Устройство для вычисления текущей оценки среднего значения Советский патент 1982 года по МПК G06F17/18 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ТЕКУЩЕЙ ОЦЕНКИ . СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ

.Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для аппаратурного анализа случайных процессов, в системах сбора и обработки информации..

f

Известно устройство для вычисления текущей оценки среднего значения, содержащее аналого-цифровой .преобразователь, арифметический блок, ре-: гистр, реверсивный и двоичный счетчики, запоминающий блок и блок управления иЗ.

Недостатками данного устройства являются большиэ аппаратурные затраты и сложность процесса вычисления средней величины.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для вычисления текущей оценки среднего значения, содержащее пер- . Ый, второй, третий ичетвертый элементы И, выходы которогоподключены к соответствующим входам первого и второго реверсивных счетчиков, преобразователь код-напряжение, выход которого, соединен с входом компаратора, блок управления, генератор тактовой частоты 2.

Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон входного сигнала 0, что обуславливается реализуемым алгоритмом (1) .Установлено (с помощью ЭВМ), что Р - весовые коэффициенты (выбираемых из условия минимального смещения вычисляемого среднего от истинного значения математического ожидания) находятся

to в зависимости от 0, т.е. явлвпотся функцией 0 «f (Оу). Таким образом, набор весовых коэффициентов Р,- удовлетворяет вполне определенному диапазону D входного сигнала Х. Причем

15 данный-диапазон достаточно узкий. При нарушении условия 0 )(I(€ где t - допустимое (с точки зрения смещения вычисляемого среднего от истинного значения) изменение оезко

20 возрастает погрешность вычисления среднего значения Х . С увелич ением 0 возрастает сложность подбора весовых коэффициентов Р.

и, начиная с некоторых значений D, становится не25возможным указанный подбор , что

Р.и определяет недостаток данного уст йства и ограничивает область его применения.

Цель изобретения - расширение диа30пазона исследуемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем что в устройство для вычисления теку щей оценки среднего значения, содержащее компаратор, первый вход которого подключен к выходу преобразователя код-напряжение, входы которого соединены с выходами первого реверсивного счетчика, входы сложения и вычитания Kofoporo подключены соответственно к выходам .первого и второго элементов И, первый вход первого э/ емента И объединен с первым входом третьего элемента И ц соединен с первым выходом компаратора, второй выход которого подключенк первым входам второго и четвертого элементов И, выходы тре,тьего ичетвертого элементов И подключены к входам слог, жения и вычитания второго реверсивного счетчика, выход генератора импульсов соединен с вторым)и входами первого и второго элементов И и с первым входом блока управления, состоящего из первого счетчика, выходы которого подключены к соответствующим входам дешифратора, выходы кото. рого соединены с первыми входами эле ментов И, вторые входы которых/ кро-ме последнего, подключены к соответствующим выходам второго счетчика, второй вход последнего элемента И объединен с входом второго счетчика и является первым входом блока управления, выходы элементов И соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока управления, вход первого счетчика является вторым входом блока управления, выход которого подключен к вторым входам третьего и четвертого -элементов И, введены ключ, запомИнаю111ий элемент н дополнительный элемент И, при этом тактовый вход первого реверсивного счетчика объединен с первым входом ключа, с вторым входом блока управления и подключен к выходу дополнительного элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами.компаратора, второй вход которого подключен к выходу запомиHaiotsero элемента, вход которого соединен с выходом ключа, вход которого является входом устройства.

На чертеже представлена структур,riap схема устройства,

Устройство содержит ключ 1, первый реверсивный счетчик 2, блок 3 управления, дополнительный элемент И 4, , .запоминающий элемент 5, компаратор 6 преобразователь 7 код-напряжение, первый и второй элементы И 8, 9, второй реверсивный счетчик10, третий и четвертый элементы И Г1, 12,- генератор

13тактовой частоты.

Блок управления содержит первый

14и второй 15 счетчики, дешифратор

16, И элементов1 И ,, элемент

или 18, при этом выходы первого счетчика 14 подключены к соответствующим входам дешнфратора 16, выходы которого соединены соответственно с первыми входами элементов И ., выходы которых подключены ко входам элемента ИЛИ 18, выход которого является выходом блока 3 управления. Вход второго счетчика 15 объединен с вторым входом пто элемента И 17 п и является первым входом блока 3 управления. Выходы второго счетчика 15 подключены соответственно к вторым входам (п-1) элементов И .. , вход первого счетчика 14 является вгорый входом блока управления.

Алгоритм, по которому производится вычисление оценки среднего значения случайного процесса, описывается следующим рекурентным соотношением

- X,.,-ь P/s.piXv-x..). (1)

где X. - оценкасреднего значения случайного процесса на (1-1) хакте вычисления X. - значение случайного процесса на I-ом такте;

sie-n--h 0

I-; 1, если о ;

- набор весовых .коэффициентов,

выбираемых из УСЛОВИЯ Минимум (2)

где .- истинное значение математического ожидания.

Дпя случайных процессов с известными законами изменения достаточно легко (с помощью ЭВМ) подбираются весовые коэффициенты Р- , которые обеспечивают выполнение условия (2). Путем моделирования на ЭВМ применительно к алгоритму (1) получен ряд значений Р- для наиболее часто встречающихся законов изменения случайных процессов.. Вычисление оценки среднего значения при использовании весовых коэффициентов Р; (как показали расчеты с помощью ЭВМ) позволяет увеличить точность и скорость вычисленря для больших диапазонов изменения вход:(ного сигнала Х .

Перепишем (1) в виде непрерывной суммы членов ряда , ,

- |/iStrH(x,--x,..,)

Устройство, реализующее данный алгоритм, работает следующим образом.

Исходно реверсивные счетчики 2, 10 находятся в нулевом состоянии, а в счетчике 14 блока 3 управления записана единица. Сигнал на выходе преобразователя 7 код - напряжение равен нулю. В некоторый момент времени производится начальный 3gпуск устройства. При этом ключ 1 открываетсй на время, необходимое для запоминания входного сигнала U(t,j), запоминающим элементом 5, Цепь начального пуска на чертеже условно не показана. При появлении сигнала U)«(t; ) на втором входе компаратора 6 (выполняется условие UyXt;;)- Up на первом выходе формируется сигнал, который открывает элементы 8, 11. Состояние счетчика 14 блока 3 управления анализируется де-п шифратором 16. В общем случае дешифратор 16. открывает элемент или группу элементов flT -17,J в соответствии с кодом,записанным в счетчике 14. На первом шаге весовой коэффициент Р 1. В исходном состоянии дешифратор 16 открывает элемент И 17 п. Импульсная последовательность с выхода тактового генератора 13 поступает на вторые элементы И 8, 9 непосредственно,а на вторые входы Элементов И 11, 12-через элемент ИЛИ 18 и элемент И 17 п. В первьлй цикл работы устройства с«генератора 13 и блока 3 управления через открытые элементы И 8 и 11 на входы сложения реверсивных счетчиков поступает импульсная последовательность с одинаковой частотой f. На выходе преобразователя 7 код - напря жение формируется сигнал, пропорциональный коду в счетчике 2. При равенстве сигналов U() и UOP компаратор 6 снимает разрешающий сигнал с первого выхода и закрывает элементы И 8 и 11. В реверсивных счетчиках 2 и IP сформированы коды 11 и 21, равные между собой и пропорциональные исследуемому сигналу ). В момент равенства сигналов U() и )д„ на первом и втором выходах компаратора 6 устанавливаются равные логические уровни. При, этом срабатывает элемент И 4, на выходе КОТОРОГО формируется сигнал, поступающий на счетный вход счетчика 14 блока 3 управления, увеличивая его содержимое на единицу. Одновременно данным сигналом осуществляется перепись содержимого счетчика 10 в счетчике 2, а также открывается ключ 1. В запоминающем элементе 5 фиксиру ется очередное значение исследуемого сигнала. Если исследуемый сигнал UjjCt j) изменился в любую.из сторон, то вновь срабатывает компаратор 6 и зависимости от знака изменения Ux(t вырабатывает разрешающий сигнал на первом выходе, что соответствует по ложительному приращению U(t{), либо на втором выходе, что -соответствует отрицательному приращению Uj(t). Импульсная последовательность f с выхода тактового генератора 13 дЬступает на вход счётчика 15 блока 3 управления. На выходах последнего формируются частотные дискреты fо 2 f O-Z f . f 9- т f ( Ч Тд- f. , Тр /,..., о fp. 0,25; 0,125,..., что дает возможность формировать любой коэффициент с заданной точностью, т.е . в общем виде значение весового коэффициента на 1-ом шаге определяется в виде . VI,. . где а; - коэффициенты, равные соответственно 1 для группы . открытых элементов И i7f и О - для закрытых. Второй весовой коэффициент Ej равен О,5,при этом дешифратор 16 блока 3 управления открывает элемент 17, , на второй вход которого поступает импульсная последовательность с частотой ffl - 0,5. Если очередное значение исследуемого сигнала меньше предыдущего, to данная частотная дискрета поступает через открытый элемент И 12 на вычитающий вход реверсивного счетчика 10. На вычитающий вход счетчика 2 поступает частота f. В момент уравновешивания ) сигналом с выхода преобразователя код - напряжение 7, в реверсивном счетчике 10 зафиксирован , код г «а- -0,5-fo дт, : (3) где йТ 1/f (. . Подставляя выражение длядТ в (3) получим V )- (4) Из последнего ёыражения видно, что в реверсивном счетчике зафиксирован код N,j.a равный среднему арифметическому двух значений сигналов U)t(t) h ). В момент уравновешивания сигнала UxCt.) сигналом с ПКН7 вновь срабатывает элемент И 4 и импульсы, формируемые На его-выходе, обеспечивают занесение очередной единицы в счетчик 14 блока 3 управления, перепись содержимого счетчика 10 в счетчик 2, а также срабатывание ключа 1, При этом новое значение анализируемого сигнала ) фиксируется в запоминающем элементе 5. К мьменту 2-f-ro уравновешивания код N,j. в реверсивном счетчике 10 описывается выражением N,.-..i)s,- р.ы,..), где Ng(l-l) - код в реверсивном счетчике 10 в (1-1) такт уравновешивания; 4i реверсивном счетчике 2Si -ый такт урав. новешивания, ; Р - текущее значение весо, вого коэффициента, 5tov,, Na5iH) l-i,eCAMN,.,j..,

. В отличие от прототипа в устройстве для вычисления текущей оценки среднего значения используется гшгоритм ( 1) который обеспечивает большую эффективность вычисления с увеличением диапазона изменения исследуеМОго сигнала. Положительный эффект достигается без усложнения узла формирования весовых коэффициентов и практически всего устройства в целом.

Устройство для вычисления текущей оценки среднего значения случайных процессов и сигналов обеспечивает больошй эффект по сравнению с известными устройствами, так как увеличен диапазон изменения входного сигнала без снижения скорости и эффективности вычисления текущей оценки среднего значения. Область применения устройства значительно шире, чем у прототипа.

Формула изобретения

Устройство для вычисления текущей оценки среднего значения, содержащее компаратор, первый вход которого подключен к выходу преобразователя кол-напряжение, входы которого соединены с выходами первого реверсивного счетчика, входы сложения и -вычитания которого подключены соответственно к выходам первого и второго элементов И, первый вход первого элемента И объединен с первым входом третьего элемента Им соединен с первым выходом компаратора, .второй выход которого подключен к первым входам второго и четвертого элементов И, выходы третьего и четвертого элементов И подключены к.входам сложения и вычитания второго реверсивного счетчика,выход генератора импульсов соединен с

вторыми входами первого и второго элементов И и с первым входом блока управления, включающего первый счетчик, выходы которого подключены к соответствующим входам дешифратора, выходы которого соединены с первыми входами элементов И, вторые входы которых, кроме последнего, подключены к срответствующим выходам второго счетчика, второй вход последнего элемента И объединен с входом второго счетчика и является первым входом блока управления, выходы элементов И соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого является, выходом блока управления, вход первого счетчика является вторым входом блока управления, выход которого подключен к вторым входам третьего и четвертого элементов И,отличаю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона исследуемого сигнала, в устройство введены ключ, запоминающий элемент и дополнительный элемент И, при этом тактовый вход первого реверсивного счетчика объединен с первым входом ключа, с вторым входом блока управления и подключен к выходу дополнительного элемента И, первый и второй входы которого соединены |Соответственно с первым и вторым выходами компаратора, второй вход которого подключен к выходу запоминающего элемента, вход которого соединен с выходом ключа, вход которого является входом устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2,Авторское свидетельство СССР по заявке 2895083/18-24

кл. G 06 F 15/36, 1979 (прототип).