Устройство для определения среднего значения стационарных случайных процессов Советский патент 1985 года по МПК G06G7/52 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для анализа сигналов 5 изменение которых носит случайный характер, например при статистическомконтроле, в приборах д выполнения пЪлезного сигнала на фоне noi.-iex, устройствах для обработки медико-биологической информации и т.д.

По основному авт. св. № 376783 известно устройство, содержащее инерционное звено с управляемым резистором, выполненйом на полевом транзисторе, и схему управления, в состав которых входят дв.а последовательно соединенных конденсатора, параллельно которым подключены резисторы, и два последовательно соединенных источника постоянного напряжения, общая точка которых подключена к общей точке конденсаторов, два других вывода которых соединены с управляющим входом управляемого резистора и подключены чере ключи к свободным зажимам источников напряжения jj .

Недостатком известного устройства является снижение точности измерния среднего значения случайного процесса при неизвестной длительности анализируемого случайного процесса (т.е. неизвестен момент спадания среднего значения до нуля).

Цель изобретения - повьшение точ ности устройства.

Поставленная цель достигается тем, ,что в устройство для определения среднего значения стационарных случайных процессов введены интегратор, квадратор, второй управляемый резистор, элемент аналоговой памя.ти и блок определения максимумов, информационный вход которого через второй управляемый резистор соединей С выходом квадратора, вход которого подключен к выходу интегратора, вход которого соединен с входом устройства, входы запуска схемы управления, блока определения максимума и элемента аналоговой памяти объединены и подключены к входу пуска устройства, первый и второ входы схемы управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами второго управляемого резистора, выход блока определения максимумов подключен к

управляюи1ему входу элемента аналоговой памяти, информационный вход кстсрого соединен с выходом инерционного звена, выход элемента аналговой памяти является выходом устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого -устройства; на фиг.24 - диаграммы работы устройства.

Устройство содержит инерционное звено, состоящее из управляемого резистора 1 на полевом транзисторе и конденсатора 2, один из выводов которого соединен с управляемым резистором 1, а другой - с общей шиной входа устройства. Схема 3 управления соединена с управляющими входами резистора 1 и дополнительно введенного второго управляемого резистора 4 (выполненного, как и резистор 1, на полевом транзисторе). Выход ключа 5 подключен к выходу интегратора 6. Выход интегратора соединен с входом квадратора 7. выход которого соединен с вторым управляемым резистором 4. Выход ре(зистора 4 подключен к входу блока В определения максимумов. Выход блока 8 определения максимумов соедине с вторым входом элемента У аналогово памяти, первый вход которого подключен к конденсатору 2. Пусковые входы схемы 3 управления элемента 9 аналоговой памяти, блока 8 определения максимумов и ключа 5 подключены к цепи Пуск,

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии входной ключ 5 предлагаемого устройства разомкнут и сопротивление управляемого резистора 1, регулируемого схемой 3 управления, минимально.- В момент, когда необходимо начать вычисление среднего значения случайного процесс x(t), импульс запуска замыкает входной ключ 5 и одновременно запускает схему 3 управления, элемент 9 аналоговой памяти и блок-8 определения максимумов. Случайный процесс x(t) на входе устройства представляет собой случайный процесс с неизвестным средним значением UQ, которое в неизвестный момент времени t спадает до нуля. В режиме вычисления среднего значения схема 3 управления обеспечивает линейное нарастание сопротивления резистора 1, Общее 3 время Тлинейного изменения сопротивления от Rff до RMQKC превышает временной интервал возможных значений момента t . При этом на конденсаторе 2 образуется напряжение и , равное и (-г) ( x(t)dt, С- V J где Geoit. Напряжение и..(ь) попада на первый вход элемента 9 аналоговой памяти, на второй вход которого поступает информационный сигнал с выхода блока 8 определения максимумов, характеризующий длительность измеряемого среднего значения. Рассмо7рим формирование этого сигнала блоками 6,7,4 и 8. В момент замыкания ключа 5 интегратор 6 (характеризующийся большой постоянной времени интегрирования) формирует н своем выходр сигнал U | x(t)dt. который поступает на вход интегратора 7. С выхода квадратора преобI, разованный сигнал Г j x(t;)dtj иосту пает на управляемый блоком 3 резистор 4, который с линейно изменяющимся сопротивлением формирует выL-. ходной сигнал М(ь) Г 1 x(t)dtp , абсолютньй максимум которого достигается в момент времени, соответствующий спаданию измеряемого среднего значения до нуля. Как следует из теории потенциальной помехоустойчивости, временное положение абсолютного максимума MCt) соответствует оценке максимального правдоподобия момента времени t. Если пренебречь флуктуациями проинтегрированного случайного процесса, то положение абсолютного максимума М( соответствует моменту t . Далее блок 8 определения максимумов выявляет временное положение абсолютного максимума t в интервале О,) и подает со своего выхода соот ветствующий информационный сигнал на второй вход элемента 9 аналоговой пам ти.Последний формирует отсчет сигнал на конденсаторе 2 в момент ir .Амплит да этого отсчета определяет неизвестное среднее значение анализируемого случайного процесса. На фиг. 2а приведена зависимость измеряемого среднего значения проце 24 са от времени на входе устройства. Если пренебречь флуктуирующей составляющей случайного процесса, то сигнал на первом входе элемента 9 аналоговой памяти, совпадающий с выходным сигналом известного устройства имеет вид, показанный на фиг 26, На фиг. 2в приведена зависимость дисперсии (б ) флуктуации сигнала от времени на первом входе элемента 9 аналоговой памяти. Как следует из фиг. 2а, среднее значение измеряемого случайного процесса в неизвестный момент времени t скачком изменяется до нуля. В результате измерений возникает ряд погрешностей (фиг. 26,в), В известном устройстве за среднее значение принимается величина его выходного напряжения, напряжение на входе блока 9 предлагаемого устройства (фиг, 2б) Т и jx(t)dt/) в некоторые моменты времени t (слева от t ) или t(справа от t,j), поскольку значение t априори неизвестно. Обозначим (t (, относительная погрешность времени отсчета в известном устройстве и SQ - относительная среднеквадратичная погрешность измерения среднего значения предлагаемым устройством. Тогда выигрьш в точности измерения среднего значения случайного процесса конечной длительности, обеспечиваемый предлагаемым устройством, описывается формулой 8 fl/d + e), если ,т.е. , где S - относительная среднеквадратичная погрешность измерения среднего значения известным устройством. На фиг. 3 приведены кривые, описывающие выигрыш в точности оценки среднего значения случайного процесса при использовании предлагаемого устройства. При f 0 выигрьш рассчитан для значений , 10 и 20%. Анализ кривых показывает, что чем ниже относительная среднеквадратичная погрешность измерения среднего значения предлагаемым устройством и ниже значение , тем быстрее растет обеспечиваемый предлагаемым устройством выигрыш по сравнению с известным. Приведенные расчетные соотношения и построенные графики

11

s

позволяют количественно оценить этот выигрыш, так при SQ 20% и 50% величина 5 дБ; снижение SQ до 5% и до 20% обеспечивает увеличение до 10 дБ.

Выигрьш в точности измерения среднего значения предлагаемым устройством и его существенные отличия обеспечиваются дополнительно введенными интегратором, квадратором, управляемым резистором, блоком определения МеТксимумов, элементом аналоговой памяти Совокупность эти блоков определяет момент t скачкообразного изменения среднего значения случайного процесса. Поэтому амплитуда импульса на выходе стробирующего устройства равна значению напряжения U в момент времени

t,,, близкий к

t . Когда отсчет выМ

ходного напряжения в известном устройстве производится в MqMeHT времени t t (фиг, 26)j выигрыш в точности измерения объясняется тем, что увеличение времен1 интегрирования от t до t (если t известно) предлагаемом устройстве приводит к более эффективному подавлению флуктуации измеряемого случайного процесса (фиг, 2). Когда отсчет выходного- напряжения -в известном устройстве производится в момент tSt (фиг 26)5 подавление флуктуации более эффективно, чем при отсчете в момент, указанный на фиг. 2а, Однако, как следует из фиг„ 26, при этом возникает существенная систематическая ошибка lUjj-u , которая возрастает, с увеличением разности

L L Q,

Таким образом, максимальная точность измерения среднего значения случайного процесса достигается, если отсчет напряжения на выходе известного устройства производить в момент времени t . Предлагаемое устройство, измеряя момент времени CQ, существенно повышает точность измерения среднего значения.

Сигнал N(2) на вькоде дополнительно введенного управляемого резистора 7 в предлагаемом ,устройстве (при пренебрежении флуктуациями) имеет вид, показанный на фиг. 4.

8812

Этот сигнал всегда достигает максимума в момент времени t. Наличие флуктуации несколько смещает положение максимума выходного сигнала 5 блока 7 в -точку t., близкую к t. Блок 8 определения максимумов, определяя t и управляя элементом 9 аналоговой памяти, обеспечивает получение на выходе предлагаемого уст10 ройс1ва (на выходе элемента 9-) отсчета напряжения U/ в точке тем более близкой к t , чем больще 1 Ugjи t. В результате достигается выигрьпи в точности измерения среднего значе15 НИН, показанньш на фиг. 3,

Техническая сущность изобретения состоит в реализации высокой точности измерения среднего значения случайного процесса, когда неизвестна

20 его длительность.

Измерение предлагаемым устройством среднего значения случайного процесса, когда неизвестна его длительность, осуществляется с помощью операций интегрирования, возведе ния в квадратJ линейного изменения сопротивления, поиска местоположения экстремума и гтробировзния амплитуды сигнала, что о.беспечивает30 ся дополнительным введением интегратора, квадратора, управляемого резистора, блока определения максимумов, элемента аналоговой памяти и соответствующих связей.

JJ Предлагаемое устройство может найти применение при статистическом контроле случайных процессов конечной длительности и в устройствах для выделения полезных сигналов на

40 фоне помех, позволяя обеспечить измерение среднего значения случайного продесса с точностью, близкой к потенциальной возможной..

Предлагаемое устройство может

45 быть реализовано с помощью стандартных блоков измерительной аппаратуры, В частности, схемы управления и управляемых резисторов могут быть выполнены на основе операционных уси5Р лителей, один из которых включается в режим интегратора с постоянным конденсатором в цепи обратной связи с управляемым резистором во входной цепи.

t

f to t

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ по ав.- св,№ 376783, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены интегратор, квадратор, вто.рой управляемый резистор, элемент аналоговой памяти и блок определения максимумов, информационный вход которого через второй управляемый резистор соединен с выходом квадратора, вход которого подключен к выходу интегратора, вход которого соединен с входом устройства, входы запуска схемы управления, блока определения максимума и элемента аналоговой памяти объединены и подключены к входу пуска устройства, первый и второй выходи схемы управления соединены соответственно с первым и вторьм управляющими входами второго управляемого резистора, выход блока определения максимумов подключен к управляющему входу элемента (Л аналоговой памяти, информационный вход которого соединен с выходом инерционного звена, выход элемента аналоговой памяти является выходом устройства.