ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МАКЕТА ГЕНЕРАТОРА ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В РАДИОТЕХНИЧЕСКОМ ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ

PRACTICAL IMPLEMENTATION OF A CHAOTIC OSCILLATION GENERATOR MOCK-UP FOR STUDYING SPECTRAL CHARACTERISTICS IN A RADIO ENGINEERING LABORATORY PRACTICUM

Solovev Dmitriy Andreevich

Student, Department IU10 "Information Security", Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

Novikov Aleksandr Andreevich

Student, Department IU10 "Information Security", Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

Tkacheva Evdokiya Valentinovna

Student, Department SM5 "Autonomous Information and Control Systems", Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной работе был рассмотрен и разработан макет генератора хаотических колебаний, предназначенный для изучения и анализа характеристик широкополосного сигнала. В ходе исследования мы обнаружили, что схема Tetra Fast на транзисторах BFG591 демонстрирует наилучшие результаты. В данной работе описаны выбор схемы, макет собранного генератора, а также оценка полученных результатов. В конечном результате разработанный стенд способен генерировать хаотические колебания, удобен для наблюдения сигнала на осциллографе и может применяться в радиотехническом практикуме.

ABSTRACT

In this work, we have considered and developed a mock-up of a chaotic oscillation generator designed to study and analyze the characteristics of a broadband signal. During the research, we found that the Tetra Fast circuit using BFG591 transistors demonstrates the best results. This work describes the selection of the circuit, the mock-up of the assembled generator, and the evaluation of the obtained results. As a result, the developed stand is capable of generating chaotic oscillations, is convenient for observing the signal on an oscilloscope, and can be used in radio engineering practice.

Ключевые слова: генератор хаотических колебаний; лабораторный макет; спектральный анализ; радиотехнический практикум; биполярные транзисторы; Tetra Fast.

Keywords: chaotic oscillation generator; laboratory mock-up; spectral analysis; radio engineering practicum; bipolar transistors; Tetra Fast.

Введение

Простые генераторы, построенные на каскадах из транзисторов, а также формирующие хаотические колебания, удобны для учебной практики, так как на их примере легко проследить связь между схемой, временной формой сигнала и его спектром [1, 8, 9]. В отличие от функциональных генераторов с заранее заданными параметрами, такие устройства позволяют наглядно увидеть, как на результат влияют нелинейность, разброс характеристик элементов и режим питания.

Для лабораторного практикума важны не только электрические параметры схемы, но и удобство ее использования. Учебный макет должен запускаться без ошибок, корректно работать при подключении осциллографа и анализатора спектра, а также сохранять работоспособность при многократном повторении опытов. По этой причине при разработке особое внимание уделялось устойчивости генерации и тепловому режиму [5, 6, 7, 8].

Цель работы - разработать лабораторный макет генератора хаотических колебаний и предложить удобную для учебного процесса методику его применения.

Выбор схемы и конструктивного решения

На этапе предварительного анализа рассматривались два варианта генераторов, включающих в себя 4 транзистора, релаксационного типа - «Тетра» и «Tetra Fast». Обе схемы формируют широкополосный сигнал за счет нелинейного взаимодействия каскадов, однако различаются составом реактивных цепей и устойчивостью режима [1, 5, 6, 7, 9].

Пробные испытания варианта «Тетра» на транзисторах BFG135 показали, что амплитуда сигнала остается сравнительно небольшой, а при длительной работе наблюдается неблагоприятный тепловой режим. В условиях учебной лаборатории это неудобно: надежность стенда снижается, а многократное воспроизведение эксперимента требует большего контроля со стороны преподавателя.

Термографические результаты для первого варианта макета представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Термограмма первого варианта макета при испытаниях

С учетом полученных результатов в качестве основы учебного макета была выбрана схема «Tetra Fast» на транзисторах BFG591. Этот вариант обеспечивает более уверенный запуск генерации, большую амплитуду выходного сигнала и менее выраженный нагрев в рабочем режиме [6, 7].

Практическая реализация макета

Принципиальная схема макета приведена на рисунке 2. В ее основе используются четыре высокочастотных биполярных транзистора BFG591 и реактивные цепи, за счет которых возникают хаотические колебания. Сигнал снимается через разделительный конденсатор, что упрощает подключение измерительной аппаратуры [6, 7, 9].

Рисунок 2. Принципиальная схема учебного макета на основе «Tetra Fast»

Макет собран на TNT компонентах, а также с открытыми участками цепи. Такая компоновка менее компактна, чем готовое изделие, но для учебных целей она в какой-то мере удобнее: можно без демонтажа проследить подачу питания, а также подключить измерительный щуп и быстро сориентироваться в структуре схемы.

Рисунок 3. Собранный макет генератора хаотических колебаний

Питание макета осуществлялось от стабилизированного источника постоянного напряжения. Это практически полностью исключает влияние случайных колебаний питания на результаты измерений.

Структура лабораторной работы

Работу с макетом целесообразно выстраивать поэтапно - от наблюдения сигнала во временной области к анализу его спектра. Такой подход позволяет связать теоретические представления о нелинейных процессах с практикой измерений и обсуждением случайных процессов [2, 3, 4].

Типовая последовательность выполнения лабораторной работы приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Последовательность выполнения лабораторной работы

Один и тот же макет можно использовать в нескольких учебных контекстах: при обсуждении работы биполярных транзисторов, роли обратных связей в автоколебательных системах и базовых приемов спектрального анализа.

Методика измерений и результаты апробации

Измерения проводились с использованием цифрового осциллографа и анализатора спектра Rohde & Schwarz FPL1007. Во всех сериях измерений применялось стабилизированное питание 9 В. При анализе спектральных характеристик рассматривались закрытый и открытый тракт, а также режимы при выключенном и включенном генераторе [1, 2, 3, 4].

Осциллограмма выходного сигнала приведена на рисунке 4. На экране прибора наблюдается нерегулярное колебание с заметной амплитудой, что удобно для первичной демонстрации различий между гармоническим и шумоподобным процессом.

Рисунок 4. Осциллограмма выходного сигнала макета

Сравнение спектров в основных конфигурациях измерения представлено на рисунках 5 и 6. При включении макета в закрытом тракте наблюдается рост общего уровня сигнала в широком диапазоне частот. В открытом тракте широкополосная составляющая также увеличивает общий фон, однако при этом сохраняются отдельные внешние узкополосные сигналы. Такая картина удобна для обсуждения вклада самого генератора, измерительного тракта и окружающей электромагнитной обстановки.

Рисунок 5. Спектрограмма макета при закрытом тракте

Рисунок 6. Спектрограмма макета при открытом тракте

При повторных включениях макет показал отличный результат выходных хаотических колебаний, как для лабораторного образца, и приемлемый тепловой режим. По сравнению с первоначальным вариантом с транзисторами BFG135 он не требовал частой замены транзисторов и не создавал локальных перегревов [5, 6, 7].

Следует отметить, что разработанный макет не является источником шума. Его характеристики зависят от монтажа, параметров элементов, их типа и условий подключения измерительных приборов. Именно эта зависимость делает макет удобным учебным объектом, поскольку позволяет на практике обсуждать влияние реальных схемотехнических решений на форму сигнала и его спектр.

Заключение

В ходе работы был собран лабораторный макет генератора хаотических колебаний на основе схемы «Tetra Fast» с транзисторами BFG591. Данная схема обеспечивает случайную генерацию, наглядную форму сигнала на осциллографе и допустимый тепловой режим, что делает макет удобным для анализа в условиях учебного процесса.

Предложенная методика позволяет использовать макет при изучении временных и спектральных характеристик шумоподобного сигнала, а также при выполнении небольших учебно-исследовательских заданий, связанных с изменением реактивных элементов и сравнением вариантов монтажа.

Список литературы:

1. Генераторы шума: обзор [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/generatory-shuma-obzor (дата обращения: 18.01.2026).
2. Меженная Н.М. Основы теории вероятностей и математической статистики: курс лекций. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 56 с.
3. Меженная Н.М. Теория случайных процессов: учебное пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 76 с.
4. Меженная Н.М., Рудаков И.А. Основы теории вероятностей и математической статистики: учебно-методическое пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. 36 с.
5. NXP Semiconductors. BFG135: NPN 7 GHz wideband transistor [Electronic resource]. URL: https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BFG135.pdf (дата обращения: 03.02.2026).
6. NXP Semiconductors. BFG591: NPN 7 GHz wideband transistor [Electronic resource]. URL: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/16076/PHILIPS/BFG591.html (дата обращения: 11.02.2026).
7. NXP Semiconductors. RF Manual. 16th ed. [Electronic resource]. URL: https://www.nxp.com/docs/en/application-note/75017392.pdf (дата обращения: 05.03.2026).
8. Особенности функционирования генератора случайных чисел с транзисторным источником шума в различных температурных условиях [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-funktsionirovaniya-generatora-sluchaynyh-chisel-s-tranzistornym-istochnikom-shuma-v-razlichnyh-temperaturnyh-usloviyah (дата обращения: 22.02.2026).
9. Схемы генераторов белого шума [Электронный ресурс]. URL: https://vpayaem.ru/circuits_white_noise_generators.html (дата обращения: 14.01.2026).
10. The characteristic curve of avalanche breakdown process in the NPN-type bipolar junction transistor [Electronic resource]. URL: https://www.researchgate.net/publication/224418634_The_characteristic_curve_of_avalanche_breakdown_process_in_the_NPN-type_bipolar_junction_transistor (дата обращения: 29.01.2026).