Устройство для определения статистических характеристик Советский патент 1980 года по МПК G06F17/18 

Изобретение относится к области Б№числительной и измерительной техники и может быть использовано в приборах и автоматических системах для статисти ческой обработки информации. Известно устройство определения статистических характеристик (выборочного среднегоИ дисперсии), содержащее счетчики-делители (два или один), счетчик среднего, счетчик дисперсии, дешифратор (квадратор), счетчик выборки и логические элементы ij. Указанное устройство основано на определении среднего по одной (вспомогательной) выборке, а дисперсии - по Pfyvo, Такой принцип построения привопкт к ограниченным возможностя1уГ ёгр применения, к излишним затратам времени на предварительное определение среднего и недостаточной в ряде случаев точ ности измерений. Ограниченные воаможности обусловлены тем, что эти устройства пригодны для измерения дисперсии только внутренне стационарных продес-. сов. В то нее время реализация большинства физически важных случайных процессов не обладает свойством внутренней стационарности. В таком случае возникает методическая погрешность, обусловленная различием средних, определенньпс по двум различным выборкам. Более того, эта погрешность имеет место и при определении дисперсии стационарных процессов. Она уменьшается с увеличением объема вспомогательной выборки, по которой определяется выборочное среднее. Однако увеличение вспомогательной выборки приводит к заметному увеличению времени измерения дисперсии. Для нестационарных процессов погрешность не может быть устранена гфи любом увеличении объема выборки. Наиболее близким техническим peiue- ниам к данному является устройство пля определения среднего кпадратическог-о отклонения, содержащее генератор им пульсов и делитель частоты, счетчик

среднего с поразрядно подключенным его входам первым бл6кдм перё шса., два счетчика с блоком переноса мегкду ними, счетчик-накопитель, блок управления и счетчик выборки 2Д.

К недостаткам этогоустройстёа следует отнести недостаточно высокие точность, надежность и быстродействий, ограниченные функциональные возможности.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия. Л

Для достижения указанной цели в устройство для определения статистических характеристик, содержащее преобразователь аналог-код, вход которого является входом устройства, первый выход подключен к информационному входу первого элемента И, второй выход соединен с первым входом блока управления, а третий выход подключен к информационному входу второго элемента И, первый выход которогЬ соединен с первым информационным входом реверсивного счетчика разности, второй информационный вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, второй выход которого соединен с первым информационным входом третьего элемента И, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом сложения и вычитания счетчика среднего, разрядные выходы которог подключены кпервому блоку элементов И, накопительный счетчик, информационный вход которого соединен с первым выходом распределителя импульсов, разрядные выходы накопительного счетчика через второй блок элементов И соединены с разрядными входами счетчика дисперсии, введен дополнительный счетчик, схема сравнения, реверсивный счетчик с дешифратором, третий и четвертый блоки элементов И, узел управления и коммутатор, выходы которого подключены соответственно. к первому входу распределителя импульсов, к счетному входу счетчика дисперсии, к третьему информационному входу реверсивного счётчика разности, к входу делителя частоты и к ин формацйонному входу ревёрсивноГо счетчика, первый управляющий вход которого соединен с первым выходом второго элемента И, второй управляющий выход которого соединен с управляющим входом допсшнйтёльного счетчика, а второй управляющий вход реверсивного счетчика соединен с первым выходом узла управления, с первым упраёляющйЛ вхбДбМде шифратора, разряд«ые входы которого

соединены соответственно с разрядными выходами реверсивного счетчика, первый и второй выходы дешифратора подключены к первому и второму входам узла управлени;я и к входам сложения и вычитания счетчика среднего, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом дополнительного счетчика, разряднью входы которого подключены к выходам первого блока элементов И, а разрядные выходы через третий блок элементов И соединены с разрядными входами реверсивного счетчика разности разрядные выходы которого через четвертый блок элементов И подключены соответственно к разрядным входам счетчика дисперсии, при этом вьгходы схемы сравнения подключены соответственно к информационным .входаы первого и третьего блоков элементов И, реверсивного счетчика разности и ко второму входу блока управления, при этом управляющий выход реверсивного счетчика разности соединен с управляющими входами накопительного счетчика, схемы сравнения и счетчика дисперсии, четвертого блока элементов И, схемы сравнения и вторым входом блов;а управления, первый вход которого соединен с управляющим выходом дешифратора, а выход блока управления - с управляющими входами дешифратора, узла управления, третьего элемента И, схемы сравнения, третьего блока элементов И, реверсивйого счетчика разности, распределителя импульсов, преобразователя аналог-код, первого элемента И, делителя частоты, коммутатора вход которого соединен с выходом первого элемента И, при этом второй вход распределителя импульсов соединен с выходом третьего элемента И, а третий и четвертый входы подключены к соответствующим информационным выходам накопительного счетчика, управляющий выход распределителя импульсов соединен с управляющим входом второго блока элементов И.

На чертеже приведена блок-схема . устройства.

Устройство содержит преобразователь аналог-код 1, элементы И 2, 3, 4, блок управления 5, коммутатор 6, дополнителный счетчик (делитель опорного сигнала 7, реверсивный счетчик 8, реверсивный счетчик разности 9, распределитель импульсов 10, счетчик дисперсии 11, делитель частоты 12, узел управления 13, дешифратор 14, счетчик среднего 15, блоки элементов И 16, 17, 18, 19, cxeWyi сравнения 20, накопительный счетчик 21 Входной зажнм устройства соединен с измерительным входом преобразователя аналог-ход 1. Информационный вьпсод преобразователя 1 соединен со входом элемента И 2, управляющий вход которо- го подключен к блоку управления 5. К блоку управления 5 подключен другой выход преобразователя 1, по которому в блок управления 5 поступают сигналы V , V-. полярности и сигнал V; окончания каждого элемента выборки. Вход запуска преобразователя 1 соединен с соответ ствующим выходом блока управления 5, по которому в преобразователь 1 поступают импульсы запуска., Выход генератора импульсов, имеющегося в преобразователе 1, связан посредством вентиля 3 : с сигнальным входом коммутатора 6, а управляющие входы элемента И 3 и коммутатора 6 подключены к соответствую щим выходам блока управления 5j Элементй И 2 по одному выходу соединен со входом счетчика 7, а по другому выходу - со счетным входом второй декады реверсивного счетчика 8 и со счетнымвходом реверсивного счетчика разности 9, Коммутатор 6 имеет пять выходов, которые соответственно соединены со счетным входом первой декады реверсивного счетчика 8, со счетным входом реверсивного счетчика разности 9, с одним входом распределителя импульсов 10, со счетным входом счетчика дисперсии 11 и входом делителя частоты 12, подключенного по одному выходу к счетному входу реверсивного счетчика разности 9, а по другому - к сигнальному входу элемента И 4. Управляющий вход элемента И 4 связан с одним выходом узла управления 13, другой выход которого связан с входом реверса счетчика 8 и управляющим входом дешифратора 14. Дешифратор 14 подключен своими входами к выходам счетчика 8, а двумя выходами - к входам узла 13 и к входам сложения и вычитания второй декады счетчика среднего 15. Входь сложения и вычитания первой декады счетчика среднего 15 соединены с двумя выходами элемента И 4, еще один выход -которого подключен к одному из входов распределителя импульсов 10.Счетчик среднего 15 поразрядно блоком элементов И 16 соединен со счетчиком 7, а последний блоком 17 - с реверсив-/ 7 44 ным счетчиком разности 9. Выходы счетчиков 7, 9, 15 соединены с входами схемы 20, а вьгходы последней подключены к входам реверса счетчиков 7, 9 и к управляющим входам блоков 16, 17. Реверсивный счетчик разности 9 соединен поразрядно блоком 18 со счетчиком дисперсии 11 и по выходу - с входом сброса счетчика 21, подключенного поразрядно блоком 19 к входам счетчика дисперсии 11, Входы первой, второй и третьей декад счетчика 21, а также управляющий вход блока переноса 19 связаны с соответствующими выходами распределителя импульсой 10. Выход счет- .чика 11 соединен с управляющим входогу блока 18 и с соответствующим входом блока управления 5. К входам блока управления 5 подключены также выходы реверсивного счетчика разности 9, схемы 2О и дешифратора 14. Выходы блока управления 5, кроме указанньгс выше, соединены с управляющими входами элемента- И 2, реверсивного счетчика разности 9, распределителя импульсов 10, делителя частоты 12, элемента И 4, узла 13, дешифратора 14, блока элементов И 17 и схемы сравнения 20. Вычисление среднего выборочного, дисперсии и среднего квадратичного производится ПО известньгм формулам VgN. 1) )) где - ый элемент выборки объе- . Ма N ; XQ - опорный сигнал, от осительно которого определяется приближенное значение дисперсии. N /ч 2. S ( 1НЧ ) Q - поправка к дисперсии, обусловленая отличием среднего арифметического т опорного сигнала, причем d ; iX. - погрешность вычисления дисперсии, бусловленная погрешностью вычисления реднего арифметического всоответстии с выражением (1)./ Уровень опорного сигнала XQможно выбирать, исходя из имеющихся, хотя бы достаточно приближенных, сведений об исследуемом сигнале. Он может быть выбран также равным одному из мгновенных значений сигнала или вычислен по выборке небольшого объема. Устройство работает следующим образом, Перед началом измерений по заданному объему выборки устанавливают в состояние {К - 1) делитель частоты 12 и в состояние N - дешифратор 15. Если опорный сигнал XQ определяется предварительно по нескольким отсчетам анализируемого сигнала X (t), то коэффициент пересчета счетчика 7 устанавливается равным количеству этих отсчетов Счетчики 7, 8, 9. 11, 15 находятся в нулевом состоянии, в счетчике 21 записана единица, элементы 3, 4 закрыты, элемент 2 открыт по первому входу. Анализируемый сигнал X (i;) подается на вход преобразователя аналог«-код 1 который осуществляет квантование сигнала К (.i:) в точках отсчета t- , Импуль сы запуска V/i преобразователя 1 задаются блоком управления 5. С преобразо вателя 1 на блок управления 5, в свою очередь, поступают сигналы полярности У-. V- сигналы Vj окончания каждо го элемента Х выборки (если входная информация задана в виде числовых экви валентов Х- , то сигналы V-,V| иV вводятся в блок управления 5 извне). Блоком управления 5 ведется подсчет элементов выборки (это осуществляется счетчиком выборки, входящим в его состав) и формируются сигналы управления, задающие программу работы устройства. Работу устройства целесообразно рассмотреть по этапам. На первом этапе вспомогательная выборка через элемент И 2 поступает в .счетчик 7, в котором формируется код опорного сигнала XQ (код этого сигнала может вводиться в счетчик 7 извне, если ожидаемое среднее примерно известно). На втором этапе производится вычисление среднего по формуле (1) и приближенной дисперсии по формуле (4) По сигналу Vo блока управления 5 элемент И 2 закрывается по первому выходу и открывается по второму выходу. После этого элементы Х анализируемой выборки поступают на вторую декаду счетчика 8 и на вход реверсивного счет 7 48 чика 9. Режим работы (суммирование или вычитание) счетчика 8 задается уз лом 13 в соответствии с полярностью данного элемента выборки Х по сигналам 4-V или V- , поступающим с .блока управления 5. Кроме того, если первый элемент выборки отрицателен, то узлом 13в счетчик 8 вводится число Н . Дешифратор 14 формирует сигналы на одном из своих выходов при состоянии О или N счетчика 8, в зависимости от знака элемента выборки + или -, соответственно. Управление дешифратором 14также осуществляется узлом13. Причем дешифратор 14 построен так, что он оказывается нечувствительным к первому импульсу, формируемому при каждом изменении полярности элемента выборки, так как этот импульс является ложным. Выходные импульсы дешифратора 14 поступают на вход сложения или вход вычитания второй декады счетчика среднего 15 и на входы узла 13. После поступления всего объема выборки, независимо от полярности отдельных элементов выборки, в счетчике 15 будет зафиксировано среднее X , в счетчике . 8 - остаток ДХ X.Mk , а в , i-i узле 13 - знак этого остатка. Одновременно с определением среднего производится вычисление приближенной дисперсии 1) . Для этого накануне поступления каждого элемента выборки Х сигналом V i поступающим с блока управления 5 на блок 17, осуществляется перенос дополнительного кода числа Хо из счетчика 7 в счетчик 9. При поступлении на Счетчик 9 с элемента И 2 элемента выборки Xjj в этом счетчике всегда записывается модуль разности i.Xi (Xi -Хо ) в дополнительном коде. Для этого счетчик 9 выполнен так, что при /X/tl o переполняется и переводится в режим вычитания. После окончания каждого числового эквивалента Х с блока управления 5. на счетчик 9 подается сигнал V-f . возвращая его в режим суммирования или подтверждая этот режим. Этим же сигналом открывается элемент ИЗ, подключая генератор импульсов преобразователя 1 через коммутатор 6 к счетчику 9 и распределителю импульсов 10. Первый входной нмпульс распределителя 1О не проходит па счетчик21, а последующие импу;шсЁ.1 по(ступают на вход второго Tj iTirepa тротьой 9. 7 декады этого счетчика. Кажд,1й выходной импульс распределителя 1О подается на блок 19 для переноса показаний из счет чика 21 в счетчик дисперсий 11. При обнулении счетчика 9 на его выходе формируется импульс, который, поступая в блок управления 5, закрывает элемент И 3, За время открытого состояния эле мента И 3 в счетчик 21 поступает число импульсов &4,.a в счетч1-1ке 11 запишется число Д X; . Посхпе ввода каждо го числа АХ: счетчик 21 устанавливает ся в исходное состояние сигналом с BbJхода счетчика 9. После поступления всего объема выборки в счетчике 11 будет N , зафиксировано .число ЗДХ- i Блок уп it-f -1/ . равления 5 изменяет состояние коммутатора б, подключая элемент И 3 к входу вычитания счетчика 11 и через делитель 12 - к входу суммирования счетчика 9. Когда со счетчика 11 будут списаны его . L показания, равные SAX- в счетчик i:1 Н „ поступит число импульсов ./NВ этот момент на выходе счетчика 11 формируется сигнал, который поступает в блок управления 5, закрывая элемент 3, и на блок 18 для ввода дополнительного кода приближенной дисперсии ID из счетчика 9 в счетчик 11. На этом заканчивается второй этап и начинается третггй этап уточнение среднего X и- приближенной дисперсии 1) , путем учета составляющих ЛХ и 3 в соответствии с формулой (2). Для выполнения этого этапа сигналом V блока управления 5 в схеме производятся . следующие операции: счетчик 9 устанавливается в нулевое состояние, коммута«тор 6 переводится в следующее состояние, подключая выход элемента И 3 к входу первой декады счетчика 8, изменяется состояние распределителя импульсов 10, переводятся в рабочее состояние элемент И 4 и схема 2О, коэ41фициент деления делителя 12 увеличивается на. единицу и становится равным N . HMnyaijCbi с генератора преобразователя 1 поступают на вход первой декады счетчика 8 (тем самым остаток увеличивается в 10 раз) и чорез делитель частоты 1.2 - па вход элемента И 4. На счетчик 7 пмг1у.п, поступают на суммирование и;п вычитание, в оапчсимости 410 от зн,ака остатка ЛХ , так, чтоб(1 остаток ii X списывался. Режим jiaGoTt i еч.тчика 8 задается узлом 13. При обнулонни счетчика 8 его выходной импульс поступает в блок управления 5, закрывая элемент И 3, На счетчик среднего 15 этот импульс Не проходит. За время открытого состояния элемента И 3 на счетчик 8 поступит число импульсов 10 ДХ , а на элемент И 4 - число импульсов 10 ДК . Это число импульсов поступает по одному из выходов элемента И 4 либо на вход сложения, либо на вход вычитания первой декады счетчика среднего 15. Состояние элемента И 4 определяется знаком остатк19 в счетчике 8 и задается узлом 13. Кроме того, число импульсов 10ДХ с выхода элемента И 4 поступает на второй вход распределителя импульсов 10. С выхода распределителя 10 это число импульсов поступает на вторую декаду счетчика 21 (т. е, со сдвигом влево на один разряд но отношению к числам ДХ-i для соблюдения веса составляющей ЛХ- дисперсии). Зти же импульсы поступают на блок 19. В результате в счетчик 11 будет введен код составляющей ДХ Составляющая d вводится следуюгдим образом. Схема сравнения 2О по сигналу УЧ с блока управления 5 задает режим счетчика 7 и с некоторой задержкой переносит в него код среднего X из счетчика 15 посредством блока 16. Режим работы счетчика 7 определяется знаком среднего X , а, следовательно, состоянием счетчика среднего 15 и устанавливается следующим образом. Если X О 1 то сигнал с выхода схемы 20 на реверс счетчика 7 не выдается и последний остается в режиме суммирования. Если же X /О, то схемой 20 формируется сигнал, переводящий счетчик 7 в режим вычитания. Тогда при переосе показаний счетчика 15 в счетчик 7 в последнем образуется или доапн1ггальный код поправкиС1 /Х/ Хо ; ри KQ - прямой Kod, при; )(( дополнительный код. Затем, сли , схема 20 формирует выход- ной сигнал, устанавливающий счетчик 9 реисим вычитания. Если же d/, О , схеа 20 сигнала не формирует и счотчик остается в режиме суммирования. С адержкой, обусловленной перехоаными роцессами в схеме 20 и в пчотчнкс 9, выхода схемы 20 поступает сигнал п: блок 17 для переноса показаний из счетчика 7 в счетчик 9. В результате в счетчике 9, независимо от знаков среднего у, и поправки а , будет записан дополнительный код поправки S., Этот же сигнал, опять та;кй с нЬкоторой задержкой, переводит счетчик 9 в режим суммирова ния (или подтвернодает этот режим) и поступает в блок управления 5, подключая через коммутатор б вход распределителя 10 и вход счетчика 9 к выхбду элемента И .3 и открывая последний. Импуль сы с генератора преобразователя 1 посту пают на счетчик 9 и распределитель 10, С выхода распределителя 10 импульсы по-прежнему поступают на вход второй декады счетчика 21 и на блок 19. При обнулении счетчика 9 . -сигнал с его выхода1 поступает в блок управления 5, закрывая элемент 3, и на счетчик 21, возвращая его в исходное состояние. За время открытого состояния элемента ИЗ на счёт-чик 2J. поступит число импульсов Id I , а в счетчик 11 --число Q на сум мирование, В результате s счетчике 11 В уЙёТза пйсанд6помйтельЖ1 й Т 1ОО (Й-АХ -а ). с этого момента на чинается четвертый этап работы устрой- ства -вычисление средн квайратичного. С некоторой задержкой блок управления 5 цзменя состояние распределителя им пульсов 1О и снова открывает элемент ИЗ. Импульсы с генератора преобразователя 1 через коммутатор 6 и распредели тель 10 поступают на вход первой декады счетчика 21 и блок 19 аналогично выше oпиcaннo «y до момента переполнения счет чика 11, импульсом которого блок управления 5 закрывает апемент И 3. Очейид- но, к этому моменту в счетчик 21 будет ввёйено ЧИСЛО йМпульсоё, раШбё искомому среднеквадратичному отклонению в со ответствии с формулой {3) „ Таким образом, в счетчике среднего 15 зафиксировано выборочное среднее, -,,в счетчике 9 дисперсия, а в счетчике 21 - среднеквадратичное значение, Значения этих величин могут быть вывёдень на отсчётные, устройства либо цифропечать. Использование данного устройства позволит существенно повысить точность анализа исследуемых процессов и значительно сократить ъремя контроля исследуемых объектов. 71 4 12 3 о б р е т е н и я о р м у л а и Устройство для определения статистических характеристик, содержащее преобразователь аналог-код, вход. которого является входом устройства, первый выход подключен к информационному входу первого элемента И, второй выход соединен с первым входом блока управления, а третий выход подключен к информационному входу второго элемента И, первый выход которого соединен с первым информационным входом реверсивного счетчика разности, второй Информационный вход которого роединен с первым выходом делителя частоты, второй выход которого соединен с первым информационным входом третьего элемента И, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом сложе- ния и вычитания счетчика среднего, разрядные выходы которого подключены к первому блоку элементов И, разрядные выходы которого подключены к первому блоку элементов И, накопительный счетчик, информационный вход которого соеди- нен с первым выходом распределителя импульсов, разрядные выходы накопительного счетчика через второй блок элементов И соединены с разрядньпу1и входами счетчика дисйерсии, о т л и ч а вэ - щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия устройства, оно содержит дополнительный счетчик, схему Сравнения,реверсивный счетчик с дешифратором, третий и четвертый блоки элементов И, узел управления и коммутатор,/ выходы которого подклю.чены соответственно к первому входу распределителя импульсов, к счетному входу счетчика Дисперсии, к третьему информационному входу реверсивного счетчика разности, к входу делителя частоты и к информационному входу реверсивного счетчика, первый управляющий вход которого соединен с первым выходом второго элемента И, второй управляющий выход которого соединен с управляющим входом дЪполнительного счетчика, а второй управляющий вход реверсивного счетчика соединен с первым выходом узла управления, с первым управляющим входом дещифратора, разрядные входы которого соединены соответственно с разрядными выходами реверсивного счетчика, ; первый .и второй выходы дещифратора подключены к первому и второму входам узла управления и к входам сложения и вы

Йанаег;чихания счетчика среднего, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом дополнительного счетчгтка, pifta рядные входь которого подключеньГ Ж выходам первого блока элементов И, а разрядные выходы через третий блок элемен тов И соединены с разрядными входами реверсивного счетчика разности, разрядные выходы которого через четвёртый блок элементов И подключены соответственно к разрядным входам счетчика дисперсии, при этом выходы схемы сравнения подключены соответственно к инфор- мационнь1М входам первого и третьего блоков элементов И, реверсивного счетчика разности и ко второму входу блока управления, при этом управляющий вькод реверсивного счетчика разности соединен с управляющими входами накоЛительнЪго счетчика, схемы сравнения и счетчика дисперсии, четвертого блока элементов И, схемы сравнения и вторым входов блока управления, первый вход которого, соединен с управляющим выходом дешиф74.. 14 ратора, а выход блока управления соодинен с управляющими входами дешифратора, узла управления, третьего элемента И, схемы сравнения, третьего блока элементрв И, реверсивного счетчика разносги, распределителя импульсов, прчобраэбвэтеля аналог-код, первого элемента И, делителя частоты, к:6ммутатора, вход которого соединён с выходом первого элемента И, при этом второй вход рас(Пределйтеля импульсов соединён с вьгхо дом третьего элемента И, а третий и четвёртый входы подключены к соответствующйм информационным выходам нако пительногр счетчика, управляющий выход распределителя импульсов соединен с управляющим. входом второго блока элементов И. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 407322, кл. Q Об F 15/36, 1973. 2,Авторское свидетельство СССР 419899, кл. Q-06 F 15/36, 1973.