Аналого-цифровой генератор случайных сигналов Советский патент 1983 года по МПК G06F7/58 

Изобретение относится к аналогоцифровой вычислительно.й технике и может быть использовано в вычислительных, управляющих и измерительных системах различного назначения, а также при моделировании сложных систем статистическими методами.

Известен генератор- аналогового случайного сигнала, содержащий генератор и усилитель шума, соединённый с нелинейным элементом.управляемым генератором периодических импульсов to

Недостатками данного устройства является наличие первичного источника и усилителя шума, определяющих временную и температурную нестабильность параметров Выходного сиг,нала, а также невозможность получения более чем одного выходного сигнала в виде периодических импульсов случайной амплитуды.

Известен также генератор случайных чисел, содержащий генератор шума, соединенный с клапаном, выход которого соединен с формирователем 2 .

Недостатком этого ус1ройства является необходимость первичного генератора шума. Кроме того, данный генератор формирует лишь бинарную последовательность и не позволяет получить аналоговый случайный сигнал

Наиболее близким к изобретению техническим решением является генератор случайных сигналов, содержащий первое и второе аналоговые запоминающие устройства, состоящие из входного операционного усилителя, сое,диненного через аналоговый ключ с запоминающим .конденсатором и буферны операционным усилителем. При этом внод буферного операционного усилителя первого аналогового запоминающего устройства соединен с неинвер- тирующим входом входного усилителя второго аналогового запоминающегй устройства

Недостатками известного устройства являются невозможность получ вния более чем одного аналогового случайного сигнала и бинарных случайных сигналов, а также псевдослу« айность выходного сигнала.

Цель изобретения - обеспечение возможности получения нескольких аналоговых и цифровых случайныгс сигналов при незначительном увешчении аппаратурных затрат, т.е. упрвЬщение

схемы генератора в расчете на один выход.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой генера тор случайных сигналов, содержащий четыре операционных усилителя, два ключа, два накопительных конденсато ра, выход первого операционного усилителя соединен с информационным входом первого ключа; управляющий вход которого подключен к выходу , первого источника гармонического сигнала, а выход первого, ключа через первый накопительный конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала и непосредственно - с неинвертирующи входом второго операционного усилителя, выход которого является первым выходомген ера то и соединен со своим инвертирующим входом и неинверtиpyющим входом третьего операционного усилителя, выход Kotoporo соедине с информационным входом второго ключи , управляющий вход которого подключен к ВЫХОДУ второго источника гармонического сигнала, а выход второго ключа через второй накопительный конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала и непосредственно - с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого является BTppbiM выходом генератора и соединен со своим инвертирующим входом и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, введены первый и второй делители Hart и первая и вторая схемы ерав нения, выходы которых являются соответственно третьим и четвертым выходами генератора и через соответственно первый и второй делители напряжения соединен с выходами второго И четвертого операционных усилителей, средние выводы первого и втоjxJro делителей напряжения соединены соответственно с инвертирующим входами первого и третьего операционных усилителей, нец вертирующие входы которых соединен) соответственно с первыми входами первой и второй схем сравнения,, вторые входы которых подключены к шине нулевого потенциала.

На чертеже приведена схема предлагаемого генератора. .

Генератор содержит первый операционный усилитель 1, первый ключ 2, первый накопительный конденсатор 3, второй операционный усилитель Ц, третий операционный усилитель 5 вт рой клюм 6, второй накопительный ко денсатор 7, четвертый операционный усилитель 8, первую схему 9 сравнен первый делитель 10 напряжения, вторую схему 11 сравнения и второй 12 делитель напряжения. Аналого-цифровой генератс р случайных сигналов работает следующим образом.. В начальный момент времени лящий сигналff/i замыкает ключ 2/ После окончания переходных процессо благодаря отрицательной обратной связи с выхода усилителя через де литель 10 на инвертирующий вход операционного усилителя 1, на выходе усилителя 4 устанавливается напряжениепряжение 00 ,5 ЫХ1/ 6Хл-- 3 1 . / ,еслм (, если , К - кшффициент деления резистивного делителя 10, выходное напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 1 Е|- абсолютная величина выход -ного, напряжения схемы 9 сравнения. Поскольку в начальный момент вре менни с выхода второго каскада поди ется -некотсзрое остаточное напряжения U , описанные действия производятся над этой величиной. Во втором такте работы клоч 2 размь1кается, а управля1ощий сигнал противофазный управляющему сигналу Ш, замыкает клоч 6. Поскольку второй каскад схемно идентичен первому то с выходным напряжением пер (вого каскада, подаваемого на вход второго каскада, произведены описан ные действия.V В следующем такте размыкается ключ 6, замыкается йлюч 2 и процесс повторяется. Выходное напряжение для произвольного И-го такта работа и остатЬчного напряжения О определяется по формуле (1cf1. ( выражение в скобках при К 1/2 аналогично выражению погрешности квантования аналого-цифрового преобразователя с количеством разрядов, равными , а множитель(|к)равен количеству квантов преобразователя. Известно, что погрешность квантования является случайной величиной с равномерным законом распределения внутри кванта преобразования, поэтому можно утверждать, что выходное/напряжение является случайной величиной с равномерным законом распределеления в диапазоне от -Е до -fE. . СигнэлыоС и odgj,,yjp снимаем . мые с выходов схем 9 и 11 сравнения, определяют полярность входных случайных процессов и, следовательно, являются случайными двоичными последовательностями. Следует отметить, что процесс генерирования, случайных сигналов не может закончиться или выродиться в силу наличия множества факторов, исключающих идеальность алгоритма, таких как иррациональ юсть значения peaj bHoro коэффициента К, наличие шумов и начальных смещений в операционных усилителях, ключах и схемах сравнения/а также температурных и временных флуктуации перечисленных параметров. Пример. Предположим, что p 0,361 8, 1/К « 1,ЭЭ8уИ Е ,003 В. Определим по формулам (1)И (2) значение выходного сигнала и двоичной последовательности в первом такте bMXf 1 З ««ак Uo- о; U«bW-, 1.998(-0,36l)-(-l)U,003 3;ЗТ1-(В). Во втором Такте ° ШХ|-2., так как 13 О , Uo 1,998(-3,371)-(-1.)1,003 2,733 (В). Значения выходных сигналов и двоичных последовательностей приведены в таблице. , , С целью анализа статистических свойств выходных сигналов проведено моделирование предлагаемого аналогоцифрового генератора случайных сигналов на ЦВМ. Результаты моделирования подтверждают приведенные выводы о равномерности закона распределения выходных напряжений и равновероятно-

сти символов двоичной последовательности.

Предлагаемый аналого-цифровой генератор случайных сигналрв позволяет получать как случайные аналоговые сигналы, так и случайные цифровые сигналы в виде двоичной последовательности.

Учитывая, что сложность предлагаемого устройства примерно равна сложности известных устройств, а также то, что данный генератор позволяет получать сразу четыре выходных сигнала, то приведенный объем Оборудования устройства будет примерно в четыре раза меньше.

Предлагаемое устройство не требует первичного генератора шума, а наличие многих случайных факторов, присутствующих в схеме генератора, обеспечивает получение неповторяющихся случайных сигналов и двоичныхпоследовательностей с устойчивыми статистическими свойствами. Случайные аналоговые сигналы обладают равномерным законом распределения и широким энергетическим спектром в силу того, что выходные сигналы могут изменяться от такта к такту почти на полный диапазон сигналов.

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять регулировку ширины спектра выходных сигналов посредст- вом изменения тактовой частоты, при зтом амплитудные и вероятностные характерист,ики сигналов не изменяются.

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР .СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ, содержащий четыре операционных усилителя, два ключа, два накопительных конденсатора, выход первого операционного усилителя соединен с информационным входом первого ключа, управляющий вход которого подключен к выходу первого источника гармонического сигнала, а выход первого ключа через первый накопительный конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала и непосредственно - с неивертирующим входом второго операционного усилителя, выход котоiporo является первым выходом генератора и соединен со своим инвертирующим входом и с неинвертирующим входом tpeTbero операционного усилителя, выход которого средине с информационным входом второго ключа, управляющий вход которого подключен к выходу второго источника гармонического сигнала, а выход второго ключа через второй накопительный конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала и непосредственно - с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого является вторым выходом генератора .и соединен со своим инвертирующим входом и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, | о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения генератора, он содержит первый и второй делители напряжения и первую и вторую схему сравнения, выходы которых являются соответственно третьим и четвертым вы;)одами генератора и соответственно через первый и второй делители наD tC ( пряжения соединены с выходами второго и четвертого операционных усилителей, средние выводы первого и второгр делителей напряжения соединены соответственно с инвертирующими вхо-i дами первого и Третьего операционных ;о усилителей, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с первыми входами первой и второй схем сравнения, вторые входы которых подключены к шине нулевого потенциала. ; .. -V

-3,371

-1 -3,371

-1,58

-1

-1,827

-1

-1 -3,289

-1

-1,167

-1 -0,662

-1 И,

+1 +1,139

-1

+1

+1

-1

+1

+1

-1

.Продолжение таблиц