5V Rauschquelle mit Comparator in LT Spice

Herr Rausch schrieb:
> Der LM393 ist im LTspice nicht enthalten.

Klar ist das nicht enthalten, Herr Rausch, (witzig), aber warum nicht 
selbst in LTSpice anlegen? Ein Spicemodel gibt es dafür, das kannst du 
in LTSpice anbinden: http://www.ti.com/product/LM393

Habe auch den LM393 eingebunden.
Leider ohne Erfolg.

Habe mal alles hochgeladen.
Einfach in einem gemeinsamen Ordner kopieren.

Vielleicht findet wer einen Fehler.

del LM393 braucht an seinem Ausgang (Pin 1) einen Pullup. Ist PB4 vom 
ATiny entsprechend konfigiriert ?

gk

Hallo,

Kann es sein, dass dieser Rauschgenerator eigentlich nur das Rauschen 
der Versorgungsspannung verstärkt und somit mit einer idealen 
Spannungsquelle in LTSpice nicht funktioniert? Schließlich macht der 
FT232 und der uC mit ihren Schaltvorgängen etwas Noise auf der 
Versorgung, welche dann als Input für den "Rauschgenerator" dient.

LG

Christian

gk schrieb:
> del LM393 braucht an seinem Ausgang (Pin 1) einen Pullup. Ist PB4 vom
> ATiny entsprechend konfigiriert ?

Du hast dir nicht die Schaltung im eingangspost angesehen.
Es geht nur um den "Rauschteil". R7 übernimmt den Pullup.

Fasti schrieb:
> Kann es sein, dass dieser Rauschgenerator eigentlich nur das Rauschen
> der Versorgungsspannung verstärkt und somit mit einer idealen
> Spannungsquelle in LTSpice nicht funktioniert?

Du hast dir nicht den Link angesehen.
Dort steht nämlich:

Rauschquelle
Für einen Z-Dioden-Rauschgenerator werden mindestens 10 Volt 
Betriebsspannung benötigt, da sich der interessierende Effekt 
(Lawinendurchbruch, Avalanche) bei Z-Dioden erst ab ca. 8 Volt effektiv 
nutzen lässt. An USB stehen bekanntlich nur 5 Volt zur Verfügung. Ich 
habe eine ganze Reihe von Versuchen unternommen mit: Spannungswandlern, 
exotischen Bauteilen, Photodioden, Opamps, Widerstandsrauschen u.a. Das 
war sehr interessant, aber im Sinne der Aufgabenstellung leider 
weitgehend erfolglos geblieben. Die Schaltungen waren entweder zu 
aufwendig, zu unstabil, zu schmalbandig, zu störempfindlich... oder 
alles zusammen :(

Die von mir ausgetüftelte Lösung beruht nun auf einem Zweifach- 
Komparatorschaltkreis vom Typ LM393. Meine Schaltung nutzt einen längst 
bekannten aber normalerweise unerwünschten "Schmutzeffekt" aus: Betreibt 
man so einen Komparator entgegen allen Designregeln mit einer minimalen 
Gegenkopplung, dann entstehen infolge der extrem hohen Verstärkung und 
minimalen Hysterese sehr leicht Instabilitäten, die sich normalerweise 
zu "chaotischen Schwingungen" aufschaukeln können. Eine typische 
Komparatoranwendung wäre damit unbrauchbar und würde im Bereich der 
Umschaltschwellen zu großen Instabilitäten neigen. Mit einer besonderen 
Eingangsbeschaltung könenn wir diese überkritische Betriebsart jedoch zu 
höheren Frequenzen hin verschieben, dass der Quantenschaum nur so 
hervorquillt! Diese Komparatorschaltung schwingt nicht einfach, sie 
rauscht. Fast so gut, wie ein Z-Dioden-Generator! Das ist schon 
erstaunlich, wenn man bedenkt, dass ich zu über 60 Prozent aus Wasser 
bestehe und statt theoretischem Geschwurbel oder Simulationen durch 
Experimentieren, Modifizieren und Optimieren in der Realität darauf 
gekommen bin...

Vorteile: Viel Entropie für wenig Geld! Der LM393 ist ein 
Wald-und-Wiesen-Komparator und wird bis heute in großen Stückzahlen 
produziert. Selbst mit Billigexemplaren aus irgendeiner China-Klitsche 
sollte es keine Probleme geben, sofern sich innen drin ein wirklicher 
Komparator befindet...
Diese Schaltung arbeitet schon ab etwa 4 Volt stabil und bleibt damit 
selbst an grenzwertigen USB-Ports noch funktionsfähig.
Mit miniaturisierten konventionellen Bauteilen lässt sich die Schaltung 
auf wenigen Quadratzentimetern sehr kompakt aufbauen. Das zweite 
Komparatorsystem wird als Verstärker zur "1-Bit-Quantisierung" 
eingesetzt. Ein angeschlossener Mikrocontroller bekommt echte 
Digitalpegel angeboten und ist schon weitgehend vom "Rauschsystem" 
entkoppelt. Die anfängliche Befürchtung, dass der zweite Verstärker eine 
zu starke Rückwirkung auf die erste Stufe haben könnte und letztlich 
deren Rauschspektrum einengt, hat sich messtechnisch nicht bestätigt. 
Damit die Pufferstufe nicht zu Eigenschwingungen neigt, wurde ihr 
Arbeitspunkt natürlich über einen Spannungsteiler R3/R4 festgelegt. Das 
Rauschspektrum ging bei vielen LM393 bis etwa 300 kHz, bei einem 
Betriebsstrom von weniger als 1 mA.

Nachteile: Hier sind Signale im Mikrovolt-Bereich im Spiel, sodass auf 
jeden Fall eine potenzielle Empfindlichkeit für HF-Einstrahlung besteht. 
Diesen Effekt konnte ich mit haushaltsüblichen Sendern ab VHF aufwärts 
(40-MHz-Fernsteuerung, 1800-MHz-GSM-Telefon, 2400-MHz-WLAN-Adapter) 
wieder direkt nachweisen. Das Rauschen setzt für die Dauer der 
HF-Einwirkung komplett aus. Synchronisationseffekte, wie bei einem 
klassischen Ringoszillator, treten oberhalb von einigen hundert kHz 
überhaupt nicht auf. Die Empfindlichkeit für HF-Einstrahlung (UHF, 
Mikrowellen) scheint übrigens noch etwas geringer zu sein, als bei der 
Rauschquelle im klassischen XR232 mit den zwei diskreten Transistoren. 
Gegen HF-Einstrahlung helfen kompaktes Layout und metallische 
Abschirmung. Des Weiteren können aber auch niederfrequente Schwankungen 
auf der Versorgungsspannung die Arbeitspunkte der 
Komparator-Rauschquelle kurzfristig verschieben und damit Aussetzer 
verursachen. Deshalb sollte diese Schaltung nicht direkt am USB-Strom 
betrieben werden. Eine übliche PC-Stromversorgung ist von Schaltspitzen 
und Spannungsschwankungen aus dem gesamten System geradezu verseucht. 
Zum Glück benötigt die Komparator-Rauschquelle nur sehr wenig 
Betriebsstrom (unter 1 mA). Zur effektiven Filterung reicht ein 
einfaches R-C-Siebglied (R7/C9) aus.
Gegen beide Arten von Störungen hat der Mikrocontroller außerdem noch 
einen Trumpf im Ärmel, siehe "Störaustastung"!

Serientauglichkeit: Die funktionskritischen Grenzwerte des Komparator-IC 
werden problemlos eingehalten. Ich habe außerdem eine ganze Reihe von 
Exemplaren aus verschiedenen Chargen und von verschiedenen Herstellern 
in dieser Schaltung durchgetestet. Offensichtlich funktioniert es mit 
allen Varianten des LM393, wobei leichte Variationen in der Bandbreite 
und "Weißheit" des Rauschspektrums auftreten. Ferner habe ich jetzt noch 
einmal das Verhalten unter Extremtemperaturen getestet. Das Spektrum 
scheint sich ca. 60°C etwas abzuflachen, was wohl auch zum Teil auf 
Arbeitspunktverschiebungen in der Pufferstufe verursacht wird. Unter 
üblichen Bedingungen (Temperaturbereich ca. -10 bis +50 °C), dürfte der 
XR232USB mit jedem Exemplar des LM393 ausreichend sicher funktionieren.

Hallo,

wenn ich R5 auf 200K ändere und am Ausgang einen 100K Pullup nehmen, 
sehe ich zumindest am Anfang ein digitales Rauschen dass aber später 
aufhört. Ansonsten sehe ich nur sehr geringes Rauschen am Ausgang. Diese 
Schaltungen mit instabilen komischen Zuständen lassen sich schwierig 
simulieren.
Ich hänge hier die Dateien an: vielleicht kommt jemand darauf was hier 
noch fehlt.

Ja. Habe ich jetzt auch rausgefunden.
Am besten ist es C3 zu reduzieren.
Hört aber nach einiger Zeit auf zu schwingen :-(

Ähm. Du hast gesehen, das er ein Modell des LM393 eingepflegt hat?

Wenn die Schaltung in Praxis nachgebaut wurde und sie funktioniert dass 
kann im Prinzip nicht viel schief gehen. Mit Simulation der instabilen 
Zustände ist es immer so eine Sache.

Matthias S. schrieb:
> Kannst mal den LT1017 ausprobieren, der ist in der Basisbibliothek
> enthalten.

Guter Tipp Matthias S, Danke. So geht es tatsächlich in der Simulation.
Coole Sache.

Rauscht :-D

ein (FFT-) Spektrum waere da aussagekraeftiger ...