УСТРОЙСТВО для ИССЛЕДОВАНИЯ потоков ПЕРЕСЕЧЕНИЙ Советский патент 1972 года по МПК G06G7/52 

Предлагаемое устройство отиоситсй к области цифровой измерительной техники и предназначено для автоматического измерения ряда характеристик потоков пересечений исследуемым случайным процессом заданной .функции (в простейшем случае - фиксированиоло уроаия).

В настоящее время различные характеристики указанных потоков -все более широко июпользуются в различных областях науки и техники: в теории надежности, радиотехники, теории авто матичеокого управления, медицине и др.

Среди этих характеристик наиболее полными и важнымИ являются:

1)Распределение вероятностей числа пересечений С случайным процессом X(t) заданной функции Y(t) IB течение времени Т, а также числа U выходов X(t) за Y(t) и числа .входов Процесса X(t} под функции Y(t).

2)Условные распределения величин Су, .U-V и Дv при условии, что отсчет интерва.ла Т начинается IB момент:

.а) (Пересечения функции Y(t);

б) выхода за функцию У() (пересечения снизу вверх);

г)пересечения функции Z(t) (Z(t)-задаваемая функция, не равная Y(t}, в простейшем случае - некоторый уровень ZQ) ;

д)выхода за Z(f); е) входа под Z,(t

J V

ж)пересечения процессом V - функции

}() (или Z(/), причем в случае У(/), в момент экстремума А ();

з)выхода У за У(/) (или2(г;); и) входа V под У(/) (или 1(1}.

3. Рааиределение вероятностей величин С-у, Uv и Ду - чисел пересечений (выходов, .входо.в) процессом V (t функции У (О-безусловное и при условиях, перечисленных IB п. 2. В наСтоящее время перечисленные характеристики обычно стремятся получить теоретически на основании известных функций распределения ординаты X(f) и его корреляционной функции.

Получение большинства полезных характеристик при этом невозможно, а многие из них удается определить лишь грубо приближенно путем громоздких вычислений, причем большую погрешность вносит идеализация исходных экспериментально полученных функций (плотности распределения ординат, спектральной плотности и корреляционной

шествуют весьма совершенные автоматические устройства.

Устройства, лозволяющие автоматически измерять все перечисленные выше характеристики потоков лересечений, в настоящее время отсутствуют, решение многих важных задач теории и лрактики практически невозможно.

Целью изобретения является сокращение затрат времени и труда «а измерение xaipaKтеристик потоков пересечений и повышение точности измерений.

На фиг. I приведена у1прошенная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - его полная схема; фиг. 3 и 4 иллюстрируют различные режимы работы устройства.

Устройство показанное на фиг. 1, содержит нуль-орган 1; генератор функций 2; логические элем.енты «ИЛИ 3, 4; коммутатор 5, ключи 6, 7; счетчики импульсов 8, 9; блок дамяти 10, сумматор //, :блок управления 12, логический элемент «И 13, триггер 14, генератор пусковых импульсов 15, элементы задержки импульсов 16, 17 и инвертор 18 (логический элемент «НЕ).

Устройство (фиг. 1) работает следуюшим образом.

Нуль-орган / генерирует импульс на одном из выходов (будем называть его первым при выходе X(t) за функцию У(), подаваемую на один из его входов с выхода генератора функций 2, и на втором выходе - при входе X(t) под Y(t).

Генератор функций 2 при отсутствии иа его управляющем входе высокого потенциала поддерживает на выходе сигнал Y(0) Yo, а с момента подачи высокого потенциала генерирует заданную функцию Y(t) (в простейшем случае - фиксированный уровень).

Любой из входов (только один одновременно) коммутатора 5 может быть соединен с рабочим входом ключа 6.

Ключи 5 и 7 пропускают импульсы с ра бочего входа на выход только при наличии высокого потенциала на их управляющих входах.

Счетчики импульсов 5 и Р имеют кроме счетного входа входы сброса и снабжены ци фровыми индикаторами, указываюшими содержимое счетчика.

Блок памяти 10 может быть выполнен на ферритовых сердечниках.

Его работой управляет блок пправления 12,

ормируюший после поступления импульса

а его вход четыре сдвинутых во времени

выходных управляющих импульса (по одному

на каждый выход).

Первый импульс (импульс считывания), ормируемый на первой выходной шине блоа 12, соединенной со входом считывания блока памяти 10, приводит к передаче содеримого ячейки, адресом которой служит чисо, зафиксированное в это время на счетчике 8, в сумматор 11.

Второй импульс (импульс сложения), формируемый на втором выходе блока 12, соединенном со счетным входом счетчика 9 и со входом сумматора //, увеличивает содержи5 мое того и другого на единицу.

Третий управляюший импульс (импульс записрг), формируемый на третьем выходе блока 12, является командой для запоминания содержимого сумматора // в ячейке, адресом 0 которой служит число на счетчике 8.

Четвертый импульс (импульс продолжения) формируется на четвертом выходе блока 12, соединенном со входом логического элемента «ИЛИ.

5 Блок управления может быть выполнен, например, в виде последовательного соединения элементов задержки импульсов с формирователями после каждого элемента.

Логический элемент «И 13 - коммутируе0 мый, и каждый из его входов, число которых

равно числу разрядов счетчика 9, может быть

соединен либо с единичным, либо с нулевым

выходом триггера соответствующего разряда,

. т. е. должной коммутацией можно обеспечить

5 появление высокого потенциала на выходе

элемента 13 (его срабатывание) при любом

наперед заданпом состояпии счетчика 9.

Генератор пусковых импульсов 15 может быть выполнен, например, в виде кнопки с 0 формирователем, т. е. после каждого нажатия кнопки он генерирует один импульс.

Элементы задержки 16 и 17 имеют регулируемое время задержки.

В схеме иопользованы известные элементы. 5 Устройство (фиг. 1) позволяет измерять только безусловные распределения величин С, и Д (см. фиг. 3, а). Схема работает следующим образом. Пусть исследуется распределение вероятно0 стей числа С пересечений процессом X(t) функции Y{t) в течение времени Т, причем требуется проанализировать К отрезков процесса X(t) длительностью Т (интервалов) (процедуру анализа каждого интервала будем 5 называть циклом).

В исходном состоянии (после включения литания) триггер 14 нах/одится в единичном состоянии, при это ключ 6 закрыт, генератор функции 2 выдает сигнал УО, ячейки бло0 ка памяти 10 очищены.

Время задержки элемента 16 устана1вливают равным Т, а время задержки элемента 17 - превосходящим время корреляции исследуемого процесса (для выполнения условия 5 независимости чисел пересечений в различных анализируемых интервалах).

Элемент 13 коммутируют так, чтобы он сра|батывал при достижении содержимым счетчика 9 числа Л . При полвдщи коммутато0 ра 5 соединяют рабочий вход ключа 6 с выходом элемента «ИЛИ 3.

Схема запускается в работу импульсом с выхода генератора 15. Этот импульс устанавливает в исходное (нулевое) состояние счет5 чики 5 и Р и, проходя через элемент задержки 17 и открытый ключ 7, опрокидывает триггер 14 в нулевое состояние. При этом открывается ключ 6 и импульсы с выхода элемента 3 «ИЛИ, возникающие в моменты пересечения исследуемым процессом функции У(О, которую генерирует с момента открытия ключа 6 генератор 2, поступают ка счетный вход счетчика 8. Через время Т после открывания ключа 6 появляется импульс «а выходе элемента задержки 16. Этот импульс возвращает триггер 14 в единичное состояние (ключ 6 закрывается) и запускает блок управления 12. Благодаря работе блОка 12 IB ячейку блока памяти 10, соответствующую числу пересечений, зафиксированному за время Т счетчиком 8, записывается единица. Кроме того единица фиксируется на счетчике 9. Импульс продолжения с четвертого выхода 1блока 12, проходя через элемент «ИЛИ 4, сбрасывает счетчик 8 в нуль и спустя время задержки элемента 17, поступает через открытый (если /С ) ключ 7, аналогично пусковому импульсу. Начинается новый цикл. Очевидно, что IB результате работы схемы в блоке памяти формируется гистогра.мма (фиг. 4) раопределения вероятностей С в некотором масштабе. Действительно, в /те-й ячейке образуется число Пт, равное числу появлений в течение Т равно т пересечений. Описанная работа схемы продолжается до тех пор, пока число на счетчике 9, равное числу проведенных циклов, не достигнет в очередном цикле значения /С. При этом срабатывает элемент «И 13, следовательно, исчезает высокий потенциал на выходе инвертора 18, и ключ 7 закрывается, благодаря чему импульс продолжения не проходит на входы триггера 14 и элемента задержки 16. Схема остается в этом состоянии. Появление высокого потенциала на выходе элемента 13 в совокупности с единичным состоянием триггера 14 может быть использовано для индикации окончания работы схемы (например, зажигания индикаторной лампочки) . Если требуется исследовать не поток пересечений, а поток выходов или входов, достаточно с помощью коммутатора 5 соединить рабочий вход ключа 6 соответственно с первым или вторым выходом нуль-органа /. Устройство, показанное на фиг. 1, не позволяет однако измерять условные распределения и исследовать потоки нересечения зад анной функции производной процесса 1(0Кроме того, в этом устройстве возможны ошибки измерения, обусловленные следующими причинами: 1) при выборе большого значения Т число пересечений (выходов, входов) в некоторых интервалах может превышать емкость счетчика 8; 2) При .выборе большого К некоторые числа Пт могут превышать емкость ячеек блока Памяти 10 (см. фиг. 4). В устройстве, показанном на фиг. 2, эти недостатки устранены. Оно содержит элементы /-18, идентичные элементам схемы на фиг. 1, за исключением ключей б и 7, Которые в схеме на фи-г. 2 имеют 1ПО два управляющих входа, так что импульс проходит через такой ключ только при наличии высокого потенциала на обоих управляющих входах одновременно. Такой ключ может быть получен, например, если управляющие шины соединить со входами логического элемента «И, выход которого соединен с управляющим входом обычного ключа. С целью упрощения на фиг. 2 такое дробление элементов не иопользуется. Кроме того устройство на фиг. 2 содержит: коммутаторы 19-2/; дифференцирующий блок, нуль-орган 23, генератор функций 24, логические элементы «ИЛИ 25, 26, ключи 27-30, триггеры 31-33, логические элементы «И 34, 35, инверторы 36, 37 и элемент задержки импульсО(В 35. Коммутаторы 19 и 20 идентичны коммутатору 5. Комл1утатор 21 позволяет соединить любой свой вход (только один одновременно) с рабочим входом ключа 7. Нуль-орган 23 идентичен нуль-органу /, а генератор функции X 24 - генератору функций 2, и управляется аналогично триггером 31. Ключ 27 идентичен ключам б и 7 (в схеме на фиг. 2). Логические элементы «И 34 и 35 выполнены коммутируемыми аналогично элементу 13. Элемент задержки 5S имеет малое фиксированное время задержки. Устройство (фиг. 2) работает следующим образом. Пусть решается предыдущая задача - измерение безусловного распределения вероятностей С за время Т путем анализа /С интервалов процесса X(t) длительностью Т. Для этого кроме описанных для схемы фиг. 1 операций нужно с помощью коммутатора 19 соединить вход нуль-органа 1 с шиной входного сигнала и с помощью коммутатора 21 (рабочий вход ключа 7) с вых1одом элемента 17. Элемент «И 34 коммутируется так, чтобы он срабатывал при достижении содержимым счетчика 8 заданного числа М (используемое число ячеек памяти блока 10 а элемент «И 35 - так, чтобы он срабатывал При достижеНИН содержимым сумматора 11 заданного числа N (используемая емкость ячеек блока памяти 10. Исходное состояние элементов 1-i/8 то же, что и в схеме на фиг. 1, триггеры находятся в единичном состоянии, т. е. ключ 7 закрыт по одному из управляющих входов (от триггера 3/) и открыт по второму, та.к как высокий потенциал отсутствует на всех

Это сочетание состояний триггеров схемы служит тризнаком готовности ее к работе (.например, зажигается соответствующая индикаторная лампочка).

Пусковой имлульс с выхода генератора }5, не изменяя состояния триггеров 32, 33, устанавливает в нуль счетчик 9, а также, пройдя через элемент задержки 38, элемент «ИЛИ

4и открытый ключ 30, устанавливает в нуль счетчик 8.

Этот же имлульс поступает с выхода элемента 4 на нулевой вход триггера 31, и спустя время задержки элемента 17 через коммутатор 21 и открывшийся после срабатывания триггера 31 ключ 7-на нулевой вход триггера 14 и на вход элемента задержки 16. Кроме того, с выхода ключа 7 этот им-пульс поступает на единичный вход триггера 31, после прОХода этого импульса ключ 7 закрывается.

Пока число на счетчике 5 меньше числа М, потенциал еа выходе элемента «И 34 отсутствует, т. е. ключ 27 закрыт, а ключ 6 открыт по входу от элемента «НЕ 36, и схема работает аналогично схеме на фиг. 1.

Если в некотором цикле очередной импульс, прошедший через ключ 6, сделает содержимое счетчика 8 равным М, срабатывает элемент 34, при этом ключ 27 открывается, а ключ 6 закрывается. Если до окончания текущего интервала Т с выхода колтмутатора

5ипульс не поступает, схема продолжает работу как обычно, т. е. в момент окончания Т опрокидывается триггер 14 и запускается блок управления. Если до окончания Т с выхода коммутатора 5 поступит еще хотя бы один импульс (это означает, что распределение таково, что числю импульсов М+г имеет не нулевую вероятность, т. е. при отсутствии ограничений следовало бы поместить единицу в ячейку с номером M-f i (фиг. 4, а) здесь i - число импульсов, поступивших с выхода коммутатора 5 после закрытия ключа 6 и открытия «люча 27) первый из них попадает через открытый ключ 27 на нулевой вход триггера 32, благодаря срабатыванию которого появляется высокий потенциал на выходе элемента «ИЛР1 26, т. е. на выходе элемента «НЕ он исчезает, и ключ 7 закрывается по этому входу.

Теперь после окончания Т единица добавляется в ячейку с номером М, и схема останавливается, так как импульс продолжения не проходит через ключ 7.

Цифровой индикатор счетчика 9 указывает при этом номер цикла, в которо м произошло переполнение счетчика 8.

Сочетание нулевого состояния триггера 32 и единичного состояния триггеров 14, 31 и 33 служит признаком переполнения счетчика 8.

После очистки ячеек блока памяти 10 (наприм-ер, при выводе данных) схема может быть вновь запущена в работу импульсом с выхода генератора пусковых импульсов 15.

Рассмотрим работу элементов, предотвращающих переполнение сумматора //.

Пока содержимое всех ячеек памяти

(та 1,2..., /И), высокий потенциал на выходе элемента «И 35 отсутствует, поэтому

ключ 28 открыт, а ключ 29 закрыт, и схема

работает аналогично схеме на фиг. 1.

Как только после некоторого цикла оказывается, что Пт - М, элемент «И 35 срабатывает, ключ 28 закрывается, ключ 29 открывается, но в этом цикле переполнение еще не наступает.

Если до окончания измерения (в течение оставшихся циклов) единица в т-ю ячейку

не добавляется, схема работает как схема на фнг. 1.

Если же на счетчике 8 снова оказывается чнсло т, .когда т-я ячейка уже заполнена (фиг. 4,6), импульс сложения в этом цикле

попадает не на сумматор // (ключ 28 закрыт), а на нулевой в.ход триггера 33, что приводит к закрыванию ключа 30 и ключа 7 по входу от элемента 18.

При этом импульс продолжения не сбрасывает в нуль счетчик 8 (ключ 30 закрыт) и не проходит через ключ 7, т. е. устройство не работает. Индикатор счетчика 8 указывает при этом номер переполнившейся ячейки, а счетчик 9 - номер цикла, в котором

это переполнение произо.шло.

Сочетание единичного состояния триггеров 14, 31 и 32 и нулевого состояния триггера 33 служит признаком пере.полнения ячейки памяти.

Возможность изменять число Л обеопечив ет, например, изменение числа используемых разрядов ячеек памяти, что необходимо, в частности, для согласования схемы с различными устройствами приема данных измерений (цифропечать, построители графиков, и т. л.).

Этой же цели служит -возможность ограничивать число используемых ячеек памяти. Существенно, что наличие регулируемых М

и Л позволяет полуавтоматически получать ряд дополнительных характеристик потоков пересечений. Можно, например, измерить распределение числа интервалов, предшествуюш,их первому интервалу, в котором число

пеоесечений превосходит число М и т. д.

Рассмотрим работу элементов, обеспечивающих из.мепекие условных распределений, т. е. должный выбор начала отсчета интервалов длительностью Т.

С помощью коммутатора 20 один из входов нуль-органа 28 может быть соединен либо с шиной процесса X(t, либо с выходом дифференцирующего устройства 22. Генератор функций 24 генерирует функцию Z(t) аналогично тому, как генератор 2 - функцию У(0В зависимости от состояний коммутаторов 20 и 21 импульсы на рабочий вход ключа 7 поступают при выполнении из условий, перечисленных в п. 2 на стр. 2 (фит. 9 iIIycTb, например, требуется выполнить условие ж. С помощью коммутатора 20 вход нуль-ортала 23 соединяют с выходом дифференцирующего блока 22, а с помощью коммутатора 21 рабочий вход ключа 7 соедини-5 ют с выходом элемента «ИЛИ 25. Тогда пО|Сле подачи пускового импульса с выхода генератора 15 (или после импульса продолжения) ключ 7 открывается, но триггер 14 остается в единичном состоянии (т. е. ключ10 6 - закрыт до момента, когда процесс У (О пересечет Z(t). Импульс, возникающий при этом на выходе элемента «ИЛИ 25, проходит через ключ 7, закрыв его после себя опрокидыванием триг-15 гера 31. При этом начинается отсчет ннтервала Т в момент, удовлетворяющий условию пункта ж. Если с 1по,мощью коммутатора 19 соединить вход нуль-органа 19 с выходом дифференци-20 рующего устройства 22, можно аналогично измерить все описанные характеристики производной процесса V(f). . Вывод данных из блока памяти устройства может осуществляться любым из известных25 способов, Важно отметить, что если процесс X{t) не может быть исследован непосредственно (например, сверхвысокочастотные шумы или инфранизкочастотные процессы; сейсмюграм-30 мы и т. п.), предложенное устройство может быть эффективно использовано при анализе его з аписи, воспроизводимой в форме напряжения в удобнО|М масщта;бе времени, иапример осциллограммы, записи самопишущих35 приборов и т. д. Предмет изобретения 1. Устройство для исследования потоков пересечений, содержащее нуль-орган, соединенный с источником входного сигнала и с генератором функций, коммутатор, первую и вторую схему «ИЛИ, первый ключ, соединен-45 ный со входом генератора функций и с одним из входов триггера, один из входов которого связан со вторым ключом непосредственно, а второй - через первый элемент задержки, генератор импульсов, первый и второй счет-50 чики, один из которых соединен с многовходовой схемой «И, а другой подключен к блоку памяти, соединенному с блоком управления, связанным с сумматором, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени55 измерений при повышепин их точности, в нем выходы нуль-органа подключены ко входам первой схемы «ИЛИ и к коммутатору, третий вход которого соединен с выходом первой схемы выход коммутатора под-60 ключен к первому ключу, соединенному со вторым счетчиком; выход первого элемента задержки подключен к блоку управления, 40 10 соединенному с блоком памяти, подключенным к сумматору, со входом первого счетчика и со входом второй схемы «ИЛИ, второй вход которой подключен к генератору импульсов и ко входу первого счетчика; выход многовходовой схемы «И подключен через инвертор ко входу второго ключа, второй вход которого 1через второй элемент задержки соединен с выходом второй схемы ИЛИ и со входом второго счетчика. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью получения оценок условных распределений для процесса и его производной и предотвращения погрешностей при переполнении второго счетчика, оно содержит второй, третий и четвертый коммутаторы, диф|ференцирующий блок, второй «уль-орган, второй генератор функций, третью и четвертую схемы «ИЛИ, третий, четвертый, пятый и шестой ключи, второй, третий и четвертый триггеры, вторую и третью многовходовые схемы «И, второй и третий инверторы, и третий элемент задержки; причем вход устройства подключен ко входу дифференцирующего блока и через второй и третий коммутаторы соответственно к первому и второму нуль-органам, вторые входы которых соединены с выходом дифференцирующего блока; второй нуль-орган соединен вторым входом со вторым генератором функций, подключенным ко второму триггеру, а выходами связан с третьей схемой «ИЛИ и со входами четвертого коммутатооа, другие входы которого подключены ко входам п выходу первой схемы «ИЛИ, к выходу третьей схемы «ИЛИ и ко второму элементу задержки; выход четвертого ко-ммутатора соединен се вторым ключом, связанным с выходом второго триггера, входы которого подключены к выходам второй схемы «ИЛИ и четвертого ключа; выход четвертой схемы «ИЛИ подключен к первому инвертору, а ее входы соединены с выходом первой схемы «И и с первы.ми выходами третьего и четвертого триггеров, вторые входы которых подключены к генератору импульсов, а первые соответственно к выходам третьего и пятого ключей; входы третьего ключа соединены с выходом первого триггера, первого коммутатора и второй схемы «И, соединенной с разрядными выходами второго счетчика и подключенной выходом через второй инвертор ко входу первого ключа; выход сумматора через третью схему «PI, третий инвертор и четвертый ключ соединен с его управляющим входом; входы пятого ключа соединены с выходом блока управления и третьей схемы входы шестого ключа соединены со вторым выходом четвертого триггера и со второй схемой «ИЛИ, а его- выход подключен к второму счетчику; третий элемент задержки соединен выходом со второй схемой «ИЛИ, а входом с генератором импульсов.