Устройство для вычисления текущей оценки среднего значения Советский патент 1981 года по МПК G06F17/18 

1. Изобретение относится к области автоматики, и вычислительной техники и может быть использовано для аппаратурного анализа случайных процессов в системах сбора и обработки информации , Известно устройство для вычисления текущей оценки среднего значения содержащее аналого-цифровой преобразователь, арифметический блок,регистр реверсивньзй и двоичный счетчики, запо минающий блок и блок управления ll. Недостатками данного устройства являются большие аппаратурные затраты и сложность процесса вычисления средней величины. Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее компаратор, первый и второй вы ходы которого подключены соответственно к первым входам первого и второго элементов И, выходы которых сое .динены соответственно с первым и вто рым входами реверсивного счетчика,вы ходы которого подключены к входам преобразователя код-напряжение,выход преобразователя код-напряжение соеди нен с первым входом компаратора,второй вход которого является входом устройства, блок управления и генератор тактовой частоты С2}.. Недостаток этого устройства - низкое быстродействие при определении среднего значения, что ограничивает область его применения, например, при измерении среднего значения быстропротекающих процессов, т.е. устройство не отвечает современным требованиям анализа случайных процессов. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства. С этой целью в устройство для вычисления текущей оценки среднего значения введены .трютий и четвертый элементы И и дополнительный реверсивный счетчик, при этом выход генератора тактовых импульсов подк.пючен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с третьим выходом компаратора, первый и второй входы которого подк.лючены соответственно к первым входс1м третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых объединены и соединены с выходом блока управления, выходы третьего и четвертого элементов И подк.лючены соответственно к первым .и вторвлм входам дополнительного реверсивного счетчика, выход которого является выХодом устройства, вторые входы первого и второго элементов И объединены и соединены с выходом генератора тактовых импульсов.

Кроме того, блок управления содержит перэый и второй счетчики,дешифратор, п элементов И, элемент ИЛИ при этом вьисрды первого счетчика подключены к соответствующим вxoдavl де шифратора, выходы которого соединены соответственно с первыми входами элементов И, выходы которых подключены к соответствукадим входам элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока управления, вход второго счетчика объединен с вторым входом п-го элемента И и является первщд входом блока управления, выходы второго счетчика подключены соответственно к вторым входам (n-l) элементов И, вход первого счетчика является вторьм входом блока управления.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит первый 1,второй 2, третий 3 и четвертый 4 элементы И, реверсивный счетчик 5, преобразователь 6 код-напряжение, компаратор 7, блок 8 управления, дополнительный реверсивный счетчик 9, генератор 10 тактовой частоты. Блок 8 управления сортоит из дешифратора 11 элементов И 12, первого счетчика 13, второго счетчика 14, элемента ИЛИ 15

Устройство работает следующим образом.

Алгоритм, согласно которому вычисляется оценка среднего искомой величины, определяется по следующему рекурентному соотношению

Х---X.P.51ghCX,-X.,),{-()

где Р. - весовые коэффициенты,значе ния которых выбираются из условия минимального смещения вычисляемого среднего от истинного значения математического ожидания. Для случайного процесса с известньм законом изменения можно подобрать весовые коэффициенты Е{ , которые в наибольшей степени удовлетворяют условию наилучшего приближения вычисляемой оценки к математическому ожидаишо. Путем моделирования на ЦВМ были получены значения Р для ряда наиболее часто вращающихся законов изменения случайных процессов. Вычисление текущей оценки среднего значения Х с использованием рассчитанных весовьос коэффициентов Р позволяет увеличить скорость и эффективность (т.€. минш4альное смещение оценки среднего значения от истинного) вычисления .

Переходя от рекурентного соотношения (1) к непрерьюной сумме членов

ряда, алгоритм можно представить в виде

X; -- SP.SigttlX -X,.-) (О

l-l

Устройство реализующее данный J алгоритм, работает следующим образом. Исходно-реверсивный счетчик 5,дополнительный реверсивный счетчик 9 и счетчик 13 блока 8 управления находятся в нулевом состоянии. Сигнал

Q и на выходе преобразователя б коднапряжение равен нулю, в момент появления сигнала U{t) на втором входе компаратора 7 выполняется условие 0(, и на первом и третьем выходах компаратора 7 формируются сигналы. Сигнал с первого выхода открывает элементы И 1 и 3. Сигнал, формируемый на третьем выходе компаратора, поступает не. счетный вход счетчика 13 блока 8 управления. На выходах

O счетчика 13 формируется кодовая комбинация, отличная от нулевой, которая поступает на дешифратор 11, открывающий элемент или группу элементов И 12 соответственно коду на выходе счетчика 13. На первом шаге весовой коэффициент Р 1. При этом открывается элемент И 12, через который импульсная последовательность с выхода тактового генератора проходит на

вход элемента ИЛИ 15. Таким образом.

в первый такт работы устройства с генератора 10 и блока 8 управления через открытые элементы И 1 и И 3 на входы сложения реверсивных счетчиков поступает импульсная последовательность с частотой 0,5.

На выходе преобразователя 6 коднапряжение формируется уравновешивающий сигнал, пропорциональный коду в счетчике 5. В момент равенства сигналов U{t) и и компаратор 7 снимает разрешающий сигнал на первом выходе и закрывает, таким образом, элементы И 1 и 3.

В реверсивном счетчике 5 и дополнительном реверсивном счетчике 9 сформированы коды и N,2, равные между собой и пропорциональные исследуемому напряжению U(t).

При изменении входного сигнала

л U(t) в любую сторону, вновь срабатывает ксмпаратор 7 и, в зависимости от знака изменения и (t), вырабатывает разрешающий сигнал либо на первом выходе, что соответствует положительному приращению U(t), либо на втором выходе, что соответствует отрицательному приращени -э U(t}. Сигнал на третьем выходе компаратора формируется в каждом случае и поступает на счетный вход счетчика 13, увеличивая

o его содержимое на едницу.и выбирая тем самым очередной весовой коэффициент Р .

В случае отрицательного приращения U(t) срабатывает компаратор 7, который открывает элементы И 2 и И 4. Дешифратор открывает элемент И,соот ветствующий очередному коэффициенту и равный для второго такта работы 0,5. Импульсная последовательность вьлхода тактового генератора 10 с ча тотой fg поступает на вход счетчика 14. На выходах последнего формируют ся частотные дискреты fQ- 2 , fQ 2 .%2-...,%2Л, т.е. fo.0,5,fo,-0,25 fjj 0,125) что дает возможность полу чить любой коэффициент с заданной точностью, т.е. в общем виде значение весового коэффициента на i-том шаге определится в виде: где а. - коэффициенты, равные соот, ветственно 1 для группы от крытых элементов И 12 и О для эакрытых. Так как второй коэффициент равен , 5, открывается один элемент И, через который на выход блока управления проходит импульсная последова тельность с частотой 0,5. Данная частотна я дискрета через открытый элемент И 4 поступает на вычитающий вход дополнительного реверсивного счетчика 9. А на вычитакиций вход основного реверсивно го счетчика 5 поступает частота f , К моменту уравновешивания U(t) напр жением с выхода преобразователя 6 код-напряжение в дополнительном реверсивном счетчике 9 будет зафиксир ван код Nl-Nj-Q5fouT, (3) .где -ЛТ, (,) Подставляя выражение для дт в (3) получим Ni-Ni-0,5(). То есть, в дополнительном реверсивном счетчике зафиксирован код Нг равный среднему арифметическому дву значений сигналов U(t) и i{t . Очевидно/, что к моменту i-ro ура новешивания код Nj в дополнительном реверсивном счетчике 9 равен t4 --N.- кр,-CNJ-N;-), (4) - КОД в дополнительном реверсивном счетчике в (i-1) такт уравнове шивания; i i.1 N4 иК - коды в основном ревер сивном счетчике соответственно в i и ( тактах уравновешивани Р - текущее значение весо вого коэффициента: ...J-I.eUM NJ-NJ- 0 .eCKMNii-N Легко заметить, что выражение (4) тождественно совпадает с (1). Таким образом, устройство вычисляет текущую оценку среднего значения случайного сигнала. Причем скорость вычисления, а также эффективность вычисления Btaae., чем в изветсном устройстве. Указанные преимущества достигаются за счет применения более эффективного оператора текущего сглаживания, который ближе к оптимальному. Формула изобретения 1.Устройство для вычисления текущей оценки среднего значения, содержащее компаратор, первый н второй выходы которого подключены соответственно к первым входам первого и второго элементов и, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами реверсивного счетчика,- выходы которого подключены к входам преобразователя код-напряжение, выход преобразователя код-напряжение соединен с первым входом компаратора, второй вход которого является входом устройства, блок управления и генератор тактовой частоты, отличаю щ.ееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в устройство введены третий и четвертый элементы И и дополнительный реверсивный счетчик, при этом выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с третьим выходом компаратора, первый и второй входы которого подключены соответственно к первьм входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых объединены и соединены с выходом блока управления, выходы третьего и четвертого элементов И соединены соответственно с первым и Вторьзм входами дополнительногсЗ ревер сивного счетчика, выход которого является выходом устройства, вторые г входил первого и второго элементов И объединены и соединены с выходом генератора тактовых импульсов. 2.Устройство по п. 1, отличающееся т&м, что блок управления содержит первый и второй счетчИки, дешифратор, п элементов И,элемент ИЛИ, при этом выходы первого счетчика подключены к соответствующим входам дешифратора, выходы которого .-соединены соответственно с первыми входами элементов и, выходы подклочены к соответствующим входам элемента ИЛИ, выход которого является выходся блока управлення, вход второго счетчика объв-. динен с вторым входом п-го элемента И н является первым входом блока управяения, вьосоды второго счетчика

подключены соответственно к вторым входам (п-1) элементов И, вход первого счетчика является вторым входом блока управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 619924, кл. G 06 F 15/36, 1977.

2.Авторское свидетельство СССР 488213, кл. G 06 F 15/36, 1973 (прототип).