ГЕНЕРАТОР РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СЛУЧАЙНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1998 года по МПК G06F7/58 H03B29/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в вычислительных и моделирующих устройствах, использующих вероятностные принципы представления и обработки информации.

Известен генератор апериодических равновероятных чисел [1, c. 148-149, рис. 6-10], содержащий генераторы случайной последовательности и периодических импульсов, триггеры, ключи, счетчики и промежуточную память.

Однако данный генератор позволяет формировать только апериодическую последовательность случайных чисел в одной трети циклов своей работы. При этом для успешной работы генератора необходимо обеспечить определенное соотношение между частотой следования тактовых импульсов и средней частотой следования случайных импульсов.

Наиболее близким по своей технической сущности является генератор равномерно распределенных случайных чисел [2].

Генератор содержит генератор импульсов, элемент И-НЕ, выход которого соединен со своим первым входом и входом СДВИГ регистра сдвига, выходы i-го (i-(1, k-1); k - число разрядов регистра сдвига) и k-го разрядов которого соединены с первым и вторым входами сумматора по модулю два, выход которого соединен с информационным входом регистра сдвига. Выход источника шума соединен с информационным входом блока памяти, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения. Выход схемы сравнения соединен с вторым входом элемента И-НЕ. Выход генератора импульсов соединен с входом ЗАПИСЬ блока памяти и входом генератора линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен с вторым входом схемы сравнения.

Данный генератор позволяет, изменяя случайным образом и в широких пределах количество тактовых импульсов, поступающих на вход регистра сдвига с обратными связями, формировать псевдослучайные числа с равномерным законом распределения в кольце M-последовательности.

Однако генератор-прототип имеет недостатки. Не представляется возможным формирование случайных импульсов с равновероятным законом распределения на интервале [O, T].

Целью изобретения является разработка генератора равномерно распределенных случайных импульсов, который позволяет формировать импульсы с равномерным законом их распределения на заданном временном интервале.

Поставленная цель достигается тем, что в известный генератор равномерно распределенных случайных импульсов, содержащий фиксатор мгновенных значений напряжения, информационный вход которого подключен к выходу источника шума, а выход к первому входу компаратора, генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к второму входу компаратора, генератор импульсов, выход которого подключен к входу генератора линейно изменяющегося напряжения и управляющему входу фиксатора мгновенных значений напряжения, дополнительно введены элемент ЗАПРЕТ и линия задержки. Инверсный вход элемента ЗАПРЕТ через линию задержки, а прямой вход непосредственно подключены к выходу компаратора. Выход элемента ЗАПРЕТ является выходом генератора равномерно распределенных случайных импульсов.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно схема заявляемого генератора и временные диаграммы его работы; на фиг. 3 - схема фиксатора мгновенных значений напряжения; на фиг. 4 и 5 - соответственно схема и временные диаграммы работы элемента ЗАПРЕТ.

Генератор равномерно распределенных случайных импульсов (ГРСИ), схема которого показана на фиг. 1, состоит из источника шума (ИШ) 1, фиксатора мгновенных значений напряжения (ФМЗ) 2, компаратора 3, элемента ЗАПРЕТ 4, генератора импульсов (ГИ) 5, генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) 6 и линии задержки (ЛЗ) 7. Информационный вход ФМЗ 2 подключен к выходу ИШ 1. Выход ФМЗ 2 подключен к первому входу компаратора 3. Выход ГЛИН 6 подключен к второму входу компаратора 3. Выход ГИ 5 подключен одновременно к входу ГЛИН 6 и управляющему входу ФМЗ 2. Инверсный вход элемента ЗАПРЕТ 4 через ЛЗ 7 подключен к выходу компаратора 3. Прямой вход элемента ЗАПРЕТ непосредственно подключен к выходу компаратора 3. Выход элемента ЗАПРЕТ 4 является выходом ГРСИ.

Источник шума 1 предназначен для формирования первичного шумового напряжения. Схема такого ИШ известна и описана, например, в [1, c. 26, рис. 1.8].

Формирователь мгновенных значений напряжения предназначен для запоминания в течение заданного промежутка времени мгновенных значений напряжения, поступающих с выхода ИШ 1. Схема такого ФМЗ 2 известна и его работа описана, например, в [1, с. 46, рис. 2.6]. В заявляемом ГРСИ с учетом особенностей взаимосвязей с другими элементами схема ФМЗ 2 приобретает вид, показанный на фиг. 3, и включает первый резистор 2.1, первый вывод которого является информационным входом ФМЗ 2, а второй подключен одновременно к первому выводу второго резистора 2.2 и прямому входу элемента ЗАПРЕТ 2.4, на инверсный вход которого подключен управляющий вход ФМЗ 2. Выход элемента ЗАПРЕТ 2.4 одновременно подключен к первому выводу конденсатора 2.3 и к входу усилителя постоянного тока (УПТ) 2.5. Выход УПТ 2.5 соединен с вторыми выводами второго резистора 2.2 и конденсатора 2.3, а также с выходом ФМЗ 2.

Элемент ЗАПРЕТ 4 предназначен для формирования на его выходе логической единицы только при одновременном присутствии на его инверсном входе логического нуля, а на прямом входе логической единицы. Функциональная схема данного элемента приведена на фиг. 4, на фиг. 5 показаны временные диаграммы его работы.

Схема элемента ЗАПРЕТ 4 включает элемент НЕ 4.1 и элемент И 4.2. Вход элемента НЕ 4.1 и второй вход элемента И 4.2 являются соответственно инверсным и прямым входами элемента ЗАПРЕТ 4. Выход элемента НЕ 4.1 соединен с первым входом элемента И 4.1, выход которого является выходом элемента ЗАПРЕТ 4.

Генератор импульсов 5 предназначен для формирования последовательности коротких тактовых импульсов. Схема такого ГИ известна и описана в [4; с.213; рис.7.6 в].

Генератор линейно изменяющегося напряжения 6 предназначен для формирования напряжения типа "пила". Схема такого ГЛИН известна и описана в [5; c. 80-84; рис. 1.64].

ЛЗ 7 в данном генераторе предназначена для задержки случайного импульса на величину, в два-три раза превышающую длительность среднего времени задержки распространения сигнала t_ср.зд.р в элементе ЗАПРЕТ 4. При реализации элемента ЗАПРЕТ на типовых элементах И и НЕ первый будет иметь среднее время задержки сигнала t_ср.зд.с порядка 40-50 нс [6, с. 431-435]. Схемы построения ЛЗ, обеспечивающие такое время задержки, известны. В частности линия задержки может быть реализована на четырех элементах НЕ [3, с.54, рис. 2.4].

Схема и принцип работы компаратора 3 известны и описаны в [4; c. 213; рис. 7.6 в].

Заявляемый ГРСИ работает следующим образом. В момент появления на управляющем входе ФМЗ 2 импульса с выхода ГИ 5 (фиг. 2, с) в первом запоминается напряжение (фиг. 2, b), соответствующее в этот момент времени мгновенному значению напряжения шума на выходе ИШ 1 (фиг. 2, а). Одновременно запускается ГЛИН 6. В момент равенства напряжений на выходах ГЛИН 6 и ФМЗ 2 (фиг. 2, b) срабатывает компаратор 3. В результате на выходе компаратора 3 формируется импульс (фиг. 2, e) с уровнем напряжения, равным логической единице. Длительность сформированного таким образом импульса равномерно распределена на временном интервале ]O, T[. Это объясняется тем, что выборка мгновенных значений напряжений из реализации случайного процесса ИШ 1 равномерно распределена в некотором интервале напряжений шума. Полученный импульс со случайной длительностью поступает на прямой вход элемента ЗАПРЕТ 4 и на вход ЛЗ 7. В ЛЗ 7 импульс задерживается на величину t_ср.зд.р. Далее с выхода ЛЗ 7 импульс поступает на инверсный вход элемента ЗАПРЕТ 4. Известно, что элемент ЗАПРЕТ формирует на своем выходе логическую единицу только при одновременном присутствии на своем инверсном входе логического нуля (фиг. 2, f), а на прямом входе логической единицы (фиг. 2, е). Таким образом, на выходе элемента ЗАПРЕТ 4 формируются импульсы длительностью Δt_ср.зд.р (фиг. 2, n), положение которых в интервале ]O, T[ равновероятно.

По сравнению с известным генератором [2] заявляемый позволяет формировать случайные импульсы с равновероятным законом распределения на заданном временном интервале.

1. Бобнев М. П. Генерирование случайных сигналов. - М.: Энергия, 1971, 240с.

2. Авт. св. N 1206779, кл. G 06 F 7/58, 1986.

3. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 300 с.: ил. [9].

4. Микросхемы и их применение: Справочное пособие/ В.А. Батушев и др. - М. : Радио и связь, 1983 - 272 с., ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып. 1070).

5. Свечников Г.М. и др. Импульсные схемы на полупроводниках и ферритах. - М.: Воениздат, 1972.

6. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - К.: Техника, 1980.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в вычислительных и моделирующих устройствах, использующих вероятностные принципы представления и обработки информации. Целью изобретения является разработка генератора равномерно распределенных случайных импульсов, который позволяет формировать импульсы с равномерным законом их распределения на заданном временном интервале. Поставленная цель достигается тем, что по сигналам тактовых импульсов в формирователе мгновенных значений напряжения 2 происходит запоминание выборки напряжения шума в течении времени Т. Одновременно запускается ГЛИН 6. В момент равенства этих напряжений на выходе компаратора 3 формируется случайный импульс, длительность которого лежит на временном интервале ]0, Т[. Введенные элемент ЗАПРЕТ 4 и линия задержки 7 по переднему фронту этого импульса формируют короткий импульс с равномерным законом распределения на соответствующем временном интервале. 5 ил.

Генератор равномерно распределенных случайных импульсов, содержащий фиксатор мгновенных значений напряжения, информационный вход которого подключен к выходу источника шума, а выход - к первому входу компаратора, генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к второму входу компаратора, генератор импульсов, выход которого подключен к входу генератора линейно изменяющегося напряжения и управляющему входу фиксатора мгновенных значений напряжения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены элемент ЗАПРЕТ, инверсный вход которого через линию задержки, а прямой вход непосредственно подключен к выходу компаратора, причем выход элемента ЗАПРЕТ является выходом генератора равномерно распределенных случайных импульсов.