleichverteilung. Man benötigt dann noch Umwandlung auf Normalverteilung. Ist in der von mir angegebenen Schaltung simpel und flexibel per dickem ROM gelöst. Es gibt zwar die aufwandsärmere Möglichkeit ( vgl Heft emb(12) "Zentraler Grenzwertsatz" ) per Zusammenschalten mehrerer gleichverteilter Generatoren Normalverteilung zu erzeugen. Aber letztlich wird jede Lösung die Aufwand senkt auch Qualität senken.

MfG JRD

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Rafael Deliano

Wikipedia meint, daß weisses Rauschen nicht unbedingt eine Normalverteilung haben muß:

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Aber bei thermischen Rauschen usw. ist es normalerweise gleichverteilt. Wie sieht es bei PN-Übergängen aus? Und wie kann man so eine Verteilung messen? Würde die nicht auch von der Samplerate abhängen? Ich habe mal versucht, den Farb Persistance Modus von meinem neuen Scope zu verwenden, was das Nachleuchten alter Scopes simuliert, aber unbegrenzt lange und farblich von rot=hohe Intensität, über gelb bis blau=niedrige Intensität angzeigt, und sieht zumindest interessant aus:

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Hier bei einer höheren Abtastrate, was schon merkwüdig aussieht:

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Wie können da Linien auftreten? Wird das Signal da manchmal geclippt?

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Frank Buss

eilung

Wie

messen?

ucht,

von

ngzeigt, und

Was du da mi=DFt, ist die geometrische Summe aus wei=DFem-, Funkel- und Sto=DFrauschen. Bist etwa 1kHz =FCberwiegt zB Funkelrauschen. Und das d=FC= rfte f=FCr deinen Effekt verantwortlich sein.

--=20 mfg hdw

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Horst-D.Winzler

Wenn man sich nur auf den Frequenzgang bezieht kann man die Meinung vertreten. Halte ich aber für irreführend da der Begriff nur in Zusammenhang mit analogem, physikalischem Rauschen üblich ist und dafür Gaußverteilung angenommen wird.

Eher bezogen auf Z-Diode: laut dem Buch von Motchenbacher "multi-state noise mechanism", speziell bei Spannungen >6V also Avalanche Dioden. Man hat also viel Signal aber miese Verteilung. Bei Zenerdioden ( d.h. Und wie kann man so eine Verteilung messen? Histogramm bilden. Ich vermute Oszilloskope die FFT können könnten die Funktion auch haben. Ansonsten mit 8 Bit Controller: 8 Bit Flash-Wandler lesen, in 8 verschiedenen 16 Bit Registern die Werte summieren, bei Überlauf alle rückskalieren. Die Samplerate des Wandlers sollte nicht periodisch sein sondern stochastisch. D.h. Timerwert für den Timerinterrupt aus simplem Rauschgenerator erzeugen. Der Timerinterrupt liest A/D-Wandler und füttert die FIFO.

Digitaloszilloskop ( jedenfalls meine Mühle ) hat kein Aliasingfilter und Rauschen ist breitbandig. Da können eigenartige Effekte entstehen.

MfG JRD

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Rafael Deliano

Hallo Frank,

Niederspannungs-Z-Dioden sind generell lasugige Teile. Dein Verstärker verstärkt im wesentlichen das Raiuschen des Spannungsreglers. Du brauchst eine Schaltung mit einer 10V Z-Diode und du solltest den Verstärker so bauen, dass er die Störungen auf der Versorgungsspannung des Verstärkers nicht verstärkt.

Helmut

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Helmut Sennewald

Das war das Hauptproblem. Mit einer 9,2V Zenerdiode und den Spannungsregler auf 12V eingestellt liegt das Rauschen an der Diode selbst schon bei ca. 20 mV und es kommt schönes weisses Rauschen raus. Zusätzlich jeweils noch 56 Ohm jeweils als Stromgegenkopplung in die Transistorverstärkung eingebaut und gibt jetzt von 1 Hz bis zu ungefähr 100 kHz nur eine kontinuierliche Abschwächung von < 0,5 dB und auch bis 1 MHz fällt es nur um < 2 dB ab.

Das Signal ist allerdings nicht mehr normalverteilt, sondern irgendwie nach oben verschoben und insgesamt recht unregelmäßig. An der Verstärkung liegt es wohl nicht, scheint schon an der Diode so auszusehen:

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Kann man das irgendwie verschieben, sodaß es normalverteilt wird?

Scheint aktuell nicht mehr notwendig zu sein, aber wie würde man das machen?

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Frank Buss

Schaltung symmetrisch doppelt aufbauen:

--- +15V | R | +---C--- | | Z | | | GND +--- | | Z | | | +---C--- | R | --- -15V

Und beide Z-Dioden auf gleiche Amplitude selektieren.

MfG JRD

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Rafael Deliano

Im Audio-Bereich kann ich es nicht sagen, aber wir haben frueher Rauschquellen mit Gluehlampen aufgebaut. Veroeffentlicht ist dazu m.W. nicht viel und an die Notizen komme ich derzeit nicht ran. Bauteillager und Buecherraum wird renoviert, meine Frau streicht gerade, danach bin ich mit den Betonarbeiten dran . Zu allem Ueberfluss ist auch noch der Brother MFC mit dem Scanner drin beim Bueroumzug abgeraucht (&^#**!!).

Im Prinzip lief das so: Den Widerstand einer Mini-Gluehlampe kalt gemessen, dann mit super-sauberen Strom aufgedreht bis sie 50ohm hatte, Temperatur nachgesehen, Verhaeltnis zum Berechnen der Rauschamplitude benutzt. Es gingen fast nur Laempchen zur Beleuchtung von LCD-Armbanduhren, heute nicht mehr so einfach beschaffbar. Wir kamen bis ueber 100MHz ohne grossen Frequenzgang, unten weiss ich nicht mehr, weil wir nie unter 1MHz mussten. Der Vorteil in Deinem Fall waere, dass Du nicht 50ohm brauchst, kannst also auch andere Gluehbirnen benutzen.

Das haben wir dann bei Bedarf durch mehrere Verstaerker geschickt, wenn wir mal "Niagarafall-Amplitude" brauchten. Solange die Rauschquelle satt dominiert ist das kein Problem.

--
Gruesse, Joerg

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Joerg

Hmm, das erinnert mich an meine Jugendsünden...

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Ich habe das angestaubte Ding gerade mal spaßeshalber ans Oszi gehängt.

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Etwa 3dB Abfall bis 50kHz ist sogar halbwegs brauchbar für NF-Zwecke. Nach unten hin ist zumindest bis 10Hz keinerlei Abfall zu beobachten. Mehr gibt mein altes Oszi nicht her - zu wenig RAM.

Ich habe sogar noch den Schaltplan gefunden.

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Die rechte Hälfte kann man vergessen, das war für rosa Rauschen. Und die diskret aufgebauten, kurzschlussfesten Treiberstufen kann man auch weglassen, wenn mann den Ausgangsstrom nicht braucht. Im Prinzip wird wird einfach das Rauschen einer umgedrehten BE-Strecke eines Transistors linear verstärkt. Das klappt eigentlich ganz gut. Wenn man nicht so einen räudigen OP nimmt, dürfte auch nach oben hin noch einiges gehen. 1MHz ist aber wohl eher illusorisch. Da sind es im Moment

-28dB. Wenn man zu tiefen Frequenzen hin mehr sehen will, muss man die Koppelkondensatoren verzehnfachen.

Netzwerkanalysen mach man anders.

Plan A: Man zeichnet das Eingangssignal und das Ausgangssignal des Vierpols gleichzeitig auf. Anschließend von beiden ein FFT und der komplexe Quotient der beiden FFTs ist unmittelbar die komplexe Übertragungsfunktion. Vorteil der Methode:

- Man bekommt auch die Phaseninformation.

- Die Eigenschaften des Messrauschens sind weitgehend egal, da sich seine Eigenschaften bei der Quotientenbildung komplett rauskürzen. Lediglich das frequenzabhängige SNR der Messung hängt von der Energieverteilung im Messsignal ab. Wichtig ist, dass man erst /nach/ der Quotientenbildung über Messperioden mitteln darf!

Plan B: Noch besser ist es, wenn die Periodenlänge des Referenzsignals mit der Periodenlänge des FFTs übereinstimmt. Dann kann man bei den FFTs die Fensterfunktion weglassen und bekommt auch ein besseres SNR, weil das Messsignal ein diskretes Spektrum mit Intensität nur bei den FFT-Kanälen hat. Dann ist auch eine Mittelung der Perioden auf Messwertebene zulässig. Voraussetzung ist nur, dass ADC- und DAC-Takt genau übereinstimmen und keine Messwerte übersprungen werden. Die einfachste Realisierung für so etwas ist ein PC mit einer Soundkarte. Da bei allen Soundkarten der Takt für den ADC und den DAC aus dem selben Oszillator kommen, sind die Kriterien

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Man kommt halt nur bis zur Bandbreite der Karte. Aber 192kHz-Karten kosten ja auch nicht mehr die Welt. Die Frequenzgangeigenschaften der Karte spielen übrigens keine Rolle, da sie sich ebenfalls bei der Quotientenbildung rauskürzen. Crosstalk stört ein wenig, lässt sich aber mit einer einmaligen Eichmessung bestimmen und anschließend per komplexer, frequenzabhängiger

2*2 Matrixmultiplikation zusammen mit eventuellen Unterschieden zwischen dem rechten und dem linken Kanal zu über 99% korrigieren.

Hohe Frequenzen ist nochmal eine ganz andere Sache.

Jetzt hast Du es aber gut vor. In der Regel ist das aber auch gar nicht sinnvoll, denn im Prinzip störte jede Intensität des Testsignals bei Frequenzen außerhalb des zu charakterisierenden Bereichs, weil das letztlich Energie von den interessanten Frequenzen abzieht. Ferner beginnt dann der Krieg gegen das Abtasttheorem (Aliasing). Kurzum, um einen solchen Frequenzbereich überhaupt zu nutzen, müsste man FFTs mit 10^7 Punkten machen. Viel Spaß beim suchen eines Oszis, das die Recordlänge schafft.

Marcel

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Marcel Müller

Rafael Deliano schrieb:

Wir haben die närrische Zeit. Man merkts an den Vorschlägen ;-) Für weißes Rauschen wird der Lawineneeffekt einer Z-Diode mit einer Spannung von 6,2V(zB 1N756) ausgenutzt. Günstig dabei ist wohl auch der hohe differentielle Widerstand bei der Spannung. Die Rauschspannung dürfte im µV-Bereich liegen. Das deutet schonmal daraufhin, das es nicht schadet, die erste Stufe sorgfältig abzuschirmen. Drei bis vier Stufen sind nicht falsch. Der Crestfaktor sollte min. 3 betragen ;-)

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Unteres Ende bei etwa 10-100kHz.

Für NF würe ein digitales Ereignis geeigneter. Und, welch Überraschung,andere haben sich auch schon ihren Kopf darüber kreisen lassen ;-)

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--
mfg hdw
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horst-d.winzler

Klar, denn da entsteht ja auch so mancher Rausch :-)

[...]

Mich wundert, dass Frank noch am Loetkolben sitzt. Und das als Koelner.

--
Gruesse, Joerg

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Joerg

Na ja, vielleicht noch nicht auf närrischer Betriebstemperatur? ;-)

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mfg hdw
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horst-d.winzler

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