Устройство для определения экстре-МАльНыХ зНАчЕНий СлучАйНыХпРОцЕССОВ Советский патент 1981 года по МПК G06G7/52 

,54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

1

Изобретение относится к средствам автоматики и вычислительнойтехники и предназначено для определения экстремальньох значений широкополосных случайных сигналов при построении измерительных приборов, используемых в ядерной физике, радиационной медицине, диагностике состояния устройств и объектов, приборов для статистического анализа случайных процессов.

Известно устройство для определения экстремального значения однократного процесса, которое содержит регистры памяти, нуль-орган, входы которого соединены соответственно с входом устройства и выходом преобразователя код-аналог, подключенного входом к разрядным выходам реверсивного счетчика, входы сложения, вычитания и тактовых импульсов которого соединены соответственно с выходами Сложить нуль-органа и первым входом первого элемента И, с выходом Вычесть нуль-органа и первым входом второго элемента И, с выходом элемента ИЛИ, входы которого подключены, к выходам двух первых элементов И, вторые входы которых соединены с первым выходом генератора тактовых

импульсов, второй вход которого под-. ключен к счетчику времени, единичный и нулевой входы первого триггера через элементы задержки подключены к выходу первого, входу третьего элементов Ник входу четвертого, выходу второго элементов И, выхрды первого триггера подключены к вторым входам третьего и четвертого элементов И, третьи входы которых соединены с единичным выходом второго триггера, нулевой вход которого подключен к выходу четвертого элемента И и входу управления первого регистра па. мяти, входы которого соединены с выходами счетчика времени и входами второго регистра памяти, вход управления которого соединен с выходом третьего элемента И и входом управле-, ния третьего регистра памяти, соединенного другими входами с выходами реверсивного Счетчика Cll.

Однако, устройство не имеет эащиты от импульсных помех,. превышающих дискретность (шаг квантования по уровню в устройстве). дЬпустикий на входе устройства шум при определении размытого экстремума должен быть по размаху менее шага квантования по уровню. Точность определения экстремума .ограничена шагом квантования по уровню и изменяться в зависимости от конкретных условий работы устройства (полосы сигнала, шумов) не может. Известное устройство не предназначено .для широкополосных входных сигналов. Оно работает с постоянной тактовой частотой,.оптимальной для ограничения спектра случайного сигнала.. Кроме того --устройство требует сброса триггеров и счетчиков перед определением .экстремального зна чения и пбэтрму может анализировать только однократные реализации случай ных процессов с одним экстремальным Значением в этой реализации. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения функции распределения экстремальных значений случайных сигналов, содержа щее источник исследуемого сигнала, нуль-орган (сравнивающее ycTpoiScTBo образцовый генератор случайиЕлх .сигна лов, накопитель, задатчик напряжения уровня Jвыбopки, ключ,-запоминающий элемент, схему Исклзрчитель но-ИЛИ {йзл ритель), тактовый генератор, блок, определения изменения зна:ка приращения исследуемого сигнала и аналоговый запоминающий блок 2. Известное устройство при определении экстремальных, значений сигнала не имеет защиты от иилетульсных помех, точность определения экстремумов его неизменная и при заданной неизменной тактовой частоте, в основном, определяется параметрами аналогового запоминающего блока и нуль-органа. Устройство обладает большими погрешйостями определения экстремумов низкочастотных сигналов так как параметры его аналогового за поминающего блока и тактовая частота не изменяются в зависимости от.скорости изменения входного сигнала. Кроме того, устройство измеряет только одну статистическую характерис .тику экстремальных значений сигнала- функцию расп;ределения, что часто на практике бывает недостаточно. Цель изобретения -.повышение точности определения экстремальных значений широкополосных-случайных сигналов, а также помехозащищенности. Поставленная цель достигается те что в устройство для определения экстремальных значений случайных процессов, содержащее первый аналоговый блок памяти.и первый компаратор, первые входы которых объединен и подключены к первому входу устрой ства, блок определения изменения зн ка приращения входного сигнала, пер вый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя, а.третий - подключен к первому входу, блока син хронизации, первый и второй выходы которого соединены соответственно .ее вторым входом первого, аналогового блока памяти и со вторым входом первого компаратора,, в устройство дополнительно введены два аналоговых блока памяти, три ключа, три сумматора, управляемый источник напряже-: ния, блок адаптации, пять компараторов и мажоритарный блок, первые шесть входов которого соединены с выходами соответствующих компараторов, седьмой вход подключен к третьему выходу блока синхронизации,четвертый выход которого соединен с третьим входом измерителя, четвертый вход которого подключен к выходу усреднителя, входы которогоподключены к выходам соответствугадих ключей, информационный .вход каждого к.гао«а соединен с выходом соответствующего аналогового блока памяти, управляющие входы ключей соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами мажоритарного блока, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока определения изменения знака приршцения, первые входы :второго и третьего аналоговых блоков памяти, блока адаптации, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого компараторов объединены и подключены к первому входу устройства, второй вход второго компаратора соединен со вторым входом блока синхронизации, вторые входы третьего и четвертого компараторов подключены к пятому выходу блока синхронизации, вторые входы пятого и шестого компараторов соединены с шестьал выходом блока синхронизации, первый и второй выходы.первого сумматора соединены соответственно с третьими входами первого и второго компараторов, первый и ВТОРОЙ выходы второго сумматора подк.лючены соответственно к третьим входам третьего и четвертого компараторов, первый и второй вы-ходы третьего сумматора соединены соответственно с третьими входами пятого и шестого компараторов, выходы компараторов подключены к соответствунвдим входам мажоритарного блока, первый вход каждого суивлатора соединен с выходом соответствующего аналогового блока памяти вторые входы сумматоров подк.лючены к выходу управляемого источника напряжения, вход которого является втором входом устройства, втоЕЖле входы второго и третьего аналоговых блоков пгмяти подключены соответственно к седьмому и восьмому выходам блока синхронизации, второй вход которого подключен к первому выходу блока адаптации, второй выход которого соединен с третьими входами аналоговых б.локов памяти, второй вход блока гщаптации является третьим входом устройства.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 аналоговые блоки памяти (АБП), на первые входы которых и на вход блока 4 адаптации подается исследуемый случайный сигнал. Выход блока 4 адаптации соединен со вторыми входами блоков 1-3, другой выход блока 4 адаптации. соединен с входом блока 5 синхронизации, ;которого подключены к третьим входам блоков 1-3, вьдходы которых соединены непосредственно с первьми входами первого 6, второго 7 и третьего 8 суматоров, а также через ключи 9-11 с входами усреднителя 12. Вторые входы сумматоров 6-8 связаны с выходом управляемого источника 13 напряжения, а выходы сумматоров 6-8 со вторьдали входами компараторов 14-19, на первы входы которых подается исследуемый сигнал. Выходы компараторов подключены ко входам .мажоритарного блока 20, входы которого.соединены.с входами блока 21 определения изменения знака приращения. Другие выхойы мажоритарного блока 20 связаны с- управлякщими входами ключей 9-11. Один из входов мажоритарного блока соединен с выходом блока 5 синхронизации. Выходы блока 21 определения изменения знака приращения подключены к входам блока 5 синхронизации и измерителя 22, вход которого соединен с выходом усреднителя 12.

Устройство работает следунацим образом.

В блоке 4 адаптации задается ошибка восстановления входного сигнала €, пропорционально которой в нем формируется тактовая частота, поступающая в блок 5 синхронизации, а также в аналогичные блоки 1-3 памяти и включаются соответствукндие АВП случайного сигнала. Блок 5 синхронизации последовательно формирует ньетуль са строба на пары компараторов 14 и 15, 1би 17, 18 и 19. После импульсов строба компараторов с.некоторой задержкой блоком 5 синхронизации формируется сигнал в мажоритарный блок 20, по которому происходит усреднени в блоке 12, и сигнала включения на запоминание мгновенных значений входного процесса в блоках 1-3. Сдвиги по времени мемоду импульсш й строба компараторов 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19, и также между импульсами акдаэчения аналоговых блоков 1-3 памяти, задаваемые блоком 5 синх иэниэаЦии, превышают ожидаемую длительность импульсных памёх, но по .времени намного меньше периода между тактами, которые вырабатывает блок 4 адаптации для работы блока 5 синхронизации.

Блок 5 обеспечивает возможность регулировки времени между стробнроанием компараторов 14 и 15, 16. и 17, 8 и 19, а также подключением второго налогового блока 2 памяти по отношеию к первому 1, третьего 3 по отноению ко второму 2. Запомненные знаения входного случайного сигнала и. (где , 2, 3) ча каждом такте оступают из блоков 1-3 на первые ходы сумматоров 6-8. На вторые вхоы сумматоров 6-8 от управляемого

источника 13 напряжения подключены

напряжения лЦ. Напряжение устанавливается оператором таким образом чтобы образовалась зонй нечувствительности компараторов 14-19 к шумам .в том случае, когда первая производная входного сигнала близка или равна нулю. Этим исключаются дополнительно ложные срабатывания компараторов 14-19 и блоков 20-22 за счет того, что компараторы имеют конечный

порог .срабатывания. На первые входм компараторов 14-19 поступает входной случайный сигнал, на вторые входы - величины +AU,. и U,. -дИ . На следующем тактовом импульсе блока 4

адаптации устройством 5 синхронизации снова последовательно формируются импульсы строба на компараторы 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19. По результатам сравнений определяется знак

приращения случайного сигнала по отношению к запомненным блоками 1-3 на предыдущем такте значениям случайного сигнала ( +ла и .-лЦ , снимаемым с выходов блоков 6-8 суммирования.

входные сигналы компараторов 14-19 поступают на входы 1;..жоритарного блока 20. Блок 20 выполняет решающую функцию и выбирает из совокупности сигналов, поступающих на каждом-такте на его входы, наиболее достоверные значения.

С учетом зоны нечувствительности устройства ±ди;, блока 20 для каждой i-й пары сравниваквднх устройств в зависимости от изменения входного случайного сигнала формируют следующие сигналы y.j :

S}

UT&IC Э

тек 3i - ЛУ,iTej

сигналы соответствуют положительному знаку приращения случайного сигнала;

СИ1

5} Угек УЗ, 4- aU - о;

тек з «- Д,сигналы соответствуют отсутствию приращения случайного сигнала;

тек з,- - Д - П UTE. я - ли,- -. о сигналы соответствуют отрицательному знаку приращения случайного сигнала.

Обозначим выходные логические сигналы блока 20 соответственно для ксялпараторов 14 и 15 - Y и У, ; 16 и 17 - Vi и Y ; 18 и 19 - Y и Yj . Логические сигналы Y , , Тз соответствуют положительным приращениям, а

сигналы , , Y| - отрицательньш приращениям входного случайного сигнала.

Выбор наиболее достоверного значения в блоке 20 осуществляется, по большинству голосов следующим, образом, В блоке 20 производится опера ция сложения логических сигналов:

Z{ + ) ; Z(-)YV+Y,+Y и вьщается сигнал Ноль при выполне НИИ неравенства Z.it)-2 О (т.е. блок 20 не фиксирует положительного приращения случайного сигнала); или сигнал Единица при выполнении неравенства Z( + ) (т.е. блок 20 формирует положительное приращение случайного сигнала).

Аналогично для Z(-): если Z(-)-2 то вьщается Ноль (т.е. блок 20 не фиксирует отрицательного приращения случайного сигнала); если Z(-)-2 0,, то выдается Единица (т.е. блок 20 фиксирует отрицательное приращение случайного сигнала) . Блок 20 гасж&т быть решен на мажоритарных модулях, называемых иногда кворум-эле11«ентами.

Указанные логические сигналы Ноль или Единица поступают в определения изменения знака приращения, в котором знак приращения запоминается. Кроме того, если на предыдущем тактовом импульсе было запомнено противоположное по знаку приращение, блок 21-выдает сигнал, соответствующий минимальному или максимальному значению случайного сигнала, в измеритель 22, а также сигнал, соответствующий экстремальному значе ВИЮ, в устройство 5 синхронизации.

При наличии сигнала, соответствующего экстремальному значению, блок 5 формирует стробирующий сигнал в блок 20,по которому (после прохождения трех импульсов на стробирование компараторов 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19) формируются сигналы на включение ключей 9-11. Логически управление ключами 9-11 организовано так, что всегда блоком 20 могут включаться только два из трех ключей, если даже в сигнале нет помехи и во всех трех каналах запомнена-достоверная информация, в случае возникновения помехи в одном из каналов при запоминании или сравнении включаются, ключи двух достоверных каналов при нахождении экстремума. При.открывании ключей на вход усреднителя 12 подается два запомненных на предццуадем такте значения случайного сигнала, среднее из которых является искомым экстремальным значением.

С некоторым сдвигом по времени от блока 5 йриходит импульс запуска измерителя 22 и одновременно .с ним .первый импульс на запоминание в первое .запоминающее, устройство 1, затем следуют импульсы.последовательно на запоминающие устройства 2 и 3. На

этом цикл работы устройства заканчивается.

С приходом следующего тактового импульса от блока 4 адаптации проходят три импульса строба компараторов 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19, импульс на открывание ключей 9-11 в случае определения экстремума и три импульс на новое запоминание блоками 1-3.

Импульсом запоминания первого аналогового блока 1 памяти в случае определения экстремума случайного сигнала запускается измеритель 22.

При измерении статистических характеристик экстремальных значений случайных сигналов допустимш пропуски экстремальных значений сигнсша Эти пропуски не создгиот дополнительных погрешностей статистических характеристик сигнала, а лишь увеличивают необходимую длину реализации случайного сигнала. Поэтому в предложенном устройстве применим блок 4 адаптации с стохастическим алгоритмом работы, в котором в зависимости от заданной погрешности восстановления и скорости изменения случайного сигнала устанавливается средняя тактовая частота, которая флуктуирует в небольщих пределах для стационарного случайного сигнала.

Таким образом, помехоустойчивость и точность измерения экстремальных значений сигнала повышается за счет введения межоритарной обработки и усреднения результатов избыточного измерения экстремумов.

Формула изобретения

Устройство для определения, экстремальных значений случайных процессов, содержащее первый аналоговый блок памяти и первый компаратор, первые входы которых объединены и подключены к первому входу устройства, блок определения изменения знака приращения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя, а третий - подключен к первому входу блока синхронизации, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторым входом первого аналогового блока памяти и со вторым входом первого компаратора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в устройство дополнительно введены два аналоговых блока памяти, три ключа, три сумматора, управляемый источник напряжения, блок адаптации, пять компараторов и мажоритарный блок, первые шест входов которого соединены с выходами соответствующих компараторов, седьмой вход подключен к третьему выходу блока синхронизации, четвертый выход которого соединен с третьим входся«