Устройство для определения экстре-мальных значений случайныхпроцессов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОИЗМУ СВИДВТВЛЬСТВУ(22) Заявлемо 101178 (21) 2682708/18-24с присоедмнеммем заявки Ио Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл з 6 06 6 7/52 Государственный комитет СССР но дедам изобретений н открытий(088;8 Дата опубликования описания 150281(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Однако, устройство не имеет защи 25 ты от импульсных помехпревышающихдискретность (шаг квантования по уров"ню в устройстве), Допустимый на входе устройства шум при определенииразмытого экстремума должен быть по ЗО размаху менее шага квантования по Изобретение относится к средствам автоматики.и вычислительной техники и предназначено для определения экстремальных значений широкополосных случайных сигналов при построении измерительных приборов, используемых в ядерной физике, радиационной медицине, диагностике состояния устройств и объектов, приборов для статистического анализа случайных процессов.Известно устройство для определения экстремального значении однократного процесса, которое содержит регистры памяти, нуль-орган, входы которого соединены соответственно с входом устройства и выходом преобразователя код-аналог, подключенного входом к разрядным выходам реверсивного счетчика, входы сложения, вычитания.и тактовых импульсов которого соединены соответственно с выходами "Сложить" нуль-органа и первым вхо" дом первого элемента И, с выходом фВычесть" нуль-органа и первым входом второго элемента И, с выходом элемента ИЛИ, входы которого подключены.к выходам двух первых элементов И, вторые входы. которых соединены с первым выходом генератора тактовых импульсов, второй вход которого подключен к счетчику времени, единичный и нулевой входы первого триггера через элементы задержки подключены к выходу первого, входу третьего элементов И и к входу четвертого, выходу второго элементов И, выхрдЫ первого триггера подключены к вторым входам третьего и четвертого элемен- О тов И, третьи входы которых соединены с единичным выходом второго триггера, .нулевой вход которого подключен к выходу четвертого элемента И и входу управления первого регистра па мяти, входы которого соединены с выходами счетчика времени и входами второго регистра памяти, вход управления которого соединен с выходом третьего элемента И и входом управле-, 20 ния третьего регистра памяти, соединенного другими входами с выходами реверсивного счетчикь Г 11.уровню. Точностьопределения экстремума ограничейа шагом квантованияпо уровню и изменяться в зависимостиот конкретных условий работы устройства (полосы сигнала, шумов) неможет. Известное устройство не предназначено для широкополосных входныхсигналов. Оно работает с постояннойтактовой частотой,.оптимальной дляограничения спектра случайного сигнала. Кроме того,.-устройство требует сброса триггеров и счетчиков перед определением .экстремального значения и пбэтому может анализироватьтолько однократные реализации случайных процессов с одним экстремальнымзначением в этой реализации,наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для измеренияФункции распределения экстремальныхзначений случайных сигналов, содержащее источник исследуемого сигнала,нуль-орган (сравнивающее устройство),образцовый генератор случайяас сигналов, накопитель, задатчик напряженияуровня .выборки, ключ, запоминающийэлемент, схему "Исключительно-ИЛИ"(измеритель), тактовый, генератор,блок определения изменения знакаприращения исследуемого сигнала ианалоговый запоминающий блок (2.Известное устройство при определении экстремальных значений сигнала не имеет защиты от импульсныхпомех, точность определения экстремумов его неизменная и при заданнойнеизменной тактовой частоте, в основном, определяется параметрамианалогового запоминающего блока инуль-органа. Устройство обладаетбольшими погрешностями определенияэкстремумов низкочастотных сигналов,так как параметры его аналогового запоминающего блока и тактовая частотане изменяются в зависимости от.скорости изменения входного сигнала.Кроме того, устройство измеряеттолько одну статистическую характерис-.тику экстремальных з.начений сигиалаФункцию распределения, что частона практике бывает недостаточно,Цель изобретения в повышение точ-,ности определения экстремальных значений широкополосных случайных сигналов, а также помехозащищенности. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения экстремальных значений.случайных процессов, содержащее первый аналоговый блок памяти.и первый компаратор, первые входы которых объединены и подключены к первому входу устройства, блок определения изменения зна ка приращения входного сигнала, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя, а третий - подключен к первому входу блока синхронизации, первый и второй. выходы 5 16 15 20 2 ЗО 35 4 О 43 6 Я бО 65 которого соединены соответственно.сс вторым входом первого. аналоговогоблока памяти и со вторым входом первого компаратора, в устройство дополнительно введены два аналоговыхблока памяти, три ключа, три сумматора, управляемый источник напряже-ния, блок адаптации, пять компараторов и мажоритарный блок, первыешесть входов которого соединены с выходами соответствующих компараторов,седьмой вход подключен к третьемувыходу блока синхронизации, четвертый выход которого соединен с третьимвходом измерителя, четвертый входкоторого подключен.к выходу усреднителя, входы которого подключенык выходам соответствующих ключей,инФормационный, вход каждого клюнасоединен с выходом соответствующегоаналогового блока памяти, управляющие входы ключей соединены соответственно с первым, вторым и третьимвыходами маж 6 ритарного,блока, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с первым ивторым входами блока определенияизменения знака приращения, первыевходы второго и третьего аналоговых блоков памяти, блока адаптации,второго, третьего, четвертого, пятого и шестого компараторов объединеныи подключены к первому входу устройства, второй вход второго компаратора соединен со вторым входом блокасинхронизации, вторые входы третьегои четвертого компараторов подключенык пятому выходу блока синхронизации,вторые входы пятого и шестого компараторов соединены с шестым выходомблока синхронизации, первый и второйвыходы первого сумматора соединенысоответственно с третьими входамипервого и второго комнараторов, первый и второй выходы второго сумматора подключены соответственно ктретьим входам третьего и четвертого компараторов, первый и второй выходи третьего сумматора соединенысоответственно с третьимивходамипитого и шестого компараторов, выходы компараторов подключены к соответствующим входам мажоритарногоблока, первый вход каждого сумматорасоединен с выходом соответствующегоаналогового блока памяти, вторыевходи сумматоров подклвчеиы к выходууправляемого источника напряжения,вход которого является вторым входомустройства, вторые входы второго итретьего аналоговых блоков памятиподключены соответственно к седьмомуи восьмому выходам блоха синхронизации, второй вход которого подключенк первому выходу блока адаптации,второй выход которого соединен стретьими входами. аналоговых блоковпамяти, второй вход блока адаптацииявляется третьим входом устройства.На чертеже показана блок-схемапредлагаемого устройства,Устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 аналоговые блохипамяти (АБП), на первые входы которых и на вход блока 4 адаптации подается исследуемый. случайный сигнал.Выход блока 4 адаптации соединен совторыми входами блоков 1-3, другойвыход блока 4 адаптации. соединен свходом блока 5 синхронизации, выходы,которого подключены. к третьим входамблоков 1-3, выходы которых соединенынепосредственно с первыми входамипервого 6, второго 7 и третьего 8 сумматоров, а также через ключи 9-11 свходами усреднителя 12. Вторые входысумматоров 6-8 связаны с выходом управляемого источника 13. напряжения,а выходы сумматоров 6-8 со вторымивходами компараторов 14-19, иа первыевходы которых подается исследуемыйсигнал. Выходы компараторов 14-29подключены ко входам .мажоритарногоблока 20, входы которого. соединены.свходами блока 21 определения измене"ния знака приращения. Другие выходымажоритарного блока 20 связаны с управляющими входами ключей 9-11. Одиниз входов мажоритарного блока соеди"нен с выходом блока 5 синхронизации.Выходы блока 21 определения изменения знака приращения подключены квходам блока 5 синхронизации и измерителя 22,вход которого соединен свыходом усреднителя 12,Устройство работает следующимобразом.В блоке 4 адаптации задается ошибка восстановления входного сигналаС, пропорциональнб которой в немФормируется тактовая частота, поступающая в блок 5 синхронизации, атакже в аналогичные блоки 1-3 памяти,и включаются соответствующие АБП случайного сигнала. Блок 5 синхронизации последовательно Формирует ньщуль=са строба на пары компараторов 14и 15, 16 и 17, 18 и 19. После импульсов строба компараторов с.некоторойзадержкой блоком 5 синхронизации Формируется сигнал в мажоритарный блок20, по которому происходит усреднениев блоке 12, и сигналы включения назапоминание мгновенных значений входного процесса в блоках 1-3. Сдвигипо времени месяцу импульсами отрубакомдараторов 14 и 15, 16 и 17, 18 и19, и также между импульсами вхжочения аналоговых блоков 1-3 памяти,задаваемые блоком 5 сиихронизаЦаи,превышают ожидаемую длительностьимпульсных помех, но по .времени намного меньше периода между тактами,которые вырабатывает блок 4 адаптации для работы блока 5 синхронизации.Блок 5 обеспечивает воэможность регулировки времени между стробиро ванием компараторов 14 и 15, 16 и 17,18 и 19, а также подключением второгоаналогового блока 2 памяти по отношению к первому 1, третьего 3 по отношению ко второму 2. Запомненные зна чения входного случайного сигналаО 3 (где 1 = 1, 2, 3) на каждом тактеЗюпоступают из блоков 2-3 на первыевходы сумматоров 6-8. На вторые входы сумматоров 6-8 от управляемогоисточника 13 напряжения подключенынапряжения ьЦ,. Напряжение аО; устанавливается оператором таким образомчтобы образовалась зона нечувствительности компараторов 14-19 к шумам в том случае, когда первая йроиэ водная входного сигнала близка илиранна нулю. Этим исключаются дополнительно ложные срабатывания компараторов .14-19 и блоков 20-22 за счеттого, что компараторы имеют конечный 2 О порог срабатывания. На первые ходыкомпараторов 14-19 поступает входнойслучайный сигнал, на вторые входы -величины О 3; +аО, и О . -ьО. Наследующем тактовом импульсе блока 4 25 .адаптации устройством 5 синхронизации снова последовательно Формируются импульсы строба на компараторы14 и 15, 16 и 17, 18 и 19. По результатам сравнений определяется знакприращения случайного сигнала по отношению к запомненным блоками 1-3 иапредыдущем такте значениям случайного сигнала О; +ьО и О 3- дО, снимаемым с выходов блоков 6-8 суммирования.Входные сигналы компараторон 14"19поступают на входы м.жоритарного блока 20. Блок 20 выполняет решающуюфункцию и выбирает иэ совокупностисигналов, поступающих на каждом так те на его входы, наиболее достоверныезначения.С учетом зоны нечувствительностиустройства +О, блока 20 для каждой-й пары сравнивающих устройств в 45 зависимости от изменения входногослучайного сигнала Формируют следующие сигналы УОЪ О, + 4 О; -+сигналы соответствуют положительномузнаку приращения случайного сигнала;Оек ( О+ аО; - 0О ) О + О; 3сигналы соответствуют отсутствию 55 приращения случайного сигнала;3"всигналы соответствуют отрицательному знаку приращения случайного сигнала.60 Обозначим выходные логические сигналы блока 20 соответственно для компараторов 14 и 15 - У и У,; 16 и17 - У 2 иУ, 18 и 19 - У иУ . Логические сигналы Т, У , У 3 соответ.ствуют положительным приращениям, аС некоторым сдвигам па времени от блока 5 приходит импульс запуска измерителя 22 и одновременно .с ним .первый импульс на запоминание в первое запоминающее. устройство 1, затем следуют импульсы. последовательно на запоминающие устройства 2 и 3. На бО налы , ,- отрицательнымприращениям входного случайного сигнала.Выбор наиболее достоверного значения в блоке 20 осуществляется. побольшинству "голосов" следующим.образом, В блоке 20 производится операция сложения логических сигналов:Е (+) =+ +; г (-) =,,и выдается сигнал "Ноль " при выполне-"нии неравенства 2.(ф)-2 ( 0 (т,е, блок20 не фиксирует положительного приращения случайного сигнала); илисигнал "Единица" при выполнении неравенства 2(+)-2 ) О (т.е. блок 20формирует положительное приращениеслучайного сигнала),Аналогично для 2(-): если 2(-)-2(Ото выдается "Ноль" (т.е, блок 20 нефиксирует отрицательного приращенияслучайного сйгнала); если 2(-)-2 ) О,то выдается "Единица" (т.е. блок 20фиксирует отрицательное приращениеслучайного сигнала). Блок 20 можетбыть решен на мажоритарных модулях,называемых иногда кворум-элементами.Указанные логические сигналы"Ноль" или "Единица" поступают в1блок 21 определения изменения знакаприращения, в котором знак приращения запоминается. Кроме того, еслина предыдущем тактовом импульсе былозапомнено противоположное по знакуЗОприращение, блок 21.выдает сигнал,соответствующий минимальному или максимальному значению случайного сигнала, в измеритель 22, а также сигнал,соответствующий экстремальному значению, в устройство 5 синхронизации,При наличии сигнала, соответствующего экстремальному значению, блок 5формирует стробирующий сигнал в блок20,по которому (после прохождениятрех импульсов на стробирование компаратаров 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19)формируются сигналы на включениеключей 9-11. Логически управлениеключами 9-11 организовано так, чтовсегда блоком 20 могут включатьсятолько два из трех ключей, если дажев сигнале нет помехи и во всех трехканалах запомнена достоверная инфор"мация. В случае возникновения помехи в одном из каналов при запоминании или сравнении включаются. ключи двух достоверных каналов при нахождении экстремума, При.открывании ключей На вход усреднителя 12 подается два запомненных на предыдущем такте значения случайного сигнала, среднее из которых является искомым экстремальным значением. этом цикл работы устройства заканчивается.С приходом следующего тактового импульса от блока 4 адаптации проходят три импульса строба компараторов 14 и 15, 1 б и 17, 18 и 19, импульс иа открывание ключей 9-11 в случае определения экстремума и три импульса на новое запоминание блоками 1-3.Импульсом запоминания первого аналогового блока 1 памяти в случае определения экстремума случайного сигнала запускается измеритель 22.При измерении статистических характеристик экстремальных значений случайных сигналов допустимы пропуски экстремальных значений сигнала. Эти пропуски не создают дополнительных погрешностей статистических характеристик сигнала, а лишь увеличивают необходимую длину реализации случайного сигнала. Поэтому в предложенном устройстве применим блок 4 адаптации с стохастическим алгоритмом работы, в котором в зависимости от заданной погрешности восстановления б и скорости изменения случайного сигнала устанавливается средняя тактовая частота, которая флуктуирует в небольших пределах для стационарного случайного сигнала.Таким образом, помехоустойчивость и точность измерения экстремальных значений сигнала повышается за счет введения межоритарной обработки и усреднения результатов избыточного измерения экстремумов.Формула изобретенияУстройство для определения. экстремальных значений случайных процессов, содержащее первый аналоговый блок памяти и первый компаратор, первые входы которых объединены и подключены к первому входу устройства, блок определения изменения знака приращения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя, а третий - подключен к первому входу блока синхронизации, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторым входом первого аналогового блока памяти и са вторым входам первого компаратора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в устройство дополнительно введены два аналоговых блока памяти, три ключа, три сумматора, управляемый источник напряжения, блок адаптации, пять компаратаров и мажоритарный блок, первые шесть входов которого соединены с выходами соответствующих компараторов, седьмой вход подключен к третьему выходу блока синхронизации, четвертый выход которого соединен с третьим входом805358 10 аз 10905/ Филиал ППП "Патент" измерителя, четвертый вход которогоподключен к выходу усреднителя, входы которого подключены к выхрдамсоответствующих ключей, информационный вход каждого из которых соединенс выходом соответствующего аналогового блока памяти, управляющие входы ключей соединены соответственнос первым, вторым и третьим выходамимажоритарного блока, четвертый ипятый выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока определения изменения знака приращения, первые входы второгои третьего аналоговых блоков памяти,блока адаптации, второго, третьего,четвертого, пятого и шестого компараторов объединены и подключены кпервому входу устройства, второй входвторого компаратора соединен со вторым входом блока синхронизации, вторые входы третьего и четвертого компараторов подключены к пятому выходублока синхронизации, вторые входыпятого и шестого компараторов соединены с шестым выходом блока синхронизации, первый и второй выход первогосуммтора соединены соответственнос третьими входами первого и второгокомпараторов, первый и второй выходывторого сумматора подключены соответственно к третьим входам третьего ичетвертого компараторов, первый ивторой выходы третьего сумматора соединены соответственно с третьимивходами пятого н шестого компараторов, выходы компараторов подключены к соответствующим входам мажоритарного блока, первый вход каждогосумматора соединен с выходом соответствующего аналогового блока памяти,вторые входы суьвиаторов подключены ф к выходу управляемого источника напряжения, вход которого является вторым входом устройства, вторые входы второго и третьего аналоговыхблоков памяти подключены соответ ственно к седьмому и восьмому выходам блока синхронизации, второй входкоторого подключен к первому выходублока адаптации, второй выход которого соединен с третьими входами Я аналоговых блоков памяти, второйвход блока адаптации является третьимвходом устройства. ИстОчники инФормацииупринятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРВ.506865, кл. 6 06 6 7/52, 1976.2. Авторское свидетельство СССР9 379929, кл. 6 06 С 7/52, 1973. краж 756 Подписное ужгород, ул. Проектная