Устройство для определения плотностиВЕРОяТНОСТи Советский патент 1981 года по МПК G06G7/52 

1

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, предназначено для измерени-я плотности вероятности экстремальных значений случайного сигнала и плотности вероятности случайного сигнала и может быть использовано в системах аппаратурного анализа случайных вибраций, где требуется одновременное определение плотности вероятности случайного сигнала и плотности вероятности экстремальных значений.

Известно устройство для определения плотности вероятности L, содержащее сумматор, источник регулируемого постоянного напряжения, усилитель-ограничитель, источник вспомогательного прямоугольного напряжения, синхронный детектор и интегратор.

Однако устройство не измеряет одновременно плотность распределения экстремальных значений случайного сигнала и плотность распределения случайного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для определения плотности вероятности 2, содержащее

блок накопления и регистрации, первый и второй сумматоры,. первые входы которых объединены и являются входом устройства, вторые и третьи входы сумматоров подключены соответственно к первому и второму входам источника регулируемого постоянного напряжения, к первому и второму входам вспомогательного прямо-. .

10 угольного напряжения, выходы сумматоров соответственно через первый и второй двусторонние ограничители подключены к первому и второму блоку вычитания, выход которого

15 соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого подключен к первому выходу источнику вспомогательного прямоугольного напряжения, генератор пилообразно20го напряжения, генератор импульсов опроса и соответственно для положительного и отрицательного напряжении исследуемого сигнала две цепочки, каждая из которых состоит

25 из последовательно соединенных элемента И, модулятора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).Первые входы элемента И объединены и являются входом устройства, вторые входы объединены и подключены к выходу синхронного детектора, входу генератора импульса опроса, первому входу блока .накопления регистрации и первому входу генератора пилообразного напряжения, второй и третий вхо ды которого подключены к выходам элементов И, соответственно первой и второй цепочек, а выход генератора пилообразного напряжения соединен с входом источника регулируемого постоянного напряжения, третий выход которого соединен со вторым блока накопления и регистрации и с другими входами модуляторов первой и .второй цепочки. Другие входы АЦП объединены и подключены к выходу генератора импул; v.;OB опроса, разрядные выходы АЦП подключены соответственно к первой и второй группам входов блока накопления и регистрации. Это устройство не измеряет одновременно плотность вероятности экстремальных значений и плотность вероятнрсти случайного сигнала, что приводит к увеличению времени анализа. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет измерения плотности вероятности экстремальных значений случайного сигнала при одновременном измерении плотности вероят ности случайного.сигнала. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения ПЛОТНОСТИ вероятности, содержаще двусторонний ограничитель, блок накопления и регистрации, две цепочки соответственно для положительного и отрицательного напряжения исследуемо го сигнала, каждая из которых состоит из последовательно соединенных эл мента И, модулятора АЦП при этом пер вые входы элементов И объединены и являются входом устройства, вторые входы объединены и подключены к пер вому входу блока накопления и регист рации и управляющему входу генератора пилообразного напряжения, первый и второй информационные входы которого подключены к выходам элеме тов И соответственно первой и второ цепочек, а выход генератора пилообр ного напряжения соединен с входом источника регулируемого постоянного напряжения, выход которого соединен со вторым входом блока накопления и регистрации и со вторыми входами, модуляторов первой и второй цепочек другие входы АЦП объединены и подключены к первому выходу генератора импульсов опроса, а разрядные выход АЦП подключены соответственно к гру пе первых и группе вторых разрядных входов блока накопления и регистрации, введены реверсивный счетчик, последовательно соединенные диффе.ренцирующая цепочка и ограничитель и последовательно соединенные нульиндикатор и триггер. Выход двустороннего ограничителя соединен с входом нуль-индикатора, а вход является входом устройства. Выход триггера подключен к управляющему входу генератора пилообразного напряжения и к входу дифференцирующей цепочки. Выход ограничителя подключен к информационному входу реверсивного счетчика, информационные входы которого подключены соответственно к разрядным входам АЦП обеих цепочек,- а выход реверсивного счетчика подключен к третьему входу блока накопления и регистрации. Второй выход генератора импульсов опроса подключен к объединенным управляющим входам модуляторов обеих цепочек. На фиг. 1 показана структурная схема устройства для определения плотности вероятности, на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство для определения плотности вероятности содержит элементы И 1 , 2, выходами соответственно подключенные к первым входам модуляторов 3, 4, которые выходами соответственно соединены с первыми входами первого и второго АЦП 5, б. Дифференцирующая цепочка 7 выходом подключена к входу ограничителя 8. Двусторонний ограничитель 9, выходом соединен входом нуль-индикатора 10, выход которого подключен к входу триггера 11, выходом подключенного к вторым входам элементов И 1, 2 и к входу дифференцирующей цепочки 7, а также к первому входу генератора 12 пилообразного напряжения. Генератор 12 вторым входом подключен к выходу элемента И 1, а третьим входом - к выходу элемента И 2. Реверсивный счетчик -13, первый вход которого подключен к выходу АЦП 5, а второй вход - к выходу АЦП 6. Первые и вторые разрядные входы блока 14 накопления и регистрации соответственно подключены к разрядным входам АЦП 5 и 6. Первый вход блока 14 подключен к входу дифференцирующей цепочки 7, второй вход соединен соответственно со вторыми вхоцами модуляторов 3,4. Генератор 15 импульсов опроса первым выходом соединен с вторыми входами АЦП 5 и б, а вторым входом подк.иючен соответственно к третьим входам модуляторов 3 и 4. Источник 16 регулируемого постоянного напряжения входом соединен с выходом г-енераторгг- 12 а входом соединен с третьими входами модуляторов 3 и 4 и со вторым входом блока 14. Вход 17 устройства подключен к первым входам элементо; И и к ограничителю 9. Устройство работает следующим образом. Напряжение исследуемого сигнала U-17 (t) (фиг. 2 а) поступает на вход 17 устройства и одновременно на первые входы элементов И 1,2 ограничителя 9. Ограничитель 9 преобразует исследуемый сигнал t) (фиг .2 а) в случайную последователь ность биполярных ограниченных сверху и снизу импульсов. Положительные выбросы экстремальных значений исследуемого сигнала U 7- (i) , оПревышающие уровень ограничений (t) , преобразуются .ограничителями 9 в по ложительную последовательность импульсов . Отрицательные выбросы экстремальных значений исследуемого Сигнала, превышающие уровень ограни чении UQPP (t) , преобразуются ограни чителем 9 в отрицательную последова тельность импульсов. Общее число пе сечений нг пряжения исследуемого сигнала U.-,(t) уровня ограничения (t) совпадает с числом нулей импульсного сигнала на выходе ограничителя 9 . Длительности положитель ных выбросов экстремальных значений исследуемого сигнала -совпадают с дл тельностями соответствующих положительных импульсов, поступающих с выхода ограничителя 3 на вход нульиндикатора 10. Для отрицательных выбросов экстремальных значений исследуемого сигнала соблюдается взаимнооднозначное соответствие,как и для положительных значений исследуе мого сигнала. Нуль-индикатор 10 фиксирует момент прохождения нулевого уровня напряжения импульсной последователь ности, поступающей на его вход,формируя на выходе положительные .импул сы и,р ( t) (фиг. 2 б), которые управ ляют запуском триггера 11. С выхода триггера 11 пpя oyгoльныe биполярные импульсы 11,1 (t) (фиг. 2 в) .длительностью itj соответствующие положительным и Д С соответствующ отрицательным выбросам экстремальны значений исследуемого сигнала,посту пают на вторые входы элементов И 1, 2, на первые входы дифференцирующей цепочки 7, генераторов 12 и на первый вход блока 14 накопления и регистрации. Элементы .И 1 и 2 по третьим входам фиксированы так,, что реализация исследуемого сигнала и,-, и) пребы- вает в заданном амплитудном диффере циальном коридоре - UT 2ди, в пределах которого осуществляется анализ экстремальных значений в заданном интервале времени Т. С выхода элементов И 1, 2 на вхо модуляторов 3,4 и на второй и третий вход генератора 12 поступают соответственно положительные и отрицательные импульсы, которые повторяют форму исследуемого сигнала и If (t) (фиг. 2 а) в пределах времени д t ; д с. Генератор 12 на выходе в зависимости от полярности исследуемого сигнала формирует пилообразные импульсы (фиг.2 г), которые поступают на вход источника 16 регулируемого постоянного напряжения. Это напряжение изменяется пропорционально изменению наклона импульсов генератора 12 так что во время нарастания пилообразного напряжения () (фиг.2 г) оно возрастает, а во время спада - падает. Модуляторы 3, 4 осуществляют амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ)(фиг.2 д) при наличии на вторых и третьих входах соответственно напряжения импульсов выбора со второго входа генератор 15 импульсов опроса и напряжения с источника 16 напряжения. АЦП 5, 6 при поступлении импульсов to с первого выхода генератора 15 (фиг.2,ц) преобразуют импульсы ДИМ и КИМ и осуществляют передачу информации в параллельном коде по разрядным выходам на блок 14-накопления и регистрации (фиг.2 3,w). Одновременно информация с АЦП 5, б поступает соответственно на первый и второй входы счетчика 13. Счетчик 13 в зависимости от возрастания или убывания напрях ения исследуемого сигнала (с) 1фиг.2,а) работает на сложение или на вычитание. В момент реверса с выхода счетчика 1 появления импульс U j (. t) (фиг. 2 к) который фикс ирует момент прохождения экстремального значения напряжения исследуемого сигнала. Сброс счетчика 13 осуществляется в момент спада импульса дС --, (фиг. 2 б) после дифференцирования его дифференцирующей цепочкой 7 и ограничения ограничителем 8. Импульс сброса с выхода ограничителя 8 поступает на третий вход счетчика 13 каждый раз после анализа очередного выброса напряжения исследуемого сигнала (t) (фиг.2 а). С выхода счетчика 13 на третий вход блока 14 накопления и регистрации поступает импульс метки Nэкстремального значения напряжения исследуемого сигнала (фиг.2 к),а на второй его вход с источника 16 напряжения подаются калибровочные значения напряжения. В блоке 14 накопления и регистрации осуществляется сравне ние числа, определяемого количеством разрядов АЦП 5 или 6 в момент опроса им-. пульсами i с числом в цифровом коде, которое пропорционально изменению значения напряжения wa г ыходе источника 16 напряжения в момент появленияимпульса метки экстремаль.ного значения N, что необходимо для определения плотности вероятности экстремальных значений напряжения исследуемого сигнала U) (фиг.2 а) .

В блоке 14 накопления и регистрации подсчитывается число случаев помеченных импульсами метки N, при которых напряжение исследуемого сигнала оказалось на интервале уровней, соответствующих калиброванным значениям напряжения;источника 16 напряжения.

Отношение этого числа случаев к общему числу случаев, зарегистрированных во время анализа, служит оценкой плотности вероятности экстремальных значений напряжения исследуемого сигнала.

. Определение плотности вероятности в блоке 14 накопления и регистрации исследуеморо сигнала производится аналогично случаю, рассмотренному выше, т.е. подсчитывается число всех случаев, при которых напряжение исследуемого сигнала оказалось на интевале уровней, соответствующих калиброванным значениям напряжения источника 16 напряжения в моменты, определяемые частотой импульсов опроса - Си-ношение этого числа случаев к общему числу случаев,зарегистрированных во время анализа,является оценкой плотности вероятности исследуемого сигнала.

Принципиально это возможно,если амплитудный дифференциальный коридор 2uU представить в виде суммы

2uU S и: ), (2)

где и (-i) значение напряжения

j-ro калиброванного фиксированного уровня внутри амплитудного дифференциального коридора; Cfi - импульсы опроса равной частоты, соответствующие моменту анализа на данном J-M уровне. Анализ напряжения исследуемого сигнала (t) (фиг. 2 а) производится на данном уровне анализа, когда достигается равенство чисел

,-() ()

в интервалах анализа

(t),йU(t),дL(t)...йUj(t)...дu„(t),

где (}j((i}-u.M

таких, что

&-imAUj(.i)(rn). (4) Плотность вероятности экстремальных значений исследуемого сигнала на определенном J-M фиксированном уровне определяется как отношение числа

попаданий экстремальных значений на данный уровень к общему числу опросов, отмеченных импульсом метки по формуле

Ь,М%|&М мйШ

U)

где

)({NjCUti) ,(t)}

количество случаев, когда экстремальное значение исследуемого сигнала совпадает с (t) по амплитуде и достигается их равенство в цифровой форме

. N ruV-t j.M.ru,u,j,

где - напряжение экспериментальногозначения исследу0емого сигнала в

цифровом коде в момент опроса импульсами

U|i,vi(b) - напряжение калйб5 рованного сигнала

в цифровом коде; - количество всех случаев появления экстремсшьных

Qзначений исследуемого сигнала на интервале анализа Т.

Плотность вероятности исследуе- мого сигнала определяется по формуле (5) с учетом того, что множество ) значений анализируемого сигнала в момент времени t содержит множество экстремальных значений исследуемого сигнала, T.e.(t) 0 (t) гдeNj U(t) - все случаи попадания напряжения исследуемого сигнала и U) на заданный калиброванный уровень.

Предложенное устройство позволяс ет одновременно получать плотность вероятности экстремальных значений и плотность вероятности исследуемого сигнала, что расширяет его функциональные возможности при однол временном сокращении времени анализа и повышает эффективность применения предлагаемого устройства в системах аппаратурного анализа случайных процессов.

Формула изобретения

Устройство для определения плотности вероятности, содержащее двусторонний ограничитель, блок накопления и регистрации, две цепочки соответственно для положительного и отрицательного напряжений исследуемого сигнала, каждая из которых состоит из последовательно соединенных

элемента И, модулятора и аналогоцифрового преобразователя, при этом первые входы элементов И объединены и являются входом устройства,вторые входы объединены и подключены к первому входу блока накопления и регистрации и управляющему входу генератора пилообразного напряжения,первый и второй информационные входы которого подключены к выходам элементов И соответственно первой и второй цепочек, а выход генератора пилообразного напряжения соединен с входом источника регулируемого постоянного напряхсения, выход которого соединен со вторым входом блока накопления и регистрации и со вторыми входами модуляторов первой и второй цепочек, другие входы аналого-цифровых преобразователей объединены и подключены к первому выходу генератора импульсов опроса, а разрядные выходы аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к группе первых и группе вторых разрядных входов блока накопления и регистрации, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения плотности вероятности экстремальных значений случайного сигнала приодновременном определеНИИ плотности вероятности случайного сигнала, в устройство введены реверсивный счетчик, последовательно соединенные дифференцирующая цепочка и ограничитель и последовательно соединенные нуль-индикатор и триггер, причем выход -двустороннего ограничителя соединен с входом нуль-индикатора, а. вход является входом устройства, а выход триггера подключен к управляющему входу генератора пило0образного напряжения и к входу дифференцирующей цепочки, при этом выход ограничителя подключен к информационному входу реверсивного счетчика, информационные входы которого

5 подключены соответственно к разрядным входам аналого-цифровых преобразователей обеих цепочек, а выход реверсивног о счетчика подключен к третьему входу блока накопления и

0 регистрации, при этом второй выход генератора импульсов опроса подключен к объединенным управляющим входам модуляторов обеих цепочек.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5

1.Авторское свидетельство СССР № 359670, кл. G Об G 7/52, 1971.

2,Авторское свидетельство СССР по заявке № 2644529/24,

кл. G Об G 7/52, 1978 (прототип).