Генератор случайных чисел

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ОЮ (10 Эа 1 С 06 Р 7/58 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЬСТВ овогокий во СССР967.СССР е свидетельст 03 В 29/00, 1 видетельств 6 Р 7/58, 1 видетельств 6 Р 7/58, 1 72. СССР72. СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н АВТОРСНОЬЮ СЕИД(1) Куйбвппевский ордена ТруКрасного Знамени политехничеинститут им. В.В. Куйбышева(54) (57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ,содержащий генератор тактовых импульсов, группу элементов ИЛИ, наборноеполе, датчик равномерно распределенных случайных чисел, схему сравнения, первый счетчик, дешифратор,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения функциональныхвозможностей генератора за счет задания множества законов распределения вероятностей, он содержит дваключа, делитель частоты, второйсчетчик, регистр памяти, элементзадержки, элемейт ИЛИ, формирователь импульса, триггер, К групп элементов И ( К - число задаваемыхзаконов распределения вероятностей)и коммутатор, выход генератора так,товых импульсов соединен с информационным входом первого ключа,управляющий вход которого подключенк первому выходу коммутатора, каждый 1-й ( 1 = 2, К+ 1 ) выход которого соединен с первыми входами элементов И 1 -ой группы ( 1 = 1, Ю ), вторые входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, входы которого объединены с первой группой входов схемы сравнения соответственно и подключены к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, установочный вхоД которого объедннен с первым входом элемента ИЛИ, с водом "Сброс" регистра памяти, с установочным входом делителя частоты и подключен к (К.+2)-му выходу коммутатора, выход первого ключа соединен со счетным входом делителя частоты и с информационным входом второго ключа, управляющий вход которого подключен к единичному выходу триггера, единичный вход которого соединен с установочным входом второго счетчика и подключен к выходу элемента ИЛИ, выход второго ключа соединен со счетным входом второго счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами соответствующих разрядов регистра памяти, выходы разрядов которого являются информационным выходом генератора, выходы. элементов И каждой 1-й группы соединены с 1-й группой входов наборного поля соответственно, каждая 1-я группа выходов которого соединена с входами элементов ИЛИ группы соответственно, выходы элементов ИЛИ группы соединены с входами соответствующих разрядов делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, выход последнего разрядакоторого соединен с входом Аорми 1124294рователя импульсов, выход которогосоединен с синхронизирующнм входомрегистра памяти и с входом элементазадержки, выход которого соединенс вторым входом элемента ИЛИ и свходом "Опрос" датчика равномерно распределенных случайных чисел,выходы разрядов которого соединеныс второй группой входов схемы сравненчя соответственно, выход которой соединен с нулевым входомтриггера.Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системахстатистического моделирования.Известен управляемый генераторфлуктуационных колебаний, содержащий преобразователь кода в напряжение, вход которого через регистрпромежуточной памяти соединен свыходом датчика случайных чисел,подключенного к входному блоку и генератору тактовых импульсов 1 .Однако этот генератор требуетбольших затрат оборудования вследствие использования регистровой памяти и сложен в перестройке. Для по"лучения иного закона распределения мгновенных значений выходногонапряжения необходимо соответствующим образом изменить содержимоерегистров памяти, в которых хранится информация о виде функции распределения.Известен датчик случайных чисел,содержащий генератор равномерно распределенных случайных величин, входкоторого подключен к входу коммутатора и к входу датчика, а выходы -один непосредственно, остальные -через элементы ИЛИ подключены к входам наборного поля, выходы которогосоединены с первыми входами элементов И, выходы элементов И подключены к единичным входам соответствующихтриггеров выходного регистра, нулевыевходы которых через формирователи им-.пульсов соединены с коммутаторомвь 1 ходы которого подключены к вторымвходам элемента И 2 1,Недостатком этого устройства является малое быстродействие, так как.выходное двоичное число формируетсяпоразрядно. Кроме того, заданиетребуемого закона распределенияосуществляется вручную на наборном поле, что обуславливает низкую скорость перестройки датчика и снижаетего функциональные возможности.Известен также датчик случайных 5 чисел, состоящий из генератора равномерно распределенных случайныхчисел, соединенного с цифро-аналоговым запоминающим блоком и входомэлемента И, другой вход которогоподключен к клемме запуска, а выходэлемента И соецинен с входом генератора пилообразного напряжения,выход которого подключен к входуфункционального преобразователя и 15 через второй ключ к входу регистрирующего блока, выход функционального преобразователя соединен с входом интегратора, выход которого подключен к первому входу схемы срав нения, второй вход которой подключен к выходу цифро-аналогового эапоми"нающего блока, а выход - через первый ключ - .к входу пуска генератораравномерно распределенных случайныхчисел и к управляющему входу второгоключа.Однако данный датчик, как и устройство с аналоговой формой представления информации, имеет низкую точ ность выходного результата из-за, влияния на конечный результат параметров схемных элементов, внутреннихи внешних дестабилизирующих факторов. Кроме того, результат на выходедатчика появляется в случайные моменты времени, что позволяет приме"нять это устройство только в системах, работающих в асинхронном режиме.Кроме того недостатком этого устрой ства является трудность перестройкина генерирование случайных сигналов,имеющих иные законы распределения,так как она требует замены блокафункционального преобразователя.45 Жесткая структура датчика делает егоспециализированным устройством,предназначенным для реализации одно-,го закона распределения, что .обуславливает низкие функциональные возможности данного датчика случайныхчисел.Наиболее близким техническим решением к изобретению является генератор случайных чисел, содержащий генератор тактовых импульсов, элемен Оты ИЛИ, наборное поле, датчик равномерно распределенных случайных чисел,схему сравнения, счетчик, дешифратор Е 43.Однако известный генератор не " 15позволяет задать множество законовраспределения вероятностей.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей генератора за счет задания множества законов распределения вероятностей.Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайных чисел,содержащий генератор тактовых импульсов, группу элементов ИЛИ, наборное поле, датчик равномерно распределенных случайных чисел, схему сравнения, первый счетчик, дешифратор, введены два ключа, делитель частоты, второй счетчик, регистр памяти, элемент задержки, элемент ИЛИ, формиро ватель импульса, триггер, К групп элементов И (К - число задаваемых законов распределения вероятностей) и коммутатор, выход генератора так товых импульсов соединен с информационным входом первого ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу коммутатора, каждый 1-й ( =2, К+1) выход которого сое динен с первыми входами элементов И -ой группы ( =.1 К), вторые входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, входы которого объединены с первой группой 45 входов схемы сравнения соответственно и подключены к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, установленный вход которого объединен с первым входом элемента ИЛИ, 50 с входом "Сброс" регистра памяти, с установочным входом делителя частоты и подключен к (К+2)-му выходу коммутатора, выход первого ключа соединен со счетньак входом делителя 55 частоты и с информационным входом второго ключа, управляющий вход которого подключен к единичному выходу триггера, единичный вход которого объединен с установочным входом второго счетчика и подключен к выходу элемента ИЛИ, выход второго ключа соединен со счетным входом второго счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами соответствующих разрядОв регистра памяти, выходы разрядов которого являются информационным выходом генератора, выходы элементов И каждой 1-ой группы соединены с 1"й группой входов наборного поля соответственно, каждая 1-я группа выходов которого соедине 1 на с входами элементов ИЛИ группы соответственно, выходы элементов ИЛИ группы соединены с входами соответствующих разрядов делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, выход последнего разряда которого соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с синхронизирующим входом регистра памяти и с входом .элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с входом "Опрос" датчика равномерно распределенных случайных чисел, выходы разрядов ко" торого соединены с второй группой входов схемы сравнения соответственно, выход которой соединен с нулевым входом триггера.На чертеже приведена блок-схема генератора.Генератор содержит генератор 1 тактовых импульсов, ключи 2 и 3, делитель 4 частоты, счетчик 5, дешифратор 6, схему 7 сравнения, формирователь 8 импульсов, группы 9 элементов И, элементы ИЛИ 10, датчик 11 равномерно. распределенных случайных чисел, триггер 12, счетчик 13, элемент 14 ИЛИ, регистр 15 памяти, элемент 16 задержки, коммутатор 17, наборное поле 18.Формирование случайных чисел с помощью предлагаемого генератора основано на преобразовании равномерно распределенных случайных чисел Я в случайные числа х с заданным законом распределения Ух) , которая сводится к решению относительно х; уравнения Як)дх:р100Е(х. ):),где Е Х) - Функция распределения.Функция Е)х) реализуется на выходах счетчика 5, принцип полученияфункции Р(х)основан на вариациичистоты на входе счетчика 5. Аппроксимация воспроизводимой Функции 10кусочно-линейная, полученная ломанаялиния дискретизируется по принципукусочно-ступенчатой аппроксимации,Делитель 4 частоты с переменнымкоэффициентом деления обеспечиваетнеобходимую частоту для каждого уча 15стка ломаной линии. Значения функции, получаемые на выходе счетчика 5,сравниваются схемой 7 сравнения созначением случайного числа на выходе датчика 11. В момент, когда значение функции и случайное число равны, величина, записанная в счетчике13, равна искомой. Требуемые Функции распределения задаются соот 25ветствующим соединением полного дешифратора 6, управляющих ячеек 9и дизъюнкторов 10. Настройка генератора на Формирование случайных чисел с заданной функцией распределенияосуществляется включением соответствующей группы элементов И 9 путем по 1дачи на нее команды с коммутатора 17и наборным полем.Предлагаемый генератор случайныхчисел работает следующим образом. 35В исходном со):тоянии группы элементов И 9 выключены, ключ 2 разомкнут; сигналом "Сброс" с коммутатора 17, делитель 4 частоты, счетчики 5 и 13, регистр 1.5 устанавливаются в нулевое состояние, триггер 12 устанавливается в такое состояние, когда ключ 3 замкнут, При подаче команды с коммутатора 17 на включение соответствующей группы 9 элементов И производится настройка генератора на Формирование случайных чисел с требуемым законом распределения. По команде "Пуск" замыкается ключ 2 и импульсы с генератора 1 тактовых импупвсов через делитель 4 частоты начинают поступать на вход счетчика 5. По цепи обратной связи через дешифратор 6, включенную группу элементов И 9 и элементы ИЛИ 10 произ водится управление коэффициентом деле ния делителя 4 частоты, обеспечивающим необходимую частоту для каждаго участка аппроксимированнойфункции распределения, которая Формируется на выходах счетчика 5. В момент времени, когда число на выходахсчетчика 5 становится равным случайному числу на выходах датчика 11 равномерно распределенных случайныхчисел с выхода схемы 7 сравненияпоступает сигнал на триггер 12, который перебрасывается и размыкаетключ 3. Число, записанное в счетчик13 является искомым и фиксируетсяв нем. После переполнения счетчика 5сигнал с него поступает на Формирователь 8 импульсов, импульс с которого переписывает число с выходомсчетчика 13 в выходной регистр 15.Импульс, задержанный элементом 16задержки на время установки числав регистре 15, сбрасывает в нулевое состояние счетчик 13, производитсмену числа в датчике 11 равномернораспределенных случайных чисел и устанавливает триггер 12 в состояние,когда ключ 3 замкнут. Аналогично производится Формирование следующихслучайных чисел,Перестройка генератора на Формирование случайных чисел с инымзаконом распределения осуществляется сменой команды с коммутатора 17на включение другой группы элементов И 9,Таким образом, генератор случайных чисел имеет существенные преимущества перед указанным прототипом,заключающиеся в том, что он имеетбольшую точность выходного результата, более широкую область применения, проще перестраиваетсяи обладает более широкими Функциональными возможностями, Цифровая Форма представления информации в предлагаемом устройстве дает возможность получения выходного результата с наперед заданной точностью.Кроме того, этот результат не зависит от параметров схемных элементов, менее чем в прототипе подверженвлиянию внутренних и внешних дестабилизирующих факторов. Числа на выхо"де генератора появляются в определенные моменты времени, что,позволяет применять его в системах с любым(синхронным или асинхронным) режимомработы. Перестройка генератора наФормирование случайных чисел с другим законом распределения осуществляется переключением управляющих.Проекти ячеек по командам с управляющегоблока, тогда как перестройка прототипа требует замены блока функционального преобразователя. Предлагаемый генератор обладает более широкими функциональными возможностями. Так, если прототип являетсяспециализированным устройством, предназначенным для реализации толькоодного закона распределения, точисло последовательностей случайных чисел с различными законами распределения, формируемых предлагаеиюм устройством, определяется числомуправляющих ячеек и ограничевается практически обьемом оборудования. 8Лабораторный макет генератораслучайных чисел, выполненный согласно предлагаемому изобретению, посравнению с базовым имеет следующиепреимущества. он позволяет получитьпять видов случайных сигналов, тогда как базовый генератор формируетлишь дна вида сигналов, следовательно, разработанное устройство обла О дает большими функциональными возмозностями вследствие гибкости своейструктуры;Применение предлагаемого устройства взамен базового позволит полу чить экономию за счет снккения себестоимости устройства и сокрщения затратэлектроэнергии при его эксплуатации .