Анализатор выбросов случайных процессов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических РеспубликК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Зависимое от авт. свидетельстваЗаявлено 27.И 1.1970 ( 1466935:8с присоединением заявки1. Кл. С 06 д 7/5 Комитет по делам зобретений и открытий при Совете Министров СССРАвторизобретения В, А. Добрыденьаинский заочный политехнический институт аявитель НАЛИЗАТОР ВЫБРОСОВ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ 2 Предлагаемое устройство относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенной для статистического исследования систем управления и случайных процессов, точнее для изучения выбросов слу чайного процесса и его производной за некоторую функцию (в частном случае - за фиксированный уровень) .Характеристики выбросов случайных процессов находят применение в теории надежно сти, теории передачи информации, автоматического контроля и управления.Среди величин, характеризующих выбросы, наиболее важными в практическом и теоретическом отношениях являются: интервал вре мени между моментом пересечения случайным процессом заданного уровня, выхода за этот уровень, входа под заданный уровень, пересечения (выхода, входа) заданного уровня производной случайного процесса; интервал вре мени между моментами пересечения исследуемым процессом функции некоторой заданной функции, выхода (входа) исследуемого процесса за (под) заданную функцию; площадь между кривой исследуемого процесса и кри вой заданной функции за время интервалов, указанных выше (например, площадь выброса и т. д.) .Наиболее полными характеристиками перечисленных случайных величин являются функ ция или плотность распределения вероятности.Экспериментальные работы по определению этих характеристик проводятся либо обработкой вручную осциллограмм случайных процессов, либо с помощью специально приспособленных анализаторов.Первый способ трудоемкий, непроизводительный и неточный. Использование же многоканальных анализаторов, являющихся чрезвычайно сложными приборами, требует разработки специальных входных преобразующих и согласующих устройств, резко снижающих точность получаемых результатов.Известны также схемы для определенияплотности распределения амплитуд случайных процессов и их производных, применение которых для получения всех перечисленных выше характеристик выбросов не всегда возможно.Цель изобретения - сокращение времени иповышение точности определения плотности распределения перечисленных характеризующих выбросы случайных процессов величин, а также упрощение работы с устройством и получение результатов в цифровой форме при относительно простой схеме.Это достигается путем соединения известныхэлементов, позволяющего автоматизировать получение характеристик выбросов без излишних промежуточных преобразований,Блок-схема предложенного устройства показана на чертеже.Она содержит коммутаторы 1 4; вычитающее устройство 5; генератор б функций; источник 7 опорного напряжения; генератор 8 стабильной частоты; формирователь 9 модулявходного напряжения; схемы 10 и 11 сравнения; логические элементы ИЛИ 12, 13 и 14;ключи 15 - 22; триггеры 23 - 26; логическиеэлементы НЕ 27, 28 и 29; элемент 30 задержки импульсов; селектор 31 импульсов; логические элементы И 32 - 35; счетчики Зб и37 импульсов; блок 38 памяти; сумматор 39;блок 40 управления; дифференцирующес устройство 41; генератор 42 пусковых импульсов,преобразователь 43 напряжения в частоту.Коммутаторы 1 - 4 выполнены так, что позволяют соединять любой из своих входов(только один одновременно) со своим выходом.Генератор 6 функций при отсутствии высокого потенциала на входе поддерживает навыходе постоянное заданное напряжение, а смомента подачи на вход высокого потенциалагенерирует на выходе заданную функцию времени (возможно - случайную).Источник 7 опорного напряжения поддерживает на выходе постоянное регулируемое напряжение Ь. Стабильную частоту генератора 8можно регулировать. Напряжение на выходеформирователя 9 всегда равно модулю (абсолютному значению) входного напряжения,Схема 10 сравнения генерирует импульс напервом выходе при выходе сигнала с выходакоммутатора 2 за уровень К поступающий свыхода источника 7, и импульс на втором выходе при входе сигнала с выхода коммутатора 2 под уровень о. Схема 10 сравнения работает аналогично схеме 11 с тем отличием, чтоу последней 6 = О, т. е, импульс на первомвыходе появляется в момент выхода входногосигнала за нуль, а на втором - в момент входа его под нуль,Ключи 15, 17 и 18 пропускают импульс, поступающий на рабочий вход, только при наличии высокого потенциала на двух управляющих входах одновременно.Элемент 30 задержки импульсов имеет регулируемое время задержки. Селектор 31 импульсов пропускает на выход каждый -й импульс, поступивший на вход, причем значениеможет регулироваться ( = 1, 2 г). Этотселектор может быть выполнен, например, ввиде двоичного счетчика импульсов с регулируемым коэффициентом пересчета.Счетчики Зб и 37 импульсов имеют помимосчетного сбросовый вход, импульс на которомустанавливает счетчик в исходное (не обязательно нулевое) состояние. Кроме того, счетчики снабжены цифровыми индикаторами,указывающими их содержимое.Логические элементы И выполнены коммутируемыми так, что каждый из их входов,число которых равно числу разрядов соответствующего счетчика (или сумматора), может быть соединен либо с единичным, либо с нулевым выходом триггера соответствующего этому входу разряда. Таким образом должной коммутацией можно обеспечить появление вы 5 сокого потенциала на выходе элемента И32, 33 и 34 (срабатывание элемента) при любом наперед заданном состоянии счетчика 36, 37 или, соответственно, сумматора 39.Блок 38 памяти может быть изготовлен на 10 ферритовых сердечниках. Его работой управляет блок 40, формирующий после поступления импульса на его вход три сдвинутых во времени выходных управляющих импульса (по одному на каждый выход). Первый импульс - 15 импульс чтения, формируемый на первой выходной шине, соединенной с входом чтения блока 38 памяти, побуждает этот блок передать содержимое ячейки, адресом (номером) которой служит число, зафиксированное в это 20 время на счетчике Зб, в сумматор 39. Второйимпульс - импульс сложения - формируется на втором выходе блока 40 управления и поступает на рабочие входы ключей 20 и 21, а также на счетный вход счетчика 37. Третий 25 управляющий импульс - импульс записи ипродолжения - формируется на третьем выходе, соединенном с входом записи блока 38 памяти и с рабочим входом ключа 22. Этот импульс побуждает блок памяти поместить в З 0 ячейку, адресом которой служит число насчетчике Зб, содержимое сумматора 39 (возможно, увеличенное на единицу предыдущим импульсом сложения).Генератор 42 пусковых импульсов может 35 быть выполнен, например, в виде кнопки сформирователем импульсов, так что после каждого нажатия кнопки генератор формирует на выходе один запускающий импульс. Преобразователь 43 напряжения в частоту им пульсов имеет линейную, выходящую из начала координат, характеристику.Схема работает следующим образом.Рассмотрим сначала режим получения плотности распределения длительности выброса 4 случайного процесса за фиксированный заданный уровень. Процесс в форме напряжения подается на входы коммутаторов 1 и 2 и на вход дифференцирующего устройства 41. С помощью коммутатора 1 вход вычитающего 50 устройства 5 соединяют с входной шиной схемы (т. е. на вход элемента 5 поступает исследуемый процесс), рабочий вход ключа 15 с помощью коммутатора 4 - с первым выходом схемы 11 сравнения, с помощью коммутатора 55 3 рабочий вход ключа 17 - с выходом генератора 8, частота которого устанавливается в соответствии с требуемой разрешающей способностью.Элементы И 32, 33 и 34 коммутируют та ким образом, чтобы они сработали соответственно: при превышении длительности выброса некоторой заданной величины (если число импульсов с выхода генератора 8 в течение выброса достигнет числа М используемых в эксперименте ячеек блока 38 памяти), при пере 34776510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 полнении сумматора 39 (когда в процессе эксперимента число выбросов длительностью, соответствующей ггг-й ячейке памяти, превосходит ее емкость И), при достижении содержимым счетчика 37, подсчитывающего количество проанализированных выбросов, заданного числа К, На выходе генератора б функций устанавливают напряжение заданного уровня, выбросы за который исследуются (в данном режиме этот уровень не зависит от потенциала на управляющем входе генератора функций). Селектор 31 импульсов в этом режиме настраивают так, чтобы он пропускал на выход каждый входной импульс. Ячейки памяти блока 38 памяти очищены.После включения схемы триггеры 23 и 24находятся в единичном исходном состоянии, т, е, ключи 15, 16 и 17 закрыты.Схема запускается в работу импульсом свыхода генератора 42 пусковых импульсов, Этот импульс, поступая на сбросовый вход счетчика 37, устанавливает его в нулевое состояние, а триггеры 24 и 25 - в единичное.Таким образом, на всех трех входах логического элемента И 35 присутствует высокий потенциал и, следовательно, ключ 22 открыт (если элемент И 33 не настроен на срабатывание при нулевом содержимом счетчика 37, что не имеет смысла практически). Далее пусковой импульс пооходит через элемент ИЛИ 14 и элемент 30 задержки, сбрасывает в исходное состояние счетчик 36 (ключ 19 открыт) и устанавливает триггер 26 в нулевое состояние, т. е. открывает ключ 15.Исследуемый процесс поступает через коммутатор 1 на вход вычитаютцего устройства, где из него вычитается сигцал а, а разность попадает на вход схемы П сравнения. В момент выхода исследуемого сигнала за залацный уровень сигнал разности выходит за цуль, т, е. в этот момент возникает импульс на пецвом выходе схемы 11 сравнения, соединенном через коммутатор 4 с рабочим входом открьттого ключа 15. Этот импульс устанавливает триггер 23 в нулевое состояние, при этом ключ 17 открывается (ключ 18 все равно закрыт по второму вхолу), и импульсы стабильной частоты с выхода генератора 8 начинают поступать чецез коммутатор 3 на счетный вход счетчика Зб импульсов, Кроме того, открывается ключ 16.Если счетчик 36 не заполняется ло установленного числа М, схема остается в этом состоянии ло момента возникновения ттмпнльсв на выходе логического элемента ИЛИ 12, т. е. до наступления очередного пересечеттттч.причем, поскольку известно, что прельтлнтсс пересечение было выходом, этот импульс фиксирует момент окончания выброса. Импульс проходит через открытый ключ 16 и селектоц 31, устанавливая в единичное состояние триггеры 23 и 26. Кроме того, этот же импульс поступает на вход блока 40 управления.В результате работы блока управления содержимое ячейки блока 38 памяти, номер которой равен числу пг, зарегистрированному к моменту окончания выброса счетчиком 36, увеличивается на единицу, (Ключ 20 закрыт, ключ 21 открыт). Единица добавляется также к содержимому счетчика 37,Импульс продолжения с выхода блока 40 управления поступает через открытый ключ 22, элемент ИЛИ 14 и элемент 30 задержки на сбросовый вход счетчика Зб п на нулевой вход триггера 26, т. е. действует аналогично пусковому импульсу с тем отличием, что содержимое счетчика 37 не изменяется.Если в процессе работы устройства не происходит переполнения счетчика Зб или сумматора 39, после анализа К выбросов на счетчике 37 оказывается зафиксированцым число К, при этом срабатывает элемент И 33, ключ 22 закрывается ц очередной импульс продолжения не проходит на триггер 26, т. е. схема останавливается в этом состоянии.Единичное состояние всех триггеров и высокий потенциал на выходе элемента И 33 служит признаком окончания работы устройства.Если же при анализе некоторого выброса число импульсов, поступивших на счетчик 36, достигает величины М, срабатывает элемент И 32, благодаря чему ключ 17 закрывается, а ключ 18 открывается, Когда ло поступления следующего импульса с выхода коммутатора 3 выброс оканчивается, т. е. поступает ттмпульс с выхода элемента ИЛИ 12, опрокидывающий триггеры 23 и 26, закоывая тем самым ц ключ 18, схема работает как описано выше. Если же при заполценном ло М счетчике Зб до окончания выброса с выхода котмутатора 3 успевает постутцгп хотя бы олин ттмпльс, первый же цз ттттх проходит через ключ 18 и устанавливает триггср 24 в нулевое состояцттс. Прц этом снимается высокий потетщиал с входа элемента И 35, т. е. ключ 22 закрывается. Послелующце импульсы с выхода коммутатора 3, если они появляются ло окончания выброса, не меняют состояния схемы. По окончании выброса закрывается ц ключ 18 (опрокидываются триггеры 23 и 26), в результате работы блока управления добавляется единица в ячейку памяти с номером М, и схема останавливается, так как импульс поодолженйя не проходит через закрытый ключ 22.Нулевое состояние триггера 24 и единичное состояние остальных триггеров схемы служит признаком переполнения счетчика 36, т. е. недостаточности лля ланного экспсримецта используемого числа ячеек блока памяти. Цифровои индикатор счетчика 37 указывает цомервыброса, при анализе которого наступило пе-рсполнецие счетчика Зб,Прц залаццц большого зцачецця К ло окончания работы схемы могут переполняться некоторые ячейки блока памяти, что приводит к искажению рсзультатов. Это искажение предупреждается слслующцм образом.Когда в очсрелцом ццкле после увсличеция на сумматоре 39 солсржимого т-тт ячейки па347765 мяти на единицу оно становится равным заданному числу Л, срабатывает элемент И 34, открывая ключ 20 и закрывая ключ 21, но Ев этом цикле переполнение еще не наступау ет, сли до окончания работы схемы необходимость добавить единицу в т-ю ячейку не возникает, схема работает как описано выше. В противном случае импульс сложения поступает вместо сумматора 39 (ключ 21 закрыт) на нулевой вход триггера 25, закрывая тем самым ключи 19 и 22, благодаря чему импульс продолжения не проходит на триггер 2 б и не сбрасывает счетчик Зб, схема останавливается.Цифровые индикаторы счетчиков Зб и 37 указывают номер переполнившейся ячейки памяти и номер выброса, при анализе которого произошло переполнение.Сочетание нулевого состояния триггера 25 и единичного состояния остальных триггеров схемы служит признаком переполнения ячейки памяти.После очистки памяти (например. ппи вь 1 вол чянньтх 1 сча маркет быть снова запуи 1 еиа в паботу и чпнльсом с иыхола генепатооа 42.Если изменить в схеме только пежим паботы селектопа 31 импульсов так, чтобы, например, он пропускал на выход кажлый второй входной импульс, получим в блоке памяти после окончания работы схемы плотность распределения интервала между двумя соседними выходами исследуемого процесса за заданный уровень.При изменении в схеме положения коммутатора 3, когда рабочий вход ключа 17 соединен с выходом преобразователя 43 напряжения в частоту, имеем плотность распределения площади выбросов, Действительно, число импульсов, поступающих за время выброса т на счетчик Зб, равно т: ( х - аИ,о где а - заданный уровень; х - исследуемый сигнал. В случае изменения в схеме только положения коммутатора 4, когда рабочий вход ключа 15 соединен с выходом элемента ИЛИ 13, с помощью коммутатора 2 вход схемы 10 - с входной шиной устройства, а выходное напряжение источника 7 установлено равным К получим плотность распределения времени первого достижения исследуемым процессом заданной функции при условии, что х(0) = О.Соединив с помощью коммутатора 2 вход схемы 10 с выходом дифференцирующего устройства 41 и установив выходное напряже,ние источника 7 равным нулю, получим плотность распределения интервала между соседними минимумами исследуемого процесса,Если с помощью коммутатора 1 соединить вход вычитающего устройства 5 с выходом дифференцирующего устройства 41, можно получить аналогичные характеристики производной исследуемого процесса. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 8Наличие регулируемого элемента задержки импульсов позволяет при необходимости добиться отсутствия корреляции между длительностями (площадями) отдельных анализируемых выбросов.Рассматривая различные сочетания состояний коммутаторов 1 - 4 селектора 31 и элемента 30 задержки нетрудно определить все характеристики, которые могут быть автоматически получены с помощью предложенного устройстваНаличие коммутируемых элементов И 32 и 34 позволяет изменить используемое число ячеек блока памяти и емкость (число разрядов) этих ячеек, что необходимо, например, лля согласования схемы с различными устройствами приема данных анализа - цифропечать, построители графиков, ЦВМ и т. д.Кроме того, это обеспечивает получение в полуавтоматическом режиме других характеристик выбросов, напримеп, распределение числа выбоосов, предшествующих первому выбросу, длительность которого превосходит запаннхю и т дВажно отметить, что если некоторый ппоцесс не может быть исследован непосречственно, например СВЧ шумы или инфранизкочастотные процессы - колебания температуры, почвы и т, п., предложенное устройство может быть эффективно использовано при обработке их записи, воспроизводимой стандартными способами в форме напряжения в удобном для работы устройства масштабе времени (осциллограммы, сейсмограммы и т, п.). П р ед м ет изобретения Л.нализатор выбросов случайных процессов, содержащий селектор, коммутаторы, вычитающее устройство, соединенное с первой схемой сравнения и со схемой формирования модуля входного сигнала, подключенной к преобразователю напряжение - частота, дифференцирующее устройство, соединенное через первый коммутатор с одним из входов второй схемы сравнения, второй вход которой подключен к источникч постоянного напряжения, выходы обеих схем сравнения непоспечственно через первую и вторую схемы ИЛИ подключены к второму коммутатору, первый и второй генераторы импульсов, схемы И, блок памяти, счетчики, триггеры, ключи и генератор функций, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени анализа в нем, выход третьего коммутатора через ключ соединен с первым счетчиком, почключенным выходами через схемы И и НЕ к управляющему входу упомянутого ключа и непосредственно к блоку памяти, соединенному через сумматоп и вторую многовходовую схему И и НЕ с первым вхолом второго ключа, связанного выходом с сумматором, второй вход ключа соединен с устройством управления; выход второй многовхо,човой схемы И через третий ключ, связанный с устройством управления, соединенЗаказ 2859/14 Изд,1229 Тираж 406 ПодписноеЦНИИПИ Комитета по делам изобретений н открытий при Совете йЬпистров СССРМосква, Ж, Раушская наб., д. 4 5 ТипограФия, пр. Сапунова, 2 с входом первого триггера, выходы первого и второго триггеров через третью схему И, четвертый ключ, схему ИЛИ, связанную с вторым генератором импульсов и линию задержки, соединены с оЛним из входов третьего триггера, второй вход которого через селектор и пятый ключ связан с выходом первой схемы ИЛИ, выход третьего триггера через шестой ключ соединен с входом четвертого триггера, один из его выходов соединен с входом шестого ключа, связанного с выходом второго коммутатора, второй выход четвертого триггера сослннсн с генератором функций и входами первого, пятого и седьмого ключа, 5 подключенного к одному нз вколов второготриггера, вторыс входы первого н второго триггеров подключены к второму генератору импульсов, соединенному с вторым счетчиком, подключенным черсз четвертую схему И и 10 НЕ к одному из вколов третьей схемы И.