АНАЛИЗАТОР ВЫБРОСОВ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Советский патент 1972 года по МПК G06G7/52 

Предлагаемое устройство относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенной для статистического исследования систем управления и случайных процессов, точнее для изучения выбросов случайного процесса и его производной за некоторую функцию (в частном случае - за фиксированный уровень).

Характеристики выбросов случайных процессов находят применение в теории надежности, теории передачи информации, автоматического контроля и управления.

Среди величин, характеризующих выбросы, наиболее важными в практическом и теоретическом отношениях являются: интервал времени между моментом пересечения случайным процессом заданного уровня, выхода за этот уровень, входа под заданный уровень, пересечения (выхода, входа) заданного уровня производной случайного процесса; интервал времени между моментами пересечения исследуемым процессом функции некоторой заданной функции, выхода (входа) исследуемого процесса за (под) заданную функцию; площадь между кривой исследуемого процесса и кривой заданной функции за время интервалов, указанных выше (например, площадь выброса и т. д.).

ция или плотность распределения вероятности.

Экспериментальные работы по определению этих характеристик проводятся либо обработкой «вручную осциллограмм случайных процессов, либо с помощью специально приспособленных анализаторов.

Первый способ трудоемкий, непроизводительный и неточный. Использование же многокаиальных анализаторов, являющихся чрезвычайно сложными приборами, требует разработки специальных входных преобразующих и согласующих устройств, резко снижающих точность получаемых результатов.

Известны также схемы для определения плотности распределения амплитуд случайных процессов и их производных, применение которых для получения всех перечисленных выще характеристик выбросов не всегда возможно.

Цель изобретения - сокращение времени и повышение точности определения плотности распределения перечисленных характеризующих выбросы случайных процессов величин, а также упрощение работы с устройством и получение результатов в цифровой форме при относительно простой схеме.

Это достигается путем соединения известных элементов, иозволяющего автоматизировать получение характеристик выбросов без излишБлок-схема предложенного устройства показана на чертел :е. Она содержит коммутаторы 1-4; вычитающее устройство 5; генератор 6 функций; источник 7 опорного напряжения; генератор 8 стабильной частоты; формирователь 9 модуля входного напряжения; схемы 10 и // сравнения; логические элементы «ИЛИ 12, 13 и М; ключи 15-22; триггеры 23-26; логические элементы «НЕ 27, 28 и 29; элемент 30 задержки импульсов; селектор 31 импульсов; логические элементы «И 32-35; счетчики 36 и 37 импульсов; блок 38 памяти; сумматор 39; блок 40 управления; дифференцирующее устройство 41; генератор 42 пусковых импульсов, преобразователь 43 напряжения в частоту. Коммутаторы /-4 выполнены так, что позволяют соединять любой из своих входов (только один одновременно) со своим выходом. Генератор 6 функций при отсутствии высокого потенциала на входе поддерживает на выходе постоянное заданное напряжение, а с момента подачи на вход высокого потенциала генерирует на выходе заданную функцию времени (возможно - случайную). Источник 7 опорного напряжения поддерживает на выходе постоянное регулируемое напряжение Ь. Стабильную частоту генератора 8 можно регулировать. Напряжение на выходе формирователя 9 всегда равно модулю (абсолютному значению) входного напряжения. Схема 10 сравнения генерирует импульс на первом выходе при выходе сигнала с выхода коммутатора 2 за уровень Ь, поступающий с выхода источника 7, и импульс на втором выходе при входе сигнала с выхода коммутатора 2 под уровень Ь. Схема 10 сравнения работает аналогично схеме 11с тем отличием, что у последней 6 0, т. е. импульс на первом выходе появляется в момент выхода входного сигнала за нуль, а на втором - в момент входа его под нуль. Ключи 15, 17 и 18 пропускают импульс, поступающий на рабочий вход, только при наличии высокого потенциала на двух управляющих входах одновременно. Элемент 30 задержки импульсов имеет регулируемое время задержки. Селектор 31 импульсов пропускает на выход каждый t-й импульс, поступивший на вход, причем значение i может регулироваться (i 1, 2,. . ., г). Этот селектор может быть выполнен, например, в виде двоичного счетчика импульсов с регулируемым коэффициентом пересчета. Счетчики 36 и 37 импульсов имеют помимо счетного сбросовый вход, импульс на котором устанавливает счетчик в исходное (не обязательно нулевое) состояние. Кроме того, счетчики снабжены цифровыми индикаторами, указывающими их содержимое. Логические элементы «И выполнены коммутируемыми так, что каждый из их входов, число которых равно числу разрядов соответбыть соединен либо с единичным, либо с нулевым выходом триггера соответствующего этому входу разряда. Таким образом должной коммутацией можно обеспечить появление высокого потенциала на выходе элемента «И 32, 33 и 34 (срабатывание элемента) при любом наперед заданном состоянии счетчика 36, 37 или, соответственно, сумматора 39. Блок 38 памяти может быть изготовлен на ферритовых сердечниках. Его работой управляет блок 40, формирующий после поступления импульса на его вход три сдвинутых во времени выходных управляющих импульса (по одному на каждый выход). Первый импульс- импульс чтения, формируемый на первой выходной шине, соединенной с входом чтения блока 38 памяти, побуждает этот блок передать содержимое ячейки, адресом (номером) которой служит число, зафиксированное в это время на счетчике 36, в сумматор 39. Второй импульс - импульс сложения - формируется на втором выходе блока 40 управления и поступает на рабочие входы ключей 20 и 21, а также на счетный вход счетчика 37. Третий управляющий импульс - импульс записи и продолжения - формируется на третьем выходе, соединенном с входом записи блока 38 памяти и с рабочим входом ключа 22. Этот импульс побуждает блок памяти поместить в ячейку, адресом которой служит число на счетчике 36, содержимое сумматора 39 (возможно, увеличенное на единицу предыдущим импульсом сложения). Генератор 42 пусковых импульсов может быть выполнен, например, в виде кнопки с формирователем импульсов, так что после каждого нажатия кнопки генератор формирует на выходе один запускающий импульс. Преобразователь 43 напряжения в частоту импульсов имеет линейную, выходящую из начала координат, характеристику. Схема работает следующим образом. Рассмотрим сначала режим получения плотности распределения длительности выброса случайного процесса за фиксированный заданный уровень. Процесс в форме напряжения подается на входы коммутаторов / и 2и на вход дифференцирующего устройства 41. С помощью коммутатора / вход вычитающего устройства 5 соединяют с входной шиной схемы (т. е. на вход элемента 5 поступает исследуемый процесс), рабочий вход ключа 15 с помощью коммутатора 4 - с первым выходом схемы 11 сравнения, с помощью коммутатора рабочий вход ключа 17 - с выходом генератора 8, частота которого устанавливается в оответствии с требуемой разрешающей способностью. Элементы «И 32, 33 и 34 коммутируют таИМ образом, чтобы они сработали соответстенно: при превышении длительности выброса екоторой заданной величины (если число имульсов с выхода генератора 8 в течение выроса достигнет числа М используемых в эксполнении сумматора 39 (когда в процессе эксперимента число выбросов длительностью, соответствующей /п-й ячейке памяти, превосходит ее емкость Л), при достижении содержимым счетчика 37, подсчитывающего количество проанализированных выбросов, заданного числа К. На выходе генератора 6 функций устанавливают напряжение заданного уровня, выбросы за который исследуются (в данном режиме этот уровень пе зависит от потенциала на управляющем входе генератора функций). Селектор 31 импульсов в этом режиме настраивают так, чтобы он пропускал на выход каждый входной импульс. Ячейки памяти блока 38 памяти очищены. После включения схемы триггеры 23 и 24 находятся в единичном исходном состоянии, т. е. ключи 15, 16 и 17 закрыты. Схема запускается в работу импульсом с выхода генератора 42 пусковых импульсов. Этот импульс, поступая на сбросовый вход счетчика 37, устанавливает его в нулевое состояние, а триггеры 24 vi 25 - в единичное. Таким образом, на всех трех входах логического элемента «И 35 присутствует высокий потенциал и, следовательно, ключ 22 открыт (если элемент «И 33 не настроен на срабатывание при нулевом содержимом счетчика 37, что не имеет смысла практически). Далее пусковой импульс пооходит через элемент «ИЛИ 14 и элемент 30 задержки, сбрасывает в исходное состояние счетчик 36 (ключ 19 открыт) и устанавливает триггер 26 в нулевое состояние, т. е. открывает ключ 15. Исследуемый процесс поступает через коммутатор 1 на вход вычитающего устройства, где из него вычитается сигнал а, а разность попадает на вход схемы // сравнения. В момент выхода исследуемого сигнала за заданный уровень сигнал разности выходит за нуль, т. е. в этот момент возникает илтпульс на первом выходе схемы // сравнения, соединенном через коммутатор 4 с рабочим входом открытого ключа 15. Этот импульс устанавливает триггер 23 в нулевое состояние, при этом ключ 17 открывается (ключ 18 все равно закрыт по второму входу), и импульсы стабильной частоты с выхода генератора 8 начинают поступать через коммутатор 3 на счетный вход счетчика 36 импульсов. Кроме того, открывается ключ 16. Если счетчик 36 пе заполняется до установленного числа М, схема остается в этом состоянии до момента возникновения импульгя на выходе логического элемента «ИЛИ 12. т. е. до наступления очередного пересечения, причем, поскольку известно, что предыдутлсе пересечение было выходом, этот импульс фиксирует момертт окончания выброса. Импульс проходит через открытый ключ 16 и селектор 31, устанавливая в единичное состояние триггеры 23 и 26. Кроме того, этот же импульс поступает па вход блока 40 управления. торой равен числу т, зарегистрированному к моменту окончания выброса счетчиком 36, увеличивается на единицу. (Ключ 20 закрыт, ключ 21 открыт). Единица добавляется также к содержимому счетчика 37. Импульс продолжения с выхода блока 40 управления поступает через открытый ключ 22, элемент «ИЛИ 14 и элемент 30 задержки на сбросовый вход счетчика 36 и на нулевой вход триггера 26, т. е. действует аналогично пусковому имнульсу с тем отличием, что содержимое счетчика 57 не изменяется. Если в процессе работы устройства пе происходит переполнения счетчика 36 или сумматора 39, после анализа К выбросов на счетчике 37 оказывается зафиксированным число К, при этом срабатывает элемент «И 33, ключ 22 закрывается и очередной ИМПУЛЬС продолжения не проходит на триггер 26, т. е. схема останавливается в этом состоянии. Единичное состояние всех триггеров и высокий потенциал на выходе элемента «И 33 служит признаком окончания работы устройства. Если же при анализе некоторого выброса число импульсов, поступивших на счетчик 36, достигает величины М, срабатывает элемент «И 32, благодаря чему ключ 17 закрывается, а ключ 18 открывается. Когда до поступления следующего импульса с выхода коммутатора 3 выброс оканчивается, т. е. поступает импульс с выхода элемента «ИЛИ 12, опрокидывающий триггеры 23 и 26, закрывая тем самым и ключ 18, схема работает как описано выше. Если же при заполненном до М счетчике 36 до окончания выброса с выхода комл1утатора 3 успевает поступит) хотя бы один ИМПУЛЬС, первый же из них проходит через ключ 18 и устанавливает триггер 24 в пулевое состояние. При этом снимается высокий потенциал с входа элемента «И 35, т. е. ключ 22 закрывается. Последующие импульсы с выхода коммутатора 3, если они появляются до окончания выброса, не меняют состояния схемы. По окончании выброса закрывается и ключ 18 (опрокидываются триггеры 23 и 26}, в результате работы блока управления добавляется единица в ячейку памяти с номером М, и схема останавливается, так как импульс продолжения не проходит через закрытый ключ 22. Нулевое состояние триггера 24 и единичное состояние остальных триггеров схемы cлyJftиt признаком переполнения счетчика 36. т. е. недостаточности для данного эксперимента используемого числа ячеек блока памяти. Иифровой индикатор счетчика 37 ука.зывает номер выброса, при анализе которого наступило переполнетше счетчика 36. При задании большого зргачения К до окончания работьг схемы могут переполняться некоторые ячейкт блока памяти, что приводит к искажению результатов. Это искаже гие предупреждается следующим образом.

мяти на единицу оно становится равным заданному числу N, срабатывает элемент «И 34, открывая ключ 20 и закрывая ключ 21, но в этом цикле перенолнение еще не настунает. Если до окончания работы схемы необходимость добавить единицу в т-ю ячейку не возникает, схема работает как онисано выше. В противном случае импульс сложения поступает вместо сумматора 39 (ключ 21 закрыт) на нулевой вход триггера 25, закрывая тем самым ключи 19 и 22, благодаря чему импульс продолжения не проходит на триггер 26 и не сбрасывает счетчик 36, схема останавливается.

Цифровые индикаторы счетчиков 36 и -37 указывают номер переполнившейся ячейки памяти и номер выброса, при анализе которого произошло переполнение.

Сочетание нулевого состояния триггера 25 и единичного состояния остальных триггеров схемы служит признаком переполнения ячейки памяти.

После очигт и памяти Снапоимео. ппи вывоJTP rтянньтv мпжет быть снова яапутттена R пяботу имггульгп 5 с выупгта генепатопа 42.

Если изменить R схеме только пежим оаботы селектора 31 импульсов так, чтобы, например, он пропускал на выход каждый второй входной импульс, получим в блоке памяти после окончания работы схемы плотность распределения интервала между двумя соседними выходами исследуемого процесса за заданный уровень.

При изменении в схеме положения коммутатора 3, когда рабочий вход ключа 17 соединен с выходом преобразователя 43 напряжения в частоту, имеем плотность распределения площади выбросов. Действительно, число импульсов, поступающих за время выброса т на

счетчик 36, равно т-х. x(t) ,

о

где а - заданный урОВень; x(t) - исследуемый сигнал.

В случае изменения в схеме только положения коммутатора 4, когда рабочий вход ключа 15 соединен с выходом элемента «ИЛИ 13, с помощью коммутатора 2 вход схемы 10- с входной шиной устройства, а выходное напряжение источника 7 установлено равным Ь, получим плотность распределения времени первого достижения исследуемым процессом заданной функции при условии, что ,t(0) b.

Соединив с помощью коммутатора 2 вход схемы 10 с выходом дифференцирующего устройства 41 и установив выходное напряже ние источника 7 равным нулю, получим плотность распределения интервала между соседними минимумами исследуемого процесса.

Если с помощью коммутатора / соединить вход вычитающего устройства 5 с выходом дифференцирующего устройства 41, можно получить аналогичные характеристики производной исследуемого процесса.

Паличие регулируемого элемента задержки импульсов позволяет при необходимости добиться отсутствия корреляции между длительностями (площадями) отдельных анализирусмых выбросов.

Рассматривая различные сочетания состояний коммутаторов 1-4 селектора 31 и элемента 30 задержки нетрудно определить все характеристики, которые могут быть автоматически получены с помощью предложенного устройства.

Наличие коммутируемых элементов «И 32 и 34 позволяет изменить используемое число ячеек блока памяти и емкость (число разрядов) этих ячеек, что необходимо, например, для согласования схемы с различными устройствами приема данных анализа - цифропечать, построители графиков, ЦВМ и т. д. Кроме того, это обеспечивает получение в

полуавтоматическом режиме других характеристик выбросов, например, распределение числа выбоосов, предшествующих первому выбросу, длительность которого превосходит заяанную и т. д.

Важно отметить, что если некоторый процесс не может быть исследован непосредственно, например СВЧ шумы или инфранизкочастотные процессы - колебания температуры, почвы н т. п., предложенное устройство может

быть эффективно использовано при обработке их записи, воспроизводимой стандартными способами в форме напряжения в удобном для работы устройства масштабе времени (осциллограммы, сейсмограммы и т. п.).

Предмет изобретения

Анализатор выбросов случайных процессов, содержащий селектор, коммутаторы, вычитаюшее устройство, соединенное с первой схемой сравнения и со схемой формирования модуля входного сигнала, подключенной к преобразователю напряжение-частота, дифференцирующее устройство, соединенное через первый

коммутатор с одним из входов второй схемы сравнения, второй вход которой подключен к источнику постоянного напряжения, выходы обеих схем сравнения непосорпственно через первую и вторую схемы «ИЛИ подключены

к второму коммутатору, первый и второй генераторы импульсов, схемы «И, блок памяти, счетчики, триггеры, ключи и генератор функций, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени анализа в нем, выход третьего

коммутатора через ключ соединен с первым счетчиком, подключенным выходами через схемы «И и «ИЕ к управляющему входу упомянутого ключа и непосредственно к блоку памяти, соединенному через сумматор и вторую многовходовую схему «И и «НЕ с первым входом второго ключа, связанного выходом с сумматором, второй вход ключа соединен с устройством управления; выход второй мпоговходовой схемы «И через третий ключ,

с входом первого триггера, выходы первого и второго триггеров через третью схему «И, четвертый ключ, схему «ИЛИ, связанную с вторым генератором импульсов и линию задержки, соединены с одним из входов третьего триггера, второй вход которого через селектор и иятый ключ связан с выходом первой схемы «ИЛИ, выход третьего триггера через шестой ключ соединен с входом четвертого триггера, один из его выходов соединен с входом шестого ключа, связанного с выходом второго коммутатора, второй выход четвертого триггера соединен с генератором функций и входами первого, пятого и седьмого ключа, подключенного к одному из входов второго триггера, вторые входы первого и второго триггеров подключены к второму генератору импульсов, соединенному с вторы.м счетчиком, подключенным через четвертую схему «И и «НЕ к одному из входов третьей схемы «И.