Генератор равновероятной двоичной цифры

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическимиРеспублик(22) Заявлено 081231 (21) 3360936/18-24с присоединением заявки Ио(23) ПриоритетОпубликовано 1503,83, Бюллетень М 2 10Дата опубликоваиия описания 15. 03. 83 И 1 М, Кп.з 6 06 Г 7/58 Государственный комитет СССР ио делам изобретений и открытий(71) Заявител Минский радиотехнический институт.54) ГЕНЕРАТОР РАВНОВЕРОЯТНОЙ ДВОИЧНЦИФРЫ ния единицы нае;чительно зависигенератора шума.Известен блок Формирования опорных последовательностей генератораСАМАР, основанный на пересчетенетактированных последовательностейслучайных импульсов на триггере сосчетным входом 2 3Этот блок отличается несколькоменьшими аппаратурными затратами,однако необходимость пересчета помодулю .два входной последовательности случайных нетактированных импульсов снижает быстродействие устройства в целом.Наиболее близким к изобретениюявляется генератор случайной последовательности импульсов; состоящий издвух двухвходовых элементов ИЛИ-НЕ,.интегратора блока согласования, элемента НЕ и генератора тактовых импульсов 3.Недостатками рассмотренного гене ратора случайной последовательностиимпульсов являются сложноать егоаппаратурного построения, которая восновном определяется наличием аналоговых элементов (,интегратора и ЗО блока согласования), а также необИзобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения генераторов случайных чисел при решении задач статистическими методами, а также для построения генераторов слу чаййых процессов с заданными характеристиками, которые широко применяются при испытании эффективности различных алгоритмов для вычислитель ных машин для измерения дальности в радиолокации, для кодирования речи, обнаружения ошибок, идентификации систем, в испытательной и контрольной аппаратуре при выпуске изделий вычислительной техники.Известно устройство для формирования случайного синхронного теле.графного сигнала, содержащее бистабильный мультивибратор, генератор шума, усилитель"-ограничитель, поло- совой фильтр, фазовый инвертор, два регулятора порогового напряжения, два элемента совпадения, генератор тактовых импульсовинвертор и сумматор 1)Это устройство отличается слож" ностью аппаратурного построения. Кроме того, даже при таких затратах оборудования вероятность появле" выходе устройства знат от стабильностиходимость наличия устройств контроля раннонероятности.11 ель и обретения - сокращение объема используемого оборудования, т.е. упрощение генератора.Поставленная цель достигается 5 тем, что генератор ранновероятной двоичной цифры, содержащий генератор тактовых импульсов, первый и второй элементы ИЛИ-НЕ, причем выход первого элемента ИЛИ-НЕ подключен к 10 первому входу второго элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, введены третий и четвертый элементы ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены 15 к вторым входам первого и второго элементов ИЛИ-НЕ соответственно, к первым входам третьего и четвертого элементов ИЛИ-НЕ подключен выход генератора тактовых импульсов, выход второго элемента ИЛИ-НЕ соединенс вторым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к второму гходу четвертого элемента ИЛИ-НЕ.25На фиг. 1 приведена функциональная схема генератора, на фиг. 2 реализация генератора на триггере, на фиг, 3 - временная диаграмма его работы.Генератор состоит из генератора 1 тактоных импульсов, первого 2, второго 3, третьего 4, четвертого 5 днухнходовых элементов ИЛИ-НЕ, причем выход первого элемента 1 ЛИ-НЕ 2 подключен к первому входу второго элемента ИЛИ-НЕ 3, ныход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ 2. Выход генератора 1 тактовых импульсов подключен к первым входам третьего 4 и четвер того 5 элементов.ИЛИ-НЕ, выход третьего элемента ИЛИ-НЕ 4 подключен к вторым входам первого 2 и четвертого 5 элемента ИЛИ-НЕ, а выход четвертого элемента ИЛИ-НЕ 5 подключен к 45 второму входу второго элемента ИЛИ-НЕ 3, выход которого подключен к второму входу третьего элемент; ИЛИ-НЕ 4.Генератор тактовых импульсов состоит из последовательно включенных инверторов сопротивления и емкости,Источником случайности в предлагаемом устройстве является действие внутренних шумов логических элеменсов которые проявляются в форме Флуктуации времен задержек этих элементов. Для многих параметров дискретных элементов и логических элементов может быть принята гипотеза о нормальном законе распределения. Так, в частности, время задержки на логическом элементе есть случайная величина, распределенная по нормальному закону распределения. Причина флуктуаций времен задержки на логическом элементе заключается в дис кретном характере зарядов создающихэлектрический токдробовый эФФект),и тепловом движении этих носителейзарядов тепловой шум ), н измененияхпроводимости под воздействием некоторых случайных факторов (модуляционный шум ) и т.д.фукционирование генератора равновероятной двоичной цифры происходитследующим образом,На выходе генератора 1 тактовыхимпульсов формируется последовательность прямоугольных импульсов,фиг. За), которые поступают на вторые входы третьего 4 и четнертого,5 .элементов ЛИ-НЕ. В первоначальныймомент на, выходе генератора 1 генерируется нысокий уровень эквивалентный логической единице (фиг. За).На выходах элементов 4 и 5 фиксируется значение логического нуля,которое сохраняет предыдущеесостояние к 5-триггера состоящего изэлементов 2 и 3, Предположим, чтона выходе В 5-триггера зафиксировано значение нуля, соответственнона нулевом выходе выходе элемента 3 ) фиксируется значение логической единицы фиг. Зб). В момент времени1 когда на выходе генера"тора 1 тактовых импульсов появляется уровень логического нуля, навыходе элемента 2 и соответствен 4но элемента 3 генерируется некоторый колебательный процесс, Среднийпериод следования импульсов в выходном колебательном процессе и максимальная и минимальная амплитуды импульсов в сильной степени зависятот задержки сигнала на каждом логическом элементе. Период следованияимпульсов в такой последовательностиесть величина случайная, минимальноезначение которой для данного случая,для случая, когда последовательновключено три транзисторно-транзисторных логических элемента )составляет0,1-0,3 мкс. Кроме того, в силу влияния внутренних случайных факторовстабильность периода импульсов в выходном колебательном процессе непревышает 20. Таким образом, начиная с момента временина выхо 1де элемента 3 1,фиг. Зб) генерируется колебательный процесс со случайной длительностью периода. При появлении на выходе генератора 1 тактовых импульсов высокого уровня, соотнетствующего логической единице(момент времени с ) колебательныйпроцесс прекращается, и выходнойЙ 5-триггер устанавливается в одноиз днух устойчивых состояний. Состояние, в которое устанавливается85-триггер, определяется сигналамина выходах элементов 4 и 5 в моментвремени 2которые однозначно определяются автоколебаниями со случайным периодом, поэтому в общемслучае Й 5-триггер равновероятно устанавливается или в нулевое, или вединичное состояние. На Фиг. Збпоказана конкретная реализация навыходе Элемента ИЛИ-НЕ 3, а на Фиг.Зв - осциллограмма на выходе устроЯства,Приведенное описание работы устройства было проверено для случая,когда период следования тактовых 0импульсов является величиной постоянной.Однако на практике это требование всегда не .выполняется, Дажекварцевые генераторы характеризуются нестабильностью периода выходной импульсной последовательности.Нестабильность входной импульснойпоследовательности вносит еще большую нестабильность в получение навыходе генератора равномерной двоич Оной цифры: нуля или единицы. Соотношение между периодом автоколебаний Т и периодом тактовых импульсов Т должно иметь вид Т 50 Тсчто объясняется малой велйчиной 25случайных Флюктуаций задержек налогическом элементе.Преимушества генератора равновероятной двоичной цифры заключаются вследующем. Рассмотренный генераторреализуется при минимальном количестве элементов, причем в данном случае отсутствуют аналоговые элементы,которые характерны для всех известных генераторов равновероятной двоичной цифры, в том числе и для прототипа. Для реализации предлагаемогогенератора, необходимо лишь четыреэлемента ИЛИ-НЕ, в то время как дляреализации прототипа необходимо дваэлемента ИЛИ-НЕ, инвертор,интегратор и согласующее устройство. В рядеслучаев предлагаемый генератор равновероятной двоичной цифры можетбыть реализован на однотактномЙ-;григгере б фиг. 2), для чего могут быть использованы интегральныесхемы К 155 ТМ 5 или К 155 ТМ 7. В этомслучае на реализацию генератора равновероятной двоичной цифры требует,ся только 1/4 корпуса ИС. К 155 ТМ 5 5 Оили К 155 ТМ 7. В сравнении с базовым объектом- блоком формирования опорных последо. вательностей генератора 6 ЕНАРпредложенное устройство отличается существенной простотой анпаратурной реализации и кроме того, более высокой надежностью функционирования.Подобный генератор равновероятной двоичной цифры целесообразно использовать для построения генераторов роидомизированных псевдослучай- ныХ чисел, где необходим источйик равновероятной двоичной цифры, не отличающийся высоким требованием к равновероятности выходных последовательностейФормула изобретениягенератор равновероятной двоичной цифры, содержащий генератор так-. товых импульсов, первый и второй элементы ИЛИ-НЕ, причем выход первого элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому вхОду второго элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к:первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения генератора, он содержит третий и .четвертый элементы ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены к вторым входам первого ивторого элементов ИЛИ-НЕ соответственно, к первым входам третьего и четвертого элементов ИЛИ-НЕ подключен выход генератора тактовых импульсов, выход второго элемента ИЛИ-НЕ соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к второму входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 834855, кл. Н 03 К 3/84, 1981.2. Яковлев В.Б., федоров Р.Ф.Вероятностные вычислительные машины.Л., "Машиностроение", 1974, с. 228.3. Авторское свидетельство СССРР 688905, кл. С 06 Г 1/02,С 07 С 15/00, 1979 (прототип).1005044 Составитель А.Карасоведактор Л.Алексеенко Техред Ж.КастелевиЧ Корректор М.Демчи аказ е Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, Ул. Проектная, 4 900(64 Тираж ВНИИПИ Государстве по делам нзобрет 113035, Москва, Ж