Устройство для определения характеристик случайных процессов Советский патент 1982 года по МПК G06F17/18 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК Изобретение относится к области вы- числительной и измерительной техники и может найти применение при определении характертстик стационарного эргодияеского процесса. Известно устройство, содержащее вхо ное устройство, квадратор, усредняющее устройство и показывающее или регистрирующее устройство {,i. Данное устройство не может обеспечить высокой точности определения среднекаадратического значения случайного процесса, так как операция извлечения квадратного корня производится в нем , с помощью градуировки шкапы. Наиболее близким по своей технической сущности « предлагаемому является устройство, содержащее центрирующую схему, двухполупериодный выпрямитель, диодно-регенеративный компаратор генератор линейного напряжения, генератор управляемой частоты, два триггера, два элемента И, задатчик времени измерения, тактовый генератор, счетчик и СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ KHonicy, Устройство позволяет измерять дисперсию стационарного эргодического процесса X (t) в соответствии с выражениемЦТ.), (1) 1 где П - число отдельных выборок; Т - период квантования по времени исходного процесса X(t) 2j. Недостатком данного устройства является невозможность измерения им среднеквадратического отклонения случайного сигнала, что сужает его функциональные возможности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения среднеквадратического отклонения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения характеристик случайных процессов, содержащее центрирующий фильтр, вход которого является входом задания стационарного 393 эргодического процесса, вход задания центрированного процесса соединен с выходом центрирующего фильтра и входом двухпопупериодного выпрямителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого соединен с первым входом первого триггера, выход ко торого подключен к первому входу первого элемента И и через генератор линейного напряжения подключен ко второму входу компаратора, выход первого элемента И соединен с информационным входом первого счетчика, выход второго элемента И подключен ко второму входу первого триггера и ко входу счетчика времени измерения, выход которого соединен с первым входом второго триггера, пус- ковой вход устройства соединен со вторым влодом второго триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, нведены генератор импульсов; второй счетчик, две группы элементов И, формироватеиь импульса установки, четьфе эле мента ИЛИ, третий и четвертый элементы И, третий и четвертый триггеры, элемент задержки и три переключателя, причем переключающий контакт первого переключателя подключен к выходу второго элемента И и установочному входу первого счетчика, размыкающий контакт первого переключателя соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, а замыкающий контакт первого переключателя подключен к первсяиу входу третьего триггера, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй которого соединен с выходом переноса первого счетчика, выходы старщих разрядов которого подключены к; управляющим входам элементов И первой группы, информационные входы которых соединены с выходами младших разрядов первого счетчика ) -ьтй (где П - рдз рядность счетчика), выход которого подключен к одному входу второго элемента ИЛИ, другие входы которого соединены с выходами элементов И первой группы, выход второго элемента ИЛИ подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом третьего триггера, а выход подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с замыкающим контактом второго переключателя, . переключающий контакт которого через элемент задержки соединен с выходом четвертого элемента И, первый вхоа ко3торого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ и информационному входу второго счетчика и первому входу четвер того триггера, выход которого соединен со вторым входом четвертого элемента I второй вход четвертого триггера подключей к выходу четвертого элемента .ИЛИ, один вход которого соединен с ) -ым выходом (где tl - разрядность стетчика) второго счетчика, выходы старших разрядов которюго подключены к управляющим входам элементов И второй группы, выходы которых соединены с другими входами четвертого элемента ИЛИ, информационные входы элементов И второй группы подключены к выходам младших разрядов второго счетчика, один установочный вход которого соединен с размыкаюшим контактом третьего переключателя, другие установочные входы подключены к выходам формирователя импульса установки, вход которого подключен к замыкающему контакту третьего перекшочателя, переключающий контакт которого соединен со вторым входом второго триггера, выход генератора подключен ко второму входу первого элемента И. На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит центрирующий фильтр 1, двухполупериодный выпрямите л 2, диодно-регенеративный компаратор 3, генератор 4 линейного напряжения, генератор 5 импульсов, тактовый генератор 6, триггер 7, элемент И 8, счетчик 9 времени измерения, триггер Ю, элемент И 11, кнопку 12, счетчики 13 и 14, группы 15 и 16 элементов И, элементы ИЛИ 17-2О, триггеры 21 и 22, элементы 23 и 24, элемент 25 задержки, формирователь 26 импульса установки и переключате/ш 27-29.Устройство работает следующим об- разом. Измерение дисперсии DX производится в соответствии с выражением (1). При этом переключатели 27-29 находятся в положении, указанном на чертеже. Обрабатываемое напряжение (J xi)j делирующее стационарный эргодический процесс X (t| подается через центрирующий фильтр 1 на вход двухполупериодного выпрямителя 2 (если исходный сигнал-процесс центрирован, то он через вход 2 подается непосредственно на вход выпрямителя 2). Выход выпрямителя 2 подключен к первому входу диод но регенеративного компаратора 3, на вто- 5 рой вход которого подается линейно ме няющееся напряжение Y, « k t и выхода генератора 4, управляемого триггера 1 Процесс определения D х начинается с момента нажатия пусковой кнопки 12 переводящей триггер 7 в единичное состояние, при котором импульсы тактового генератора 6 с периодом следованияТд const поступают на счетчик 9 времени измерения Т ,3 цТд и на установочный вход триггера 10. В нулевое, состояние триггер 10 возвращается в ходным импульсом компаратора 3, появляющимся в каждый такт при достижении равенства jVx (t) | -V/ i. При этом обеспечивается формирование на выходе триггера 10 прямоугольных импульсов длительностью t , связанной с текущим значением преобразуемого напряжения V)((i) зависимостью 4(Tobk,V,(4To)) Импульсы генератора 5, частота сле дования которых i con5tj через элемент И 11, управляемый выходными импульсами триггера 10, поступают на вход счетчика 13. Чиспо импугаьсов, поступивших на вход счетчика 13 за очередной такт Т Q работы схемы, равно Ml ) Nj-jM ir.)(ЗК Окончательно с учетом соотношения (2) число N опредепиется зависимость N;4,-k,-V,(T,) ,(.T) (4) В режиме измерения дисперсии счетчик 14 после нажатия пусковой кнопки 12 устанавливается в нулевое состояние, а-счетчик 13 устанавливается в нулевое положение в начале каждого такта работы устройства. Кроме того, триггер 21 устанавливается в единичное состояние в начале первого такта рабо1Ъ1 устройства. Управляющие входы элементов И группы 15 соединены с единичными выходами старших разрядов счетчика 13, а остальные входы подключены к выходам младших разрядов счетчика 13. Таким образом, частота импульсов на выходе элемента ИЛИ 18 определяется числом N(i) содержащимся в счетчике 13 и накапливающимся в процессе работы устройства, и частотой i г , поступающей на вход счетчика 13 036 где М, - коэффициент пересчета счетадка 13. Импульсы с частотой следования f (i) через элемент ИЛИ 19 поступают на вход счетчика 14 и подсчитываются им. Частоты f р и i (t) поступающие на входы счетчиков 13 и 14, связаны с числами N(1) и Nj {iLcoдepжaщимиcя в этих счетчиках, уравнениями: jNat). . ,,, cJNilt) (6) Подставляя значения чйстот i - и(-ЬУ из . выражений (6) в уравнение (5) и произведя соответствующие преобразования, получим: dN2K),(tWNat)(7) Число, которое будет содержаться в счетчике 14 после поступления на вход счетчика 13 N импульсов, т.е. после первого такта работы устройства, опре- деляется следующим образом. Проинтегрировав выражение (7) с учетом пределов изменения переменных, получаем: Nj jdNi(i) )dN,(il (8) где Np - результат, зафиксированный в счетчике 14 после окончания первого такта работы устройства. Из уравнения (8) iследует зависимость --1-N|2 Р 2N,, N, ° окончания п устройства число Мрп,зафиксированное в счетчике 14, равно .,2 рпн;:;;; (10) С учетом выражения (4), имеем п N n bvJUT l K tv UT l (11) т 4-1л Значение оценки дисперсии определя- . ется путем деления числа Npn на время .Эта операция при соответствующем подборе числа сводится к простому переносу . запятой в общем отсчете. Измерение среднеквадратического отклонения С X производится в- соответствии с выражением u,. ..)(i2) При этом переключатели 27-29 находятся в положении, противоположном изображенному. Число импульсов поступающее на вход счетчика 13, в каждом такте работы устройства так же как и в режиме измерения дисперсии определяется выражением (4); В начале каждого такта работы уст(ройства триггер 21. и счетчик 13 устанавливаются в нулевое состояние а в счетчик 14 после нажатия кнопки 12 записывается число N,j(О).Счетчик 13 осу ществляет подсчет входных импульсов. При достижении числа в счетчике 13 величины М (о) на промежуточном выходе этого счетчика появляется сигнал, устанавпиваюший триггер 21 в единичное состояние. Элемент И 23 при этом открывается и импупьсы с выхода элемента ИЛИ 18 поступают на первый вход элемента ИЛИ 19. Частота импульсов на выходе элемента ИЛИ 18, как и в режиме измерения дисперсии, определяется вы ражением (5). В режиме определения среднеквадратического отклонения О в работу устройства включаются группа 16 элементов И, элемент ИЛИ 20 и схема вычитания, состоящая из триггера 22, элемента И 24 и элемента 25 задержки. Частота импульсов на выходе элемента ИЛИ 19 определяется суммой частот импульсов на ее входах i iihiiWH ii).(13) где 1 а (t) - частота импульсов на выходе элемента И 24. Управляющие входы элементов И груп пы 16 соединены с единичными выходами старших разрядов счетчика 14, а сигналь ные входы подключены к выходам младших разрядов счетчика 14. Таким образо частота импульсов на выходе элемента ИЛИ 2О определяется числом N(1), содержащимся в счетчике 14 и изменяющимс:я в процессе работы устройства, и частотой 12 U), поступающей на вход счет i4.4i) ltl --f-i i b (14) где Nfn,- коэффициент пересчета счетчика 14. Частота импульсов на выходе схемы вычитания определяется разностью частот импульсов на ее входах 93 38 ijW iiW-i ltl(15) Из выражений (13), (14) и (15) слеует зависимость i. Подставляя /в уравнение (16) значе- ие частоты ) из выражения (5)имем , ,,, NUi N;(i) N,,. Г- Nr-- п тт. Частота { связана с числом N.,(t)aaисимостью (6), а частота f j (t) связана числом Nj (Ч уравнением ) К Подставляя значение частот :f з выражений (6) и (18) соответствено в уравнение (17) и произведя очевидые преобразования, получим H;wdN;ii)«,itidN,w (19) Nm Определим число, которое содержится, в счетчике 14 после поступления на вход счетчика 13 N импульсов, т.е. после первого такта работы устройства в режиме определения среднеквадратического отклонения. Для этого проинтегрируем выражение (19) с учетом пределов изменения переменных N JN;it)dNiHi - 1 Nat)dN,(i), (20) (ni где Np - результат, зафиксированный в счетчике 14 после окончания первого такта работы устройства. Из уравнения (20) следует зависимостьi гптг зТ ) (o) J (21) В общем случае, после окончания П тактов работы устройства число N р, зафиксированное в счетчике 14, равно ,.4N;-nN,(o) (22) При выборе начальных состояний счетчиков 13 и 1.4 согласно уравнения .N.lof Nm j уравнение (22) примет вид: С учетом выражения (4), имеем uт,ьk;;{ v l т,) . Значение оценки среднеквадратического отклонения определяется путем деления числа VIpn на величину-friTp. Эта операция при соответствующем подборе числа П также сводится к переносу . запятой в общем отсчете. Технико-экономическая эффективность от внедрения предлагаемого устройства обусловлена расширением его функциональ ных возможностей при незначитегаьном усложнении. Определение среднеквадратического отклонения стационарного эргодического процесса с п 4ощью устройства прототипа требует его применения в сочетании с устройством извлечения квадратного корня, что приводит к его значительному усложнению. Кроме того, в этом случае операция извлечения квадратного корня будет происходить со сдвигом во времени по отношению к процессу определения дисперсии, что увеличивает время, необходимое для получения результата. В предлагаемом устройстве операция определения квадратного корня совмещена во времени с процессом получения измерительной инфоралации. Формула изобретения Устройство для определения характеристик случайных процессов, содержащее центрирующий фильтр, вход которого явля ется входом задания стационарного эргодического процесса, вход задания центри рованного процесса соединен с выходом центрирующего фильтра и входом двухполупериодного выпрямителя, выход которо го подключен к первому входу компарато ра, выход которого соединен с первым входом первого триггера, выход которого подключен к первому входу первого элемента И и через генератор линейного на пряжения подключен к второму входу ком паратора, выход первого элемента- И сое 9 3 динен с информационным входом первого счетчика, выход второго элемента И подключен к второму входу первого триггера и к входу счетчика времени измерения, выход которого соединен с первым входом второго триггера, пусковой вход устройства соединен с вторым входом второго триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения среднеквадратического отклонения, оно содержит генератор импульсов, второй счетчик, две группы элементов И, формирователь импульса установки, четы- ре элемента ИЛИ, третий и четвертый элементы И, третий и четвертый триггеры, элемент задержки .и три переключателя, причем переключающий контакт первого переключателя подключен к выходу второго элемента И и установочному входу первого счетчика, размыкающий контакт первого переключателя соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, замыкающий контакт первого переключателя подключен к первому входу третьего триггера, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом переноса первого счетчика, выходы старших разрядов которого подключены к управляющим входам элементов И первой группы, информационною входы которых соединены с выходами младших разрядов первого счетчика -ый (где п - разрядность счетчика), выход которого подключен к одному входу второго элемента ИЛИ, другие входы которого соединены с выходами элементов И первой группы, И51Ход второго элемента ИЛИ подключен . к первому входу третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом третьего триггера, а выход подкгаочен к первому входу третьего элемента ИЛИ, второй вход которюго соединен с замыкающим контактом второго переюиочателя, переключающий контакт которого через элемент задержки соединен с выходом четвертого элемента И, первый вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, информационному входу второго счетчика и первому входу четвертого триггера, выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, второй вход четвертого триггера подключен к ылходу четвертого- элемента ИЛИ, один вход которого соединен с (Оу)-ым выходом (где п - разрядность счетчика) второго счетчика, выходы ста ших разрядов которого подкшочены к управляющим входам элементов И второй группы, выходы которых соединены с другими входами четвертого элемента ИЛИ, информационные входы элементов И второй группы подключены к выходам младших разрядов второго счетчика,один установочный вход которого соединен с размыкающим контактом третьего переключателя, друугне установочные входы подключены к выходам формирователя импульса установки, вход которого подключен к замыкающему контакту третье ГО переключателя, переключающий контакт которого соединен с вторым входом второго триггера, выход генератора импульсов подключен к второму входу первого элемента И. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Мирский Г. Н. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М., Энергия, 1972, с. 92. 2.Карпов Р. Г., Матюхин Ю. Д. и Мещерский В. Н. Цифровой измеритель дисперсии низкочастотных случайных сигналов. Изв. вузов СССР. Приборостроение, 1975, № 4, с. 2О.

)

enodt