Генератор псевдослучайных чисел Советский патент 1987 года по МПК H03K3/84 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности, к устройствам для генерации произвольных чисел, и может быть использовано в системах автоматики, например, для управления, сменой фиксированного числа значений перестраиваемого параметра системы.

Цель изобретения - повышение надежности функционирования генератора.

На чертеже представлена структурная схема генератора псевдослучайных чисел; на фиг. 2 - блок-схема генератора тактовых импульсов.

Генератор псевдослучайных чисел содержит генератор 1 тактовых импульсов, первый регистр 2 памяти, элемент 3 задержки, первЕ 1Й регистр 4 сдвига, первый сумматор 5 по мохтулю два, первый элемент И 6, счетчик 7, второй элемент И 8, второй регистр 9 памяти, первый триггер 10, третий регистр 11 памяти, второй триггер 12, первый формирователь 13, элемент И-НЕ 14, первый элемент ИЛИ 15, коммутатор 16, первый элемент НЕ 17, второй элемент ИЛИ 18, второй 19 и третий 20 формирователи, блок 21 сравнения, четвертый формирователь 22, шину 23 ввода числа п-1, второй элемент НЕ 24, второй регистр 25 сдвига, второй сумматор 26 по модулю два, третий 27 и четвертый 28 элементы НЕ.

Первый выход генератора 1 тактовых и.1 пульсов соединен с первым управляющи.м входом регистра 2 памяти и входом элемента 3 задержки, выходы разрядов регистров 4 и 25 сдвига в соответствии с коэффици- ента.ми генераторного полинома регистра 4 соединены с входами су.м.маторов 5, 26 по модулю два соответственно, вторые инфор- мапионные входы регистров 4 и 25 сдвига соединены с выходами сумматоров 5, 26 по модулю два соответственно, выход элемента 3 задержки соединен с первым входол счетчика 7 и входом генератора 1 тактовых импульсов, третий выход генератора 1 тактовых импульсов связан с первым тактовым входом регистров 4 и 25 сдвига через элемент И 6, выход первого триггера 10 соединен с первыми входами элементов И .6 и 8, первый вход триггера 12 соединен с первым выходом генератора 1 тактовых импульсов, четвертый выход которого соединен с первым входом триггера 10, с вто- ры.м и первым входами (входами установки «О) регистров 2 и 9 памяти, с вторым входом триггера 12, вторым входом счетчика 7, третьими управляющими входами регистров 4 и 25 сдвига и первым входом регистра И памяти, входы группы входов которого соединены с выходами счетчика 7, пятый выход генератора 1 тактовых импульсов соединен с четвертыми тактовыми входами регистров 4 и 25 сдвига, выход элемента 3 задержки соединен с третьим

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

входом элемента Ибис вторым входом триггера 10, третий вход которого соединен с выходом элемента И-НЕ 14, первый вход которого соединен с выходом триггера 12, выходы последнего разряда регистров 4 и 25 сдвига соединены с входами формирователей 13, 19 соответственно, выходы которых соединены с входами элемента ИЛИ 15, выход которого соединен с третьим входом установки «О счетчика 7 и входо.м элемента НЕ 27, выход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ 14, входы формирователей 13 и 19 соединены с входами элементов НЕ 17 и 24 соответственно, выходы которых связаны через формирователи 20 и 22 с входами элемента ИЛИ 18, выход которого соединен с третьим входом установки «1 триггера 12 и входом элемента НЕ 28, выход которого соединен с вторым входом элемента И 8, выход которого соединен с вторым управляющим в.хо- дом регистра 11 памяти, четвертый счетный вход счетчика 7 соединен с вторым выходом генератора 1 тактовых и.м пульсов, выход регистра 11 памяти соединен с первыми входами ком.мутатора 16 и блока 21 сравнения, второй вход которого соединен с выходом регистра 9 памяти, второй управляющий вход которого соединен с третьим выходом генератора 1 тактовых и.м пульсов, выход блока 21 сравнения соединен с управляющим входом . коммутатора 16, второй вход коммутатора 16 соединен с группой входов регистра 2 памяти, выход которого соединен с группой входов регистра 9 памяти и является выходо.м устройства.

Генератор 1 тактовых импульсов (фиг. 2) состоит из последовательно соединенных генератора 29 импульсов, первого делителя 30 частоты, формирователя 31, эле.мента 32 задержки, элемента НЕ 33, второго делителя 34 частоты, счетчика 35, дешифратора 36, выходы которого через переключатель 37 соединены с первым входом элемента И-НЕ 38, второй вход которого пол шлючен к выходу формирователя 31, выход генератора 29 импульсов соед.инен с вторым входом формирователя 31. Для формирования сигналов начальной установки используется цепь, состоящая из последовательно включенных триггера 39, элемента ИЛИ 40 и элемента ИЛИ 41, второй вход элемента ИЛИ 40 объединен с входом установки «1 триггера 39, который соединен через резистор 42 с шиной 43 нитания, а через коммутационный элемент 44 - с общей П1ИНОЙ 45 питапия, вход установки «О триггера 39 нодю1ючен к выходу RC-цепи 46, подключенной между шинами 43 и 44 питания.

Выход элемента ИЛИ 4 соединен с входами сброса делителей 30 и 34 частоты и счетчика 35, выход элемента И-НЕ 38 является первым выходом генератора 1 тактовых импульсов, вторым, третьим четвертым и пятым выходами которого являются соответственно выход формирователя 31, выход элемента 32 задержки, выход элемента ИЛИ 40 и выход генератора 29 импульсов, второй вход элемента ИЛИ 41 является входом генератора 1 тактовых импульсов. Генератор 29 импульсов обеспечивает формирование импульсов со скважностью два. Он выполнен в виде кварцевого генератора, собранного по схеме емкостной трехточки и усилителя, обеспечивающего усиление сигнала по мощности и стандартизацию уровня. Установка в «О производится сигналом низкого уровня.

Устройство работает следующим образом.

При появлении сигнала низкого уровня на четвертом выходе генератора 1 тактовых импульсов, что имеет место при включении напряжения питания или в момент пуска генератора, осуществляемого с помощью коммутационного элемента, устанавливаются в начальное нулевое состояние регистры 2, 9, 11 памяти, триггеры 10, 12 и производится сброс счетчика 7. Выходным сигналом низкого уровня с выхода триггера 10 блокируется прохождение тактовых импульсов через элемент И 6.

Регистры 4 и 25 сдвига в момент появления установочного сигнала низкого уровня на их входах приводятся в исходное положение в режиме паралле тьной записи, при котором в регистры 4, 25 сдвига записывают исходное число, постоянно заведенное на входы параллельной записи, запрещенным является только одно состояние регистра 4 и 25 сдвига - 00...0. В момент поступления циклового импульса с первого выхода генератора 1 на управляющий вход регистра 2 памяти в последний заносится код с выхода коммутатора 16.

При поступлении первого с момента пуска генератора циклового импульса (через время, равное Тц, после окончания сигнала начальной установки) вследствие равенства кодовых слов (все нули) на обоих входах блока 21 сравнения на выходе генератора формируется число, равное п-1. Необходимое условие постоянства сигнала на информационном входе регистра 2 памяти в течение- необходимого времени после переднего фронта цикловОго импульса обеспечивается за счет задержки информации в регистре 9 памяти, так как изменение сигнала на выходе регистра 9 происходит по переднему фронту синхроимпульса, поступающего с третьего выхода генератора 1 тактовых импульсов. Цикловый импульс поступает также на вход установки «О триггера 12 и устанавливает последний в нулевое состояние. Задержанным цикло0

5

0

5

0

5

0

вым импульсом, снимаемым с элемента 3 задержки, осуществляется сброс счетчика 7, установка триггера 10 в единичное состояние, при котором последний выдает сигнал, разрещающий прохождение тактовых импульсов с третьего выхода генератора 1 тактовых импульсов через элемент И б и возврат в исходное состояние цепи формирования цикловых импульсов генератора 1 тактовых импульсов.

Для повыщения надежности формирование числовой последовательности в регистре 11 памяти осуществляется с помощью двух идентичных синхронно работающих независимых формирователей М-последова- тельности, каждый из которых состоит из регистра 4 (25) сдвига с сумматором 5 (26) по модулю два в цепи обратной связи.

С приходом тактового импульса содержимое регистра 4 (25) сдвига сдвигается на один разряд вправо, а в освободивщую- ся ячейку записывается сигнал с выхода сумматора 5 (26) по модулю два. На выходе последнего разряда регистров 4 (25) сдвига формируются одинаковые псевдослучайные двоичные последовательности - М - последовательности.

С момента окончания импульса сброса на первом входе счетчика 7 в нем фиксируются импульсы с второго выхода генера то- ра 1 тактовых импульсов.

Для исключения прохождения сдвига в регистрах 4 и 25 сдвига в такте, соответствующем появлении циклового импульса, сигналом низкого уровня, снимаемым с выхода элемента 3 задержки, осуществляется блокировка элемента И 6, при этом величина задержки сигнала в элементе 3 задержки, определяющая момент установки триггера 10 в единичное состояние, должна несколько превышать величину задержки сигнала на третьем выходе генератора 1 тактовых импульсов относительно сигнала на его втором выходе.

Как только в составе М-последователь- ности появляется «О, положительным пере45 падом с выходов элементов НЕ 17, 24 запускаются формирователи 20 и 22, на выходах которых появляются отрицательные импульсы, которые объединяются с помощью элемента ИЛИ 18, выходной сигнал которого через элемент НЕ 28 поступает на

50 второй вход элемента И 8. управляемого по первому входу выходным сигналом триггера Ю. При этом с выхода элемента И 8 на управляющий вход регистра 11 памяти поступает импульс записи, фиксирующий

55 содержимое счетчика 7, накопленное в нем за время, пока в формируемом отрезке М-последовате, 1ьности проходит серия «1 (т.е. пока на выходе последнего разряда

регистра 4, 25 сдвига сохраняется высокий уровень сигнала).

При отсутствии неисправностей в формирователях М-последовательности сигналы на выходах регистров 4 и 25 сдвига совпадают, при этом импульсы на выходе формирователей 20, 22 появляются одновременно. В момент перехода в формируемой М-последовательности от «О к «1 запускаются формирователи 13 и 19, выходные сигналы которых объединяются с помощью элемента ИЛИ 15, выходной сигнал которого через элемент НЕ 27 поступает на второй вход элемента И-НЕ 14, управляемого по первому входу выходным сигналом триггера 12, Если триггер 12 находится в единичном состоянии, то выходным сигналом низкого уровня элемента И-НЕ 14 триггер 10 устанавливается в «О, при этом прекращается сдвиг в регистрах 4 и 25 сдвига, которые фиксируются в состоянии, соответствующем высокому уровню сигнала на выходе их последних разрядов.

В регистре 11 памяти оказывается сформированным псевдослучайное число, соответствующее количеству единичных сигналов в генерируемом за цикл работы устройства отрезке М-последовательности. Для исключения повторения смежных чисел на выходе устройства в блоке 21 производится сравнение кода на выходе регистра 11 памяти с кодом в регистре 9. В случае их равенства на выходе блока 21 сравнения формируется сигнал низкого-уровня, и коммутатор 16 переключается таким образом, что на информационный вход регистра 2 памяти поступает код с шины 23 числа п-1 (число, равное п-1, отсутствует на выходе регистра 11 памяти). В противном случае на выход коммутатора 16 поступает код с выхода регистра 11 памяти.

В начале следующего цикла работы генератора псевдослучайных чисел в момент поступления циклового импульса с первого выхода генератора 1 тактовых импульсов осуществляется перезапись кода с выхода коммутатора 16 в регистр 2 памяти и установка в «О триггера 12. Затем осуществляется сброс счетчика 7, установка триггера 10 в единичное состояние и происходит формирование очередного псевдослучайного числа в регистре 11 памяти. Описанный цикл работы генератора повторяется при формировании каждого нового числа.

Появление неисправности в одном из регистров 4, 25 сдвига приводит к тому, что один или несколько триггеров этого регистра постоянно находятся в одних и тех же (нулевых или единичных) состояниях.

Последовательно сдвигаясь, это состояние (не позже, чем через п тактов) проявляет себя на выходе последнего разряда

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

регистра сдвига, после чего уровень сигнала на выходе последнего разряда регистра сдвига перестанет изменяться. До этого момента последовательность двоичных символов на выходе последнего разряда неисправного регистра сдвига не имеет искажений. Если в очередном цикле прохождения сдвига до момента появления расхождения М-последовательностей на выходах последних разрядов регистров 4, 25 сдвига был высокий уровень сигнала, то на втором входе регистра 11 памяти возможно появ ление двух импульсов записи, при этом если на выходе исправного регистра переход из «1 в «О происходит позже, чем в неисправном регистре, то в регистре 11 памяти зафиксируется недостоверное число, однако в одном из последующих тактов в данном цикле работы устройства поступает второй импульс, связанный с изменением значения сигнала на выходе исправного канала формирования М-последовательности. В противном случае к моменту поступления импульса на второй вход регистра 11 памяти, связанного с изменением сигнала в исправном канале формирования, на выходе неисправного регистра сдвига уровень сигнала перестает изменяться, что исключает дальнейшую смену информации в регистре 11 памяти в данном цикле работы устройства. При этом в последующих циклах работы устройства на втором входе регистра 11 памяти в каждом цикле будет формироваться только один импульс записи, связанный с соответствующим из.менение.м сигнала на выходе последнего разряда исправного регистра сдвига.

При появлении неисправности в последнем разряде одного из регистров 4, 25 сдвига в паузе между поступлениями циклового импульса элемент И 8 блокирует выходной сигнал элемента НЕ 28 (за счет поступления сигнала низкого уровня с выхода триггера 10), препятствуя таким образом смене информации в регистре 11 памяти.

Если в очередном цикле прохождения сдвига до момента появления расхождения М-последовательностей на выходах последних разрядов регистров 4, 25 сдвига был низкий уровень сигнала, то в регистре 11 памяти фиксируется достоверное число. Однако в этом случае сдвиг в регистрах 4, 25 может прекратиться в момент, когда исправный регистр сдвига находится в состоянии, соответствующем низкому уровню сигнала на выходе его поочеднего разряда (если в неисправном регистре установится высокий уровень сигнала). Для обеспечения в этом случае формирования достоверных чисел в последующих циклах работы генератора прекращение сдвига в регистрах 4, 25 сдвига производится только после появления сигнала на выходе элемента ИЛИ

18, для чего его выходной сигнал поступает на вход установки «1 триггера 12, выходной сигнал высокого уровня которого обеспечивает разрешение работы эле1мента И-НЕ 14. Установка в нулевое состояние триггера 12 производится в начале каждого цикла работы устройства сигналом низкого уровня с первого выхода генератора 1 тактовых импульсов.

С этой же целью выходным сигналом первого элемента ИЛИ 15 сбрасывается содержимое счетчика 7, накопленное при низком уровне сигнала на выходе исправного регистра сдвига.

Минимально допустимая величина вре10

ный вход счетчика 35. После окончания сигнала сброса счетчик 35 начинает подсчет импульсов, поступающих на его счетный вход.

По истечении интервала вре.мени. равного заданному цикловому интервалу Т, на соответствующем выходе дещифратора 36 появляется сигнал единичного уровня. Опрос дешифратора 36 производится с помощью элемента И-НЕ 38, на второй вход которого подаются тактовые импульсы с выхода формирователя 31. На первом выходе генератора 1 тактовых импульсов формируется цикловой импульс. После сформирования циклового импульса происходит сброс счетменного интервала с.мены кода на выходе .. чика 35 и делителей 30, 34 частоты сигна лом, поступающим на вход генератора 1

тактовых импульсов, имеющи.м задержку относительно импульса на первом выходе генератора 1, а затем начинается отсчет очередного 20 ного TU, .

данного генератора Тц.инн определяется максимальной величиной формируе.мого за один цикл отрезка М-последовательнос- ти и составляет Тн.«ч« п+(п-1) + ()С(Зп-3)С,

временного интервала, равгде Т

- период повторения тактовых им пульсов;

-максимальная значность серии единичных символов М-последовательности;

Величина интервала Тц выбирается с помощью переключателя 37, устанавливаемого в определенное положение до мо.мента П,п-г -максимальные значности серий 25 пуска генератора псевдослучайных чисел, нулевых символов М-последовательности.Формула изобретения

Генератор 1 тактовых импульсов работает следующим образом.

При подютючении напряжения питания триггер 39 с помощью RC-цепи 46 устанав- 30 ливается в «О за время заряда конденсатора С через резистор R. Выходным сигналом элемента ИЛИ 40 через элемент ИЛИ 41 осуществляется сброс делителей 30 и 34 частоты и счетчика 35. Сигнал с выхода элемента ИЛИ 40 поступает также на четвертый выход (начальной установки) генератора 1 тактовых импульсов.

Пуск генератора псевдослучайных чисел осуществляется с помощью коммутационного элемента 44, выходным сигналом которого устанавливается в единичное состояние триггер 39, а также осуществляется через элементы ИЛИ 40 и 41 сброс делителей 30 и 34 частоты и счетчика 35.

С помощью резистора 42 осуществляется привязка входа установки в «1 триггера 39 к уровню «1.

Цепь, состоящая из элемента НЕ 33, второго делителя 34 частоты, счетчика 35, дещифратора 36, переключателя 37 и элеменГенератор псевдослучайных чисел, содержащий генератор тактовых и.мпульсов, первый выход которого соединен с первым входом первого регистра памяти и входом элемента задержки, выход которого соединен с первым входом счетчика, первый элемент И, выход которого соединен с первым входом первого регистра сдвига, соответствующие выходы которого соединены с входами первого сумматора по модулю два, выход которого соединен с вторым нходом первого регистра сдвига, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом первого триггера и с первым входо.м первого элемента И, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, второй триггер, выход которого соединен с первым входом элемента И-НЕ, пер- дс вый вход второго триггера соединен с пер- вы.м выходом генератора тактовых и.мпульсов, четвертый выход которого соединен с первым входом первого триггера, вторым входом счетчика, третьим входом первого регистра сдвига, вторым входом первого регистра

35

40

та И-НЕ 38 обеспечивает формирование 0 памяти, первым входом второго регистра пацикловых импульсов с периодом Ти, которые по длительности и фазе совпадают с соответствующими тактовыми импульсами на втором выходе генератора 1 тактовых и.мпульсов. Элемент НЕ 33 формирует на

мяти, вторы.м входо.м второго триггера, пятый выход генератора тактовых импульсов соединен с четвертым входом первого регистра сдвига, выход элемента задержки соединен с входом генератора тактовых импульсов, своем выходе отрицательные импульсы. Де- 55 третьим входо.м первого элемента И и вторым литель 34 частоты обеспечивает необходи-входом первого триггера, коммутатор, вымую цепь импульсов, поступающих на счет-ходы которого соединены с соответствующи

ный вход счетчика 35. После окончания сигнала сброса счетчик 35 начинает подсчет импульсов, поступающих на его счетный вход.

По истечении интервала вре.мени. равного заданному цикловому интервалу Т, на соответствующем выходе дещифратора 36 появляется сигнал единичного уровня. Опрос дешифратора 36 производится с помощью элемента И-НЕ 38, на второй вход которого подаются тактовые импульсы с выхода формирователя 31. На первом выходе генератора 1 тактовых импульсов формируется цикловой импульс. После сформирования циклового импульса происходит сброс счетпульсов, имеющи.м задержку импульса на первом выходе , а затем начинается отсчет

временного интервала, рав

Генератор псевдослучайных чисел, содержащий генератор тактовых и.мпульсов, первый выход которого соединен с первым входом первого регистра памяти и входом элемента задержки, выход которого соединен с первым входом счетчика, первый элемент И, выход которого соединен с первым входом первого регистра сдвига, соответствующие выходы которого соединены с входами первого сумматора по модулю два, выход которого соединен с вторым нходом первого регистра сдвига, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом первого триггера и с первым входо.м первого элемента И, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, второй триггер, выход которого соединен с первым входом элемента И-НЕ, пер- вый вход второго триггера соединен с пер- вы.м выходом генератора тактовых и.мпульсов, четвертый выход которого соединен с первым входом первого триггера, вторым входом счетчика, третьим входом первого регистра сдвига, вторым входом первого регистра

памяти, первым входом второго регистра пами входами группы входов первого регистра памяти, блок сравпепия, первая группа входов которого сосдипер|а с первой группой входов коммутатора, вторая группа входов которого соединена с шиной ввода числа, выход блока сравнения соединен с входом коммутатора, выходы второго регистра памяти соединены с второй группой входов блока сравнения, второй вход второго регистра памяти соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, выходы первого регистра памяти соединены с группой входов второго регистра памяти, первый формирователь, первый и второй элементы ИЛИ, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, он содержит второй регистр сдвига, второй сумматор по модулю два, третий регистр памяти, второй, третий и четвертый формирователи, первый, второй, третий и четвертый элементы НЕ, выходы счетчика соединены с соответствующими входами группы входов третьего регистра памяти, первый вход которого соединен с четвертым выходом генератора тактовых импульсов, второй вход третьего регистра памяти соединен с выходом второго элемента И, первый вход первого регистра сдвига соединен с первым входом второго регистра сдвига, соответствую

щие выходы которого соединены с входами второго сумматора по модулю два, выход которого соединен с вторым входом второго регистра сдвига, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами первого регистра сдвига, выходы последнего разряда первого и второго регистров сдвига соединены соответственно с входами первого и второго элементов НЕ и с входами первого и второго формирователей, выходы которых соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом счетчика и входом третьего элемента НЕ, выход которого соединен с вторым входом

элемента И-НЕ, выход которого соединен с третьим входом первого триггера, выходы первого и второго элементов НЕ соединенЕя соответственно с входами третьего и четвертого формирователей, выходы которых

соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом fiTOporo триггера и входом четвертого элемента НЕ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, четвертый вход счетчика соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, выходы третьего регистра памяти соединены с первой группой входов коммутатора.

fpufZ

Составитель В. Чижов

Техред И. ВересКорректор И. Эрдейи

Тираж 901Подписное

ВЫИИПИ Государственного комитета СССР по де.чам нзобретеннй и открытий

П3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Г едактор М. Товтни Заказ 2971/55

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам для генерирования произвольных чисел, и .может быть использовано в системах автоматики, например, для управления сменой фиксированного числа значений перестраиваемого параметра системы. Целью изобретения является повышение надежности функционирования генератора. Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, регистры 2, 9 и 11 памяти, элемент 3 задержки, регистры 4 и 25 сДвига, сумматоры 5 и 26, элементы И 6 и 8, счетчик 7, триггеры 10 и 12, формирователи 13, 19, 20 и 22, элемент И-НЕ 14, элементы ИЛИ 15 и 18, коммутатор 16, элементы НЕ 17, 24, 27 и 28. Поставленная цель достигается за счет введения новых схемных элементов и предложенной схемы функциональных связей между ними. 2 ил. СО Ю . о со «а4, ipufl