Устройство для определения среднеймощности и дисперсии случайногопроцесса

Союз Советских Социапистических Республик(22) Заявлено 020279 (21) 2721558/18-24с присоединением заявки йо(51)М. Кл. 6 06 Г 15/36 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Г. Я. Мирский, В. Л. Гольденберг, С. У. Климович и Ф. Б. Цирульницкий Московский ордена Трудового Красного Знамени электротехнический институт связи(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ В Г Т Г,МОШНОСТИ И ДИСПЕРСИИ СЛУЧАЙНОГОПРОЦЕССАФ 33-; Изобретение относится к специализированным средствам вычислительнойтехники, предназначенным для аппаратурного определения характеристикслучайных процессов.Известно устройство для аппаратурного определения средней мощностии дисперсии случайного процесса,содержащее входной блок, квадратор,блок усреднения, показывающий или ре.гистрирующий прибор 1).Однако такое устройство не позволяет простым путем регулировать продолжительность измерения и требуетприменения дополнительных блоков для 15получения результатов в цифровой форме.Наиболее близким по техничеокойсущности является устройство для о"ределения средней мощности и диспер-. 20сии случайного процесса содержащееблок памяти, первый вход которогоявляется входом устройства, второйвход блока памяти соединен с единиц"ным входом триггера и подключен к 25первому выходу блока управления,второй выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен со эходом блока пересчета и подключен к 3( выходу генератора счетных импульсов,вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход блока запоминания соединен с первым входом первого блока сравнения, второйвход которого подключен к выходу первого сумматора, первый вход которогосоединен с четвертым выходом блока управления,второй вход первого сумматора подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, третийвход первого сумматора соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, первый вход первогосчетчика подключен к пятому выходублока управления 21,Недостатком этого устройстваявляется малый динамический диапазони низкая точность определения малыхзначений средней мощности и дисперсии случайного процесса.Цель изобретения - повышениеточности определения малых значенийсредней мощности и дисперсии случайного процесса, а также расширениединамического диапазона работы устройства.Указанная цель достигается тем,что в устройство для определения средней мощности и дисперсии введенывторой блок сравнения, второй счетчик, второй сумматор, первый и второй дешифраторы, коммутатор, второй элемент И, элемент ИЛИ и линия задержки, причем первый вход второго блока сравнения подключен к выходу блока памяти, выход первого блока сравнения подключен к третьему входу первого элемента И, выЫд которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с нулевым входом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вхбд которого соединен с выходом второго блока сравнения, второй выход блока управления подключен к третьему входу второго элемента И, четвертый 15 вход которого соединен с выходомлинии задержки, вход которой подключен к выходу генератора счетных импульсов, выход второго элемента И соединен с первым входом второго счетчика, выход которого подключен ко второму входу элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом первого счетчика, второй вход второго счетчика подключен к пятому вы ходу блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго блока сравнения, выход второго цифро- Зр аналогового преобразователя соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, входы которого объединены с первыми входами коммутатора и соединены с выходами первого дешифратора, входы которого подключены к первой группе выходов блока пересчета, вторая группа выходов ко" торого соединена со вторым входом комО мутатора, информационные выходы которого соединены с соответствующими входами второго дешифратора, выходы которого подключены к соответствующим входам второго цифроаЫалого вого преобразователя, управляющий выход коммутатора соединен со входом блока управления.Блок-схема устройства представлена на чертеже. 50Устройство содержит блок 1 управления, блок 2 памяти, первый блок 3 сравнения, второй блок 4 сравнения, первый элемент И 5, триггер б, второй элемент И 7, элемент ИЛИ 8, первый счетчик 9, второй счетчик 10, линию 11 задержки, генератор 12счетных импульсов, блок 13 пересчета, первый дешифратор 14, коммутатор 15, второй дешифратор 1 б, первый и второй цифроаналоговые преобразо ватели 17 и 18, первый и второй сумматоры 19 и 20.Работа устройства основана на принципе нелинейного времяимпульсного преобразования. 45 Напряжение реализации х(с) исследуемого случайного процесса подается на вход устройства, работающего Ициклами. За один цикл осуществляет сядискретных выборок. При -ой выборке напряжениех(с) преобразуется в иммпульсы, число а которых пропорционально квадрату напряжения, те. щ= 1 сх (С). В результате усреднения получается оценка средней мощности Р процесса, выделяемой на резисторе в 1 Ом, согласно выражениюл, НйРхд - Е х 1 : -п (1)йкНелинейное времяимпульсное преобразование заключается в преобразовании напряжения х(С) в интервал времени ь , пропорциональный квадрату напряжения, т. е. с,( = 1 х 2(с )1 з с пОследующим заполнением этого интервала счетными импульсами. Их число щ= Гс сз где Г - частота следования счетных импульсов и, следовательно, щ= 1 сГх(сС) =рсхд(с 1). Квадратичное преобразовайие напряжение-интервал времени достигается в результате сравнения напряжения х(с) с образцовым развертывающим напряжением, изменяющимся по закону ус) = стГс-с, где с - научало отсчета времени (момент -ой выборки), длительность Формируемого интервала времени 2 = ср- с гдеу ср - момент, в который йапряжение Ю(ср- ц ) становится равным напряжению х(с), При этом ь = - О(с -с ) =р х (с),с РВ качестве образцового развертывающего напряжения в предлагаемом устройстве используется ступенчатое напряжение, которое с требуемой точностью аппроксимирует напряжение О(с"с). Формирование ступенчатого напряжения основано на получении числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый сигнал, который аппроксимируется ступенчатой функцией, моделируемой путем цифроаналогового преобразования. Для получения высокой точности ступенчатой аппроксимации начального участка параболической кривой О(с-с) =с /с-Р при значительном динамическом диапазоне требуется большое число ступеней. При этом аппаратурная реализация устройства получается сложной и дорогой. Сократить число ступеней позволяет применение линейно- ступенчатой аппроксимации, Формируемое напряжение состоит из крупных ступеней (большой длительности), заполняемых ступенями (малой длительности), высоты которых внутри ступеней изменяются по линейному закону, причем с каждой новой крупной сту796855пенью изменяется наклон мелкихли- выхода блока 1 плока управления стробирующий импульс, задающии длительностьОднако п и такой апр аппроксимации, цикла измерения (интервал усреднеиспользованной в известном устройст- ния). С ффронтом этого импульса синве, начальный участок параболическо- хронизирован пе вый иман первы импульс - выбория ( -с) аппроксимиру ка, поступающий с первого выхода блоется с низкой точностью (грубая ап- ка 1 управления на второй вход блока 2 памяти. О нов ем ндновременно этот имется большая погрешность измерения пульс подается на единичный входмалых значений мощности. Уменьшение триггера б. Последний устанавливадлительности крупных ступеней при фик- ется в единичное состояние, в резульсированном их числе приводит к су- тате чего создается разрешающий пожению динамического диапазона изме- тенциал на первом входе элемента И 7.рений. Таким образом, на всех входах элеменПреодоление укаэанных трудностей, та И 5 и элемента И 7 имеются разрет, еполучение большого динамичес- шающие уровни. Вход 2 элемента И 5кого диапазона и хорошей разрешающей 15 и вход 4 элемента И 7 (через линиюспособности устройства при оценкемалых мощностей, обусловлено двумя нератора 12 счетных импульсов. С приособенностями предлагаемого устройст- ходом первого импульса - выборки вва, отличающими его от известного: момент с на второй вход блока 2формированием крупных ступеней, уве О памяти последний запоминает напряличивающихся с переменным шагом, на- жение, значение которого х(с). Впример соотношение длительностей тот же момент временизапускает:16 и наличием двух ся генератор 12 счетных импульсовобразцовых параболических напряже- сигналом с третьего выхода блоканий, одно из которых используется 25 1 управления. Если х( О,( , то для измерений при малых уровнях вход- сравнение этого напряжения с образцоного сигнала, а второе - при больших вым происходит только в первом блоуровнях, причем значения первого наке 3 сравнения. В этом случае первыйпряжения остаются все время мень- импульс генератора 12 поступает через ше значений второго напряжения, лишь элемент И 5 на нулевой вход триггераначальное (мин )(минимальное) значение 30 ,б и устанавливает его в нулевое соспоследнего равно конечному(максималь- тояние, т. е. снимается разрешающийному) значению первого напряжения. потейциал с первого входа элементаДля сравнения измеряемого напряже- И 7 вния с дв результате чего запираетсян я с двумя образцовыми и е смотны два канала.р дусмотре- вход второго счетчика 10. Счетные35Работа стимпульсы проходят через элемент И 5абота устройства заключается в и элемент ИЛИ 8следующем.в первый счетчик 9.Если величина запомненного напряНапряжение реализации х(с) иссле- жения х(с) ( О, то в момент с .дуемого случайного процесса, под- прихода первого импульса - выборки водимое ко входу 1 устройства, посту 40 образцовое напряжение на входе перпает на первый вход блока 2 памяти, вого блока 3 сравнения оказывается на второй вход которого в момент с больше запомненного. Выходное наподается из блока 1 управления им(пряжение первого блока 3 сравнения пульс -ой выборки. Блок 2 памяти и, следовательно, напряжение на запоминает напряжение х(с ) на 45 тРетьем входе элемента и 5 скачком1время длительности выборки и оно . уменьшается до запрещающего уровня, передается на входы блоков 3 и 4 элемент И 5 запирается и счетные имсравнения. На вторые входы блоков пульсы через него не проходят. Сравнесравнения подаются два различныхние запомненного напряжения х(с)=О образцовых линейно-ступенчатых напря с образцовым напряжением происходит жения, с которыми сравнивается напря- только во втором блоке 4 сравнения. жение х(с ). Первое образцовое на- До момента сравнения счетные импульпряжение, изменяющееся от нуля до сы генератора 12 поступают через О, снимается с выхода второго сум- линию 11 задержки и элемент И 7 на матора 20, а второе образцовое напря- второй счетчик 10. Время задержки55У жение, которое изменяется от Одо Овносимое линией 11, выбрано равным поступает с выхода первого суммато- половине периода следования счетных ра 19, До момента прихода импульса импульсов, Это сделано для того, первой выборки на блок 2 памяти на чтобы в случае, когда сравнение провыходах блокоВ 3 и 4 сравнения име- исходит в первом блоке 3 сравнения, ются высокие уровни напряжения и, е 0 триггер б успевал запирать элемент следовательно, на третьем входе эле- И 7 до момента прихода на него пермента И 5 и на втором входе элемента вого счетного импульса. Таким образом, И 7 имеются разрезающие потенциалы. при условии х(с) 1 О, т. е. когда На первый вход элемента И 5 и третий сравнение происходит в первом блоке вход элемента И 7 подается со второго 45 3 сравнения, на выходе элемента И 5(4) формируется пачка импульсов, длительность которой 1 определяется интервалом, разделяющим момент с выборкии момент 1 Р равенства второго образцового напряжения напряжению х. Полученная пачка импульсов щ поступает в счетчик 9. Если же выполняется условие х( О, т. е. сравнение осуществляется во втором блоке 4 сравнения, то на выходе И 7 формируется пачка импульсов, длительнОсть которой 6 равна интервалур разделяющему момент выборки с и момент Ср равенства первого образцово. го напряжения запомненному х(с) напряжению. Сформированная пачка импульсов в проходит в счетчик 10. Втечение цйкла измерения, содержащего й выборок, счетчики 9 и 10 сбрасываются, и числа, фиксируемые при каждой выборке суммируются. Если с приходом пачки в в; импульсов второй счетчик 10 переполняется, то через элемент ИЛИ 8, передается единица в первый счетчик 9, а оставшаяся часть числа записывается во втором счетчике 10. После окончания каждой выборки триггер 6 возвращается в исходное состояние импульсом с первого выхода блока 1 управления. За М выборок в счетчике накапливается числоХВ = Е 1 т 1+ Е ъ, (2 )1:1 согласно формуле (1) оценка среднеймощности Р (3)х=МККоличество выборок й (продолжительность цикла измерения) задается блоком 1 управленияЕсли выбрать числа й и К так, чтобы Кй = 10 (а - целое число), то и устройство получается прямопоказывающимфбрмирователь образцового напряжения состоит из генератора 12 счетных импульсов, блока 13 пересчета первого дешифратора (крупных ступеней) 14, коммутатора 15, второго дешифратора (мелких ступеней)16, первого (функционального) цифроаналогового преобразователя 17, второго (линейного) цифроаналогового преобразователя 18, первого сумматора 19 и второго сумматора 20.формируемое линейно-ступенчатое напряжение состоит из крупных ступеней, длительность которых изменяется с переменным шагом по определенному закону, например по закону 1;2: :4:8:8:16:16, причем высоты ступеней пропорциональны корню квадратному из числа. Каждая крупная ступень заполняется одинаковым числом мелких 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 45 ступеней, высоты которых изменяются по линейному закону.Работа формирователя начинается смомента поступления на управляющийвход генератора 12 счетных импульсовсигнала с третьего выхода -,.с а 1управления. С этим сигналом ". Нхронизированы первый импульс опроса(импульс.первой выборки) и фронтимпульса, подаваемого на первый входпервого элемента И 5 и третий входвторого элемента И 7.с первого выхода блока 1 управления. Счетные импульсы с периодом следования Т , задающим наименьший шаг дискретизации,поступают в блок 13 пересчета, представляющий собой счетчик емкостьюР импульсов. Первая группа выходовблока 13 пересчета соединена со входами первого дешифратора 14. Он имеет и входов (при рассматриваемомчисловом соотношении п=8), на которыхсоответственно появляются высокиепотенциалы после поступления в блок13 пересчета первого, восьмого, двадцать четвертого, пятьдесят шестого,сто двадцатого, сто восемьдесят четвертого, триста двенадцатого ипятьсот сорокового счетных импульсов.Число выходных шин первого дешифратора 14 щ равно числу крупных ступеней образцового напряжения (прирассматриваемых числовых соотношенияхв=8). На выходных шинах первого дешифратора 14 последовательно появляются высокие потенциалы, причем высокий потенциал 1-ой шины сохраняетсяв течение времени, равного длительности формируемой 1-ой крупной ступени. Сигналы, образующиеся на выходепервого дешифратора 14 управляютвходами первого цифроаналогового преобразователя 17, который производитфункциональное преобразование по закону О(с-с,1)=с-с-й, в зависимостиот номера формируемой крупной ступени, Выходные шины первого дешифратора 14 подключены также к первымвходам коммутатора 15. Когда на 1-ойвыходной шине первого дешифратора14 имеется высокий потенциал, коммутатор 15 соединяет 1-Ой вход второго дешифратора 16 с той шиной из второй группы выходов блока 13 пересчета, на которой появляются импульсыс периодом следования в восемь разменьшим длительности формируемойкрупной ступени. Число выходных шинвторого дешифратора 16, как и у первого, равно а. На них последовательно восемь раз появляется высокий потенциал, управляющий соответствующим входом второго линейного цифроаналогового преобразователя 18. Навыходе последнего образуются напряжения мелкихступеней. Длительностьмелкой ступени жестко связана с номером формируемой крупной ступени иравна 1/8,Для получения линейно-ступенчатого образцового напряжения напряжения первого и второго цифроаналоговых преобразователей суммируются. Это осуществляется с помощью первого и второго сумматоров. Начальный участок образцового напряжения (от нуля до О, формируется во втором сумматоре 20, на второй и третий входы которого подаются напряжение мелких ступеней с выхода второго цифроаналогового преобразователя 18 и напряжение крупных ступеней с выхода первого цифроаналогового преобразователя 17. Выходное напряжение второго сумматора 20 поступает на второй вход блока 4 сравнения. Второй участок 5 образцового напряжения (от О до Оша) формируется в первом сумматоре 19, в котором суммируется постоянное напряжение, равное 01, напряжение мелких ступеней, поступающих на третий Щ вход с выхода второго цифроаналогового преобразователя 18, и напряжение крупных ступеней, подаваемого на второй вход с выхода первого цифро-. аналогового преобразователя 17. Выход- ное напряжение первого сумматора 19 подводится ко второму входу блока 3 сравнения. С каждой новой крупной ступенью изменяется наклон мелких линейно-изменяющихся ступеней. Для этого импульсы со второго выхода ком- ЗО мутатора 15 поступают на вход блока 1 управления. Последний формирует сигналы, подаваемые с пятого выхода блока 1 управления на первый вход первого сумматора 19 и с шестого выхода блока 1 управления на первый вход второго сумматора 20. Эти сигналы управляют весами, с которыми выходное напряжение второго (линейного) цифроаналогового преобразователя 17 4 О уммируется с выходным напряжением первого (функционального) цифроаналогового преобразователя 16 в каждом сумматоре 19 и 20,Устройство позволяет уменьшить 4 погрешность аппаратурного определения средней мощности и дисперсии случайного процесса в широком динамическом диапазоне. Это существенно повышает эффективность использования щ устройства в системах автоматического управления, передачи информации, производственного контроля, информационно-измерительных системах. формула изобретения Устройство для определения средней мощности и.дисперсии случайного процесса, содержащее блок памяти, нервый вход, которого является входом устройства, второй вход блока памяти объединен. с едийичным входом триггера и подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого 65 соединен с первым входом первогоэлемента И, второй вход которогообъединен со входом блока пересчетаи подключен к выходу генератора счетных импульсов, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход блока запоминания соединенс первым входом первого блока сравнения, второй, вход которого подключенк выходу первого сумматора, первыйвход которбго соединен с четвертымвыходом блока управления, второй входпервого сумматора подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, третий вход первого сумматора соединен с выходом второгоцифроаналогового преобразователя, первый вход первогосчетчика подключенк пятому выходу блока управления,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности и расширения динамического диапазона устройства, в него введены второй блок сравнения, второй счетчик, второй сумматор, первый и второй дешифраторы,коммутатор, второй элемент И, элемент ИЛИ и линия задержки, причемпервый вход второго блока сравненияподключен к выходу блока памяти, выход первого блока сравнения подключенк третьему входу первого элемента И,выход которого соединен с первымвходом элемента ИЛИ и с нулевым вхо-.дом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединенс выходом второго блока сравнения,второй выход блока управления подключен к третьему входу второгоэлемента И, четвертый вход которогосоединен с выходом линии задержки,вход которой подключен к выходу генератора счетных импульсов, выходвторого элемента И соединен с первымЬходом второго счетчика, выход которого подключен ко второму входуэлемента ИЛИ, выход которого соединенсо вторым входом первого счетчика,второй вход второго. счетчика подключен к пятому выходу блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен ковторому входу второго блока сравнения, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен совторым входом второго сумматора,третий вход которого подключен квыходу первого цифроаналогового преобразователя, входы которого совди"иены с первыми входами коммутатораи соединены с выходами первого дешифратора, входы которого подключены кпервой группе выходов блока пересчета,вторая группа выходов которого соединена со вторым входом коммутатора,информационные выходы которого соединены с соответствующими входамивторого.дешифратора, выходы которого,Редактор М. Дылын Техред М.Табакович Корректор Н. ШзыдкаяВЕЗаказ 9771/67 Тираж 754 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 1Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул Проектная, 4 подключены к соответствукечим входамвторого цифроаналогового преобразователя, управлянщай выход коммутатора соединен со входом блока управления. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М., "Энергия", 1972, с,91,2. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2457807/18-24, .кл. 6 06 Г 15/36, 1977.