Генератор случайной последовательности Советский патент 1984 года по МПК G06F7/58 

I Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к генерат рам случайной последовательности дв ичных цифр, и может быть использова но при построении датчиков равномерно распределенных случайных чисел как функциональных модулей ЭВМ, а та же для создания стахастических машин и моделей, основанных на использовании метода статистических испытаний Известен генератор случайных чисел, основанный на использовании слу чайных состояний бистабильной схемы при периодическом и одновременном подключении к ней конкурирунлцих управлякицих сигналов С -J. Для генераторов указанного типа характерна низкая устойчивость режима равновероятной установки бистабил ной схемы, что приводит к преобладанию в последовательности длинных серий единиц и нулей. Для устранения этого явления применяются специальные автоматические схемы, что приводит, однако, к нарушению естественной случайности и оперативной вьщачи случайных чисел. Известен также генератор случайны чисел, основанный на пересчете импульсов периодической последовательности за случайный интервал времени 2 . С целью достижения высокого уровня равновероятности и независимости бинарных символов в условиях неравно мерной плотности распределения случайных временных интервалов в генераторах указанного типа используется режим многократного переполнения счетчика. Величина коэффициента пере полнения обычно составляет десятки периодов опорной последовательности, что резко снижает их общее быстродействие . Известен генератор случайных чисел, основанный на дискретизации непрерывного шумового сигнала по двум уровням CSJ. Указанньй генератор имеет достаточное для практических целей быстро действие, но обладает повьппенной чувствительностью к изменению параметров шумового сигнала (главным образом его медианного значения). По этому разбаланс .появления и 1 в генераторахуказанного класса обцч но больше, чем в других, что требу,ет введения в конструкцию генерато47ров аппаратурных средств его компенсации. Известен также генератор случайHb X двоичных цифр, содержащий источники формирования первичного случайного напряжения и блок суммирования по модулю два, D-триггеры, D-входы которых соединены с выходами источников формирования первичного случайного напряжения соответственно, выходы триггеров соединены с входами блока суммирования по модулю два, а синхронизационные входы D-триггеров соединены между собой и подключены к входу Опрос генератора, В указанном устройстве применение D-триггеров исключает нежелательную возможность смены состояний на входах блока суммирования по модулю два в моменты поступления сигналов . считывания, а наличие в схеме блока суммирования повышает равновероятность появления элементов генерируемой последовательности и снижает уровень ее автокорреляции Г J. Эффективное выравнивание блоком суммирования вероятностей появления выходных сигналов предполагает высокую стабильность равноверрятности их появления на входах сумматора, что не может быть выполнено ввиду низкой температурной стабильности триггерных пороговых элементов и источников формирования первичного случайного напряжения. Наиболее близким к предлагаемому является генератор случайной последовательности, содержащий датчик случайного напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выходу вычитателя, вход уменьшаемого которого является информационным входом генератора, выход сумматора соединен с D-входом первого D-триггера, С-вход которого является входом Опрос генератора, а выход первого D-триггера соединен с первым входом первого элемента И, выход ко- i торого является выходом генератора 5. Недостатком известного генератора является невысокая точность воспроизведения законов распределения вероятностей. Цель изобретения - повышение точности генератора. Дня достижения .поставленной цели в генератор случайной последовательности, содержащий датчик случайного напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выходу вычитателя, вход уменьшаемого которого является информационным входом генератора, выход сумматора соединен с D-входом первого D-триггера, С-вхо которого является входом Опрос генератора, а выход первого В-1риггера соединен с первым входом первого элемента И, выход которого является выходом генератора, введены три элемента задержки, элемент ИЛИ, три эле мента И, регистр памяти, мультиплексор, два счетчика, счетный триггер и второй D-триггер, выход которого соединен с вторым входом первого эле мента И, выход первого D-триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, информационный выход которого соединен с первым информационным входом мультиплек сора, выход которого соединен с входом регистра памяти, выход которого соединен со входом вычитаемого вычитателя, вход уменьшаемого которо го объединен с вторым информационным входом мультиплексора, первый управляющий вход которого объединен с вхо дом Сброс второго счетчика, с первым входом элемента ИЛИ, с установоч ным входом второго D-триггера и явля ется входом Установка генератора, вход Опрос которого через первый элемент задержки соединен с вторь м входом второго элемента И и непосред ственно соединен с первым входом чет вертого элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход переполнения которого соединен с С-входом счетного триг гера, инверсный выход которого соединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И и с С-входом второго О-триггера, D-вход которого подключен к шине Логи11еская единица выход элемента ИЛИ соединен с входом Сброс первого счетчика и с установочным входом счетного триггера, еди ничный выход которого соединен с вхо дом второго элемента задержки, выход которого соединетн с вторым управляю- щим входом мультиплексора и с входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ. На фиг. 1 приведена блок-схема генератора; на фиг. 2 - схема блоки определения отношения частот. Генератор содержит сумматор 1, датчик 2 случайного напряжения, цифроаналоговый преобразователь 3, вычитатель 4 с информационным входом 5 уменьшаемого, блок 6 определения отношения частот, D-триггер 7 с входом 8 Опрос, элемент И 9, выход 10, элемент И 11, элемент 12 задержки, блок 6 и элементы 11 и 12 образуют блок 13 текущих вероятностей, который содержит вход 14 Установка, элемент ИЛИ 15, триггер 16, счетчик 17, мультиплексор 18, элементы 19 и 20 задержки, счетный триггер 21, элементы И 22 и 23, счетчик 24, регистр 25 памяти с выходом 26,вход 27 мультиплексора 18, входы 28 и 29 элементов И 22 и 23, выход 30 D-триггера 16.. Генератор работает последовательно в двух режимах: подготовки и генерирования случайной последовательности двоичных цифр. В режиме подготовки с входа: 5 на первые информационные входы вычитателя 4 и блока 6 поступает цифровой код нормативного значения вероятности появления выходного сигнала генератора, после чего на вход 14 воздействует импульсныйсигнал установки в исходное состояние, который устанавливает в нулевое состояние триггеры 16, 21 и суммирукицие счетчики 17 и 24, а также воздействует на первый управляющий вход мультиплексора 18. При этом с инверсного выхода счетного триггера 21 на вторые входы элементов И 22 и 23 поступает сигнал логической 1, а присутствукндий на входе 27 код нормативного значения вероятности появления выходного сигнала генератора фиксируется в регистре 25 и через информационный Ъыход 26 поступает на второй вход вычитателя 4. Поскольку при работе генератора в режиме подготовки на оба входа вычитателя 4 поступают коды одного и того же числа, на его выходе образуется код нулевого состояния, который преобразуется цифроаналоговым преобразователем 3 в нулевой аналоговьй сигнал и поступает на второй вход сумматора 1 . При этом шумовой аналоговый сигнал с выхода датчика 2 случайного напряжения поступает на первьй вход сумматора 1, с выхода которого без каких-либо изменений поступает на D-вход первого D-триггера 7. В моменты поступления на вход 8 положительных перепадов импульсов опроса генератора первый D-триггер 7 принимает состояние О или 1 в за висимости от соотношения в указанные моменты времени значений напряжения на его D-входе и напряжения порога срабатыва,ния первого D-триггера 7 по входу D. В случае установления перво го D-триггера 7 данным импульсом опроса в состояние логической 1 сигнал этого состояния с прямого выхода первого В-триггера 7 поступает на первьй вход элемента И 11, где стробируется тем же импульсом опроса поступившим через элемент 12 задержки на второй вход элемента И 11, и пе реводится в импульсный сигнал наличия 1 на выходе первого О-триггера 7. Импульсные сигналы наличия 1 на выходе первого D-триггера 7 с выхода элемента И.-11 поступают на второй вход блока 6, на третий вход которого поступают импульсы опроса генератора. При этом .импульсные сигналы наличия 1 на выходе первого D-триг гера 7 проходя.т через первьй вход 2 элемента И 22 и накапливаются в счет чике 24 появления случайных сигналов генератора, а импульсы опроса генератора, которые представляют собой сигналы наличия как О, так и 1, на выходе D-триггера 7, проходят через первый вход 29 элемента. И 23 и накапливаются в счетчике 17. В момен переполнения счетчика 17 перепад напряжения на выходе его старшего разряда устанавливает счетчный триггер 21 в состояние логической 1. На инверсном выходе счетного триггера 21 появляется сигнал логического О -которьй блокирует прохождени импульсных сигналов через элемен- . ,ты И 22 к 23 по входам 28, 29 и фиксирует состояния счетчиков 17 и 24. На этом цикл измерения текущей вероятности появления логической 1 на выходе первого D-триггера 7 заканчи вается, во всех разрядах счетчика 17 фиксируются логические О, а в счет чике 24 появления случайных сигналов генератора фиксируется цифровой код текущей вероятности появления логической 1 на выходе первого I D-триггера 7 при отсутствии корректирующего воздействия на втором входе блока 1 суммирования. ) , Точность получения кода текущей вероятности появления логической 1 на выходе первого D-триггера 7 непосредственно зависит от объема статистической выборки, на которой она вычисляется , и определяется разрядностью счетчика 17. Напряжение логической 1 с прямого выхода, счетного триггера 21 через интервал времени, определяемьй элементом 20 задержки, поступает на вход элемента ,19 задержки, а таклсе воздействует на второй управляющий вход мультиплексора 18. В результате этого воздействия содержимое счетчика 24 появления случайньпс. сигналов генератора поступает в регистр 25, с выхода 26 которого цифровой код текущей вероятности появления логич.еской 1 на выходе первого D-триггера 7 поступает на второй вход вычитателя 4, .на выходе которого образуется цифровой код разности нормативного и текущего значений вероятности появления логической 1 на выходе первого D-триггера 7. Цифроаналоговьй преобразователь 3 преобразует цифровой код разности в аналоговьй сигнал, которьй суммируется в блоке 1 суммирования с шумовым аналоговым сигналом датчика 2 случайного напряжения. Если разность между нормативным и текущим значениями вероятности появления логической 1 на выходе первого D-триггера 7 равна О, аналоговьй сигнал на втором входе блока 1 суммирования отсутствует и сигнал с датчика 2 случайного напряжения передается на D-вход первого D-триггера 7 без изменений. Если текущее значение вероятности появления, логической 1 на выходе первого D-триггера 7 ниже нормативного значения вероятности его появления, вьгаитатель 4 вырабатывает положительное значение.цифрового корректирующего сигнала, которое в,аналоговой форме суммируется в блоке 1 суммирования с сигналом датчика 2 случайного напряжения и повышает медианное значение последнего относительно порогового значения напряжения на D-BXOде первого D-триггера 7. Текущая вероятность появления логической 1 на выходе первого D-триггера 7при этом увеличивается. -Если текущее зна чение вероятности появления логической 1 на выходе первого D-триггера 7 превышает нормативное значение вероятности его появления, вычитатель 4 формирует отрицательное значение цифрового корректирующего сигнала, которое понижает медианное значение сигнала датчика 2 случайног напряжения относительно порогового значения напряжения на D-входе перво го D-триггера 7, чем вызывает снижение вероятности появления сигнала логической 1 на выходе первого D-триггера 7. После воздействие управляющего сигнала на второй управляющий вход мультиплексора 18 через интервал вре мени, определяемьй элементом 19 задержки, с выхода последнего на второ вход элемента ИЛИ 15 поступает сигнал логической 1. На выходе элемен та ИЛИ 15 появляется сигнал, который переводит в состояние логического О все разряды счетчика 24 и счетный триггер 21, на инверсном выходе кото рого появляется сигнал логической 1. При этом сигнал логической 1 на ин версном выходе счетного триггера 21 разблокируетпрохождение импульсных сигналов через элементы И 22 и 23 по входам 28 и 29 соответственно и одновременно с этим переводит второй D-TpHrrep.16 в состояние логической 1. Сигнал этого состояния с выхода 30 второго D-триггера 16 воздействует на второй вход элемента И 9 и открывает прохождение сигналов логической 1 с выхода первого D-триггера 7 на выход 10 генератора. Под готов ительньй режим работы генератора на этом заканчивается и сменяется режимом генерации случайно последовательности двоичных цифр, который отличается от подготовительного режима отсутствием импульсов установки в исходное состояние на-Bx де 14 установки в исходное состояние В результате этого второй D-триггер.16 в течение всего режима генера ции находится в состоянии логической 1, а с его выхода-30 на второй вхдд элемента И 9 постоянно поступае управлянлций сигнал, который обеспечи вает прохождение случайной последова тельности двоичных цифр с выхода первого триггера 7 на выход 10 генератора. Информационный вход 27 и первый управляющий чход мультиплексора 18 не используются, а счетный триггер 21 и счетчики 17 и 24 автоматически принимают необходимые для нормальной работы блока 6 состояния. При этом измерение текущих значений вероятнос|ти появления логической 1 на-выходе 10 генератора происходит отдельными циклами, каждьй из которых начинается с заполнения импульсами наличия логической 1 на выходе первого D-триггера 7 и импульсами опроса генератора счетчиков 24 и 17соответственно, а завершается вьщачей результата измерения с информационных выходов счетчика 24 в регистр 25 и последующим обнулением счетного триггера 21 и счетчика 24. Элемен гы 19 и 20 задержки включены в схему блока 6 с целью более четкого разделения во времени процесса фиксации теку1цего результата измерения в счетчике 24, процесса его занесения в регистр 25, момента завершения переходного процесса на D-входе первого D-триггера 7 после поступления очередного корректирующего воздействия .на второй вход блока 1 суммирования и момента «ачала последукяцего цикла измерения. В течение каждого из циклов измерения текущего значения вероятности появления логической 1 на выходе 10 генератора на второй вход блока 1 суммирования воздействует аналоговый корректиру 9щий сигнал, соответствующий зафиксированному в регистре 25 цифровому значению предшествующего результата измерения. Поскольку значение корректирующего сигнала стабилизирукядей обратной связи генератора вырабатывается непосредственно на основе сигнала датчика 13 вероятности появления выходного сигнала, цифровое значение которого не зависит от амплитудных и временных харяктеристик первичного шумового и управляющих сигналов, качество работы предлагаемого устройства полностью не зависит от частоты и скважности управляклцих импульсов, а таКже от статистических распределений амплитудных и временных характеристик пеГрвичного случайного сигнала датчика 2 случайного напряжения. ДляЛправильной

,110974710

работы датчика 13.вероятности появле- должно быть больше времени срабатыния выходоого сигнала генератора вания первого р-триггера 7 по его время задаряаси элемента 12 задержки тактируемому входу.

ГЕНЕРАТОР CJmiAEHOfi ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ, содержащий датчик слу. чайного напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выходу вычитателя, вход уменьшаемого которого является информационным входом генератора, выход сумматора соединен с D-входом первого D-триггера, С-вход которого является входом Опрос генератора, а выход первого D-триггера соединен с первым входом первого элемента И, выход которого является выходом генератора, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности, в него введены три элемента задержки, элемент ШШ, три элемента И, регистр памяти, мультиплексор, два счетчика, счетньй триггер и второй В-т-риггер, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход первого D-триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, информационный выход которого соединен с первьм информационным входом мультиплексора, выход которого соединен с входом регистра памяти, выход которого соединен с входом вычитаемого вычитателя, вход уменьшаемого которого объединен с вторым информационным входом мультиплексора, первый управляющий вход которого объединен с входом Сброс второго счетчика, с первым входом элемента ИЛИ, с установочным входом второго D-триггера и является входом Установка генератора, вход Опрос которого через первый элемент задержки соединен с вторым входом второго элемента И и непосредственно соединен с первым входом четвертого элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход переполнения которого соединен с С-входом счетного триггера, инверсный выход которо D го соединен с вторыми входами третьеЧ -v| го и четвертого элементов И и с С-входом второго D-триггера, D-вход которого подключен к шине Логическая единица, выход элемента ИЛИ соединен с входом Сброс первого счеТчика и с установочным входом Учетного триггера, единичный выход которого соединен с входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым управляющим входом Мультиплексора и с входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ.

М

13

гЛЧти1

&t

6

//