Генератор случайного импульсного процесса

(19) (11) 6 Р 7/5 ГОСУДАРСТВЕННЫ ПО ДЕЛАМ ИЗОБР МИТЕТ СССР Й И ОТНРЫТИ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЬСТВУ АВТОРСКОМУ С 1) 3 2) 1 ойтригое- рвоие,го,С.Жук, АвГ;Якубенкостюк и А,С.Кобайлонский радиотехничес 81.325(088.8)Авторское свидетельство СССР53, кл. С 06, Р 7/58, 196 В.Авторское свидетельство СССР77, кл. С 06 Р 7/58, 1371.3, Авторское свидетельство СССР Р 517018, кл, С 06 Р 7/58, 1974 (прототип).4. Авторское свидетельство СССР Р 732947, кл, С 06 Р 7/58, 1978.5, Авторское свидетельство СССР Р 758166, кл. С 06 Г 15/31, 1978, (54)(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ИМПУЛЬСНОГО ПРОЦЕССА, содержащий датчик случайных чисел, первый выход которого соединен и информационным входом первого регистра памяти, второй регистр памяти, первый блок памяти, генератор импульсов, выход которого соединен с входом делителя частоты, счетчиК, первый преобразователь код-напряжение, выход которого соединен с управляюцим входом второго, преобразователя код-напряжение, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повыыения формирования импульсов, он содержит втор блок памяти, цифровой фильтр и гер, единичный выход которого с динен с управляющими входами пе го преобразователя код-напряжен второго регистра памяти и перво блока памяти, а также с первым входом Опрос датчика случайных чисел, второй выход которого соединен с информационным входом второго регистра памяти, выход которого соеди. нен с информационным входом второго преобразователя код-напряжение выход которого является выходом генератора, выход генератора импульсов соединен с вторым входом Опрос дат- Я чика случайных чисел, выход первого регистра памяти соединен с адресным входом первого блока памяти, выход ,ы которого соединен с управляющим входом делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом .счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входом триггера и с управляющим входом первого регистра памяти, инФормационный выход счетчика соединен с адресным входом второго блока памяти, выход которого через цифровой. фильтр соединен с информационным входом первого преобразователя код-напряжение.Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для воспроизведения потока случайных импульсов заданной формы и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для исследования и оптимизации структурно сложных систем, при создании автоматизированных систем испытаия на механические, электрические и другие воздействия, н частности,1 О для формирования электрического процесса управления объектами с неравномерными частотныи характеристиками, например, электродинамическим ударным стендом15Известно устройатво, содержащее генератор случайных импульсов, циклический регистр сдвига, группу генераторов периодических импульсон, элементы И, ИЛИ Я . 2 ОУстройство позволяет формировать поток импульсов со случайными интервалами следования импульсов, с. управляемым законом их распределения, но не позволяет формировать более сложные импульсные процессы, напри". мер поток импульсов со случайными амплитудами, длительностями и интервалами следования. Кроме того, оно характеризуется сложностью схемного решения большое количество управляемых генераторов импульсон), сложностью настройки на требуемый закон распределения, требующей решения системы уравнений, невозможностью изменения интенсивности потока без перерасчета настройки закона распределения.Известно устройство, содержащеегруппу генераторов исходных случайных процессов, группу формирующих 40 фильтров и блок суммирования. Устройство позволяет формировать слу" чайный процесс а заданной произвольной спектральной плотностью мощности 2, 45Однако такое устройство не позволяет формировать импульсные процессы с заданными произвольными законами распределения амплитуд и временных параметров, Кроме того, его реализация. требует значительных аппаратурных затрат большое количество формирующих фильтров и генераторов исходных случайных процессов) .Наиболее близким по технической 55 сущности к предлагаемому является генератор случайного импульсного про цесса, содержащий последовательно соединенные блок памяти, датчик случайных чисел, блок управления, 6 О первый генератор импульсон и счетчик импульсов, вход блока памяти соединен с вторым выходом блока управления, последовательно соединенные источник эталонных напряжений, 65 первый и второй преобразонатели коднапряжение и модулятор полярностивыходного сигнала, ныход которогоподключен к выходу генератора, первый регистр, первый вход которогосоединен с вторым выходом случайныхчисел, второй вход - с третьим выходом блока управления, а выходс вторыми входами первого преобразователя код-напряжение и модулятора полярности выходного сигнала,реверсивный счетчик, первый входкоторого соединен с четвертым входом блока управления, а выход - свторым входом второго преобразователя код-напряжение, второй регистр,первый вход которого соединен спервым входом реверсивного счетчика, а второй нход - с вторым входомдатчика случайных чисел и третьимвходом счетчика импульсов, делительчастоты, первый вход которого подключен к выходу второго регистра, авыход - к второму входу реверсивногосчет ика, второй генератор импульсон,выходстарого соединен с вторымвходом делителя частоты 3 .Процесс Функционирования генерато- -ра можно представить как последовательность повторяющихся циклов, накаждом мз которых формируется импульс треугольной равнобедреннойформы со случайной амплитудой (А),длительностьюи случайным временным интерналом (Т) мепду началомтекущего и последующего импульсов(период следования).Каждый цикл начинается тем, чтоформируется три случайных числа, задающих на данном цикле конкретноезначение параметров А, 3 и Т, Приэтом датчик случайных чисел последовательно подключается блоком управления к области памяти, в которойхр .нятся последовательности кодов,задающих законы распределения Г (Г.),(ь), Г Т) . По существу датчик,случайных чисел и блок памяти представляют собой программно управляемый генератор случайных чисел, формирующий на каждом цикле последовательно три случайных числа),Первое случайное число записываетая в первый регистр, второе - вовторой, третье - в счетчик импульсов,после чего разрешается работа счетчика импульсов, делителя частоты иреверсивного счетчика, в котором кначалу цикла записаны нули. На второй вхоц реверсивного счетчика поступают импульсы с выхода делителячастоты, коэффициент деления которого задается в течение цикла кодом,записанным во нтором регистре, Приэтом состояние счетчика с поступлением каждого импульса унеличиваетсяна единицу до момента, когда в нембудут записаны все единицы, после чего, происходит переключение его в режим обратного счета, а при достижении нулевого состояния работа счетчика на данном цикле запрещается. Таким образом, в течение цикла состояние реверсивного счетчика последовательно изменяется через регулярные промежутки времени с постоянным приращением от нулевого до максимального и обратно. При этом с помощью второго преобразователя код-напряжение, источника эталонных напряжений, первого преобразователя код-напряжение и модулятора полярности выходного сигнала производится преобразование последовательности состояний реверсивного счетчи ка в аппроксимированный ступенчатый импульс треугольной Формы и аналоговое умножение его мгновенной ам плитуды с учетом знака на число, записанное в первый регистр.С помощью первого генератора импульсов и счетчика производится преобразование (развертка) записан ного в начале цикла в счетчик числа во временной интервал (Т) периода следования. По окончании преобразования блок управления обеспечивает реализацию нового цикла работы устройства.Таким образом, генератор формирует поток разнополярных импульсов треугольной равнобедренной формы с тремя случайными параметрами:амплитуда,дли-З 5 тельность и период их следования с управляемыми законами распределения.Недостаток известного генератора состоит в том, что он не позволяет формировать импульсные процессы с формой импульсов, отличной от тре угольной, например с полусинусоидальной, трапецеидальной.Кроме того, он не позволяет Формировать импульсный случайный процесс с произвольными соотношениями 45 значений длительностей временных параметров, Генератор формирует процесс с длительностями импульсов, кратными минимальной длительности.В известном генераторе не предус мотрена возможность простого задания смещения законов распределения временных параметров формируемого процесса, т.е, изменение минимальной длительности импульсов, пауз. 55Известный генератор характеризуется низкой точностью воспроизведе ния Формы импульса в заданной точке объекта с неравномерностями амплитуд но- и фазо-частотных характеристик, 60 например, электродинамического стенда. Неравномерности А Х и Ф Х приводят к искажениям формы импульса на испытуемом объекте. Форма А Х и Ф Х стенда изменяется в зависимости от массы и механических свойств установленного на нем объекта, условий внешней среды. Кроме того, при одинаковых условиях А Х и Ф Х разных стендов имеют отличающуюся форму. Поэтому для обеспечения эквивалентности испытаний изделий необходимо формировать на выходе генератора импульсный процесс со сложной Формой импульсов, откорректированной с учетбм искажений, вносимых из-за неравномерностей Ф Х и А Х объекта управления, что невозможно. в случае применения устройства-прототипа.Кроме того, в известном генераторе для задания длительности импульса и периода следования имеются две независимые группы блоков, Формиро" вание интервала периода следования осуществляется с помощью первого генератора импульсов и счетчика импульсовЗадание длительности импульса осуществляется с помощью второго генератора импульсов, второго регистра и делителя частоты. Поэтому оба параметра формируются последовательно во времени, их можно Формировать на одном и том же оборудовании (что и реализуется в предлагаемом устройстве).Целью изобретения является повышение точности формирования импульс. ных случайных воздействий на объекте управления (например, электро- динамическом стенде). Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайного импульсного процесса, содержащий датчик случайных чисел, первый выход которого соединен с информационным входом первого регистра памяти, второй регистр памяти, первый блок памяти, генератор импульсов, выход которого соединен с входом делителя частоты, счетчик, первый преобразователь код-напряжение, выход кото рого соединен с управляющим входом, второго преобразователя код-напряжение, введены второй блок памяти, цифровой фильтр и триггер, единичный выход которого соединен с управляющими входами первого преобразователя код-напряжение, второго регистра памяти и первого блока памяти, а также с первым входом "Опрос" датчи ка случайных чисел, второй выход которого соединен с информационным входом второго регистра памяти, выход которого соединен с информационным входом второго преобразователя код - напряжение, выход которого является выходом генератора, вы ход генератора импульсов соединен с вторым входом "Опрос" датчика случайных чисел, выход первого регистра памяти соединен с адреснымвходом первого блока памяти, выходкоторого соединен с управляющим вхоцом делителя частоты, выход которого соедин со счетным входом счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входом триггера ис управляющим входом первого регистра памяти, информационный выходсчетчика соединен с адресным входомвторого блока памяти, выход которогочерез цифровой фильтр соединен синформационным входом первого преобразователя код-напряжение.На чертеже представлена структурная схема генератора случайного импульсного процесса. 15Генератор содерхит генератор 1импульсов, делитель 2 частоты, счетчик 3, блок 4 памяти, циФровойфильтр 5, первый б и второй 7 преобразователи код - напряжение, триг Огер 8, датчик 9 случайных чисел,йервый 10 и второй 11 регистры памяти, блок 12 памяти.Все блоки устройства за исключением датчика случайных чисел 9 и цифрового Фильтра 5 являются типовымиблоками и узлами вычислительнойтехники. Генератор 1 импульсов предназначен для Формирования опорнойпоследовательности импульсов раз- ЗОвертки процесса, для чего может бытьиспользован любой из известных,например на интегральной схеме155 АГ 1 по типовой схеме включения,Для обеспечения высокой стабильности 35характеристик формируемого процесса желательно применять генераторна кварцевом разонаторе. Первый входделителя частоты 2 является счетнымвходом, второй - входом управления 40коэффициента пересчета, Наиболеепростой является реализация делителячастоты на интегральных микросхемахК 589 ХЛ 4, при этом для обеспечениятребуемого диапазона заданий коэффи-циента пересчета последовательносоединяется несколько элементов.Счетчик 3 содержит счетный вход,выход кода состояния и выход переполнения, в интегральном исполнениисуществует счетчик подобного типа155 ИЕ 7. Триггер 8 содержит счетныйвход и выход и может быть выполненна микросхеме К 155 ТМ 2,Регистры 10 и 11 содержат входыинформации, входы управления и выходы, могут быть выполнены на микросхемах регистров 155 ИР 1, 155 ТМ 8.Блок памяти 4 содержит вход адреса и выход информации,.второйблок памяти 12 содержит первый вход 60адреса, выход информации и второйвход управления, выбирающий первуюили вторую половину второго блокапамяти 12. Во время формированияпроцесса информация в обоих блоках памяти 4 и 12 не меняется, поэтомувходы записи информации не показаны.Оба блока памяти 4 и 12 могут бытьвыполнены на интегральных элементахпамяти 155 РП 1, 155 РУ 5, 155 РУ 2,188 РУ 2и др.Первый преобразователь код-напряжение б содержит вход преобразуемого кода, выход напряжения и входразрешения преобразования, второйпреобразователь код - напряжение 7содержит вход преобразуемого кода,вход опорного напряжения и выход.Преобразователи могут быть выполнены на элементах 572 ПА 1,Датчик случайных чисел 9 .редназначен для формирования трех потоковслучайных чисел с законами распределения, вычисляемыми исходя из требуемых характеристик формируемогопроцесса. Первый поток чисел поступает на 2-й выход датчика. случайныхчисел 9 два других потока в режимеразделе:"я времени поступают на 1" йвход д;тчика случайных чисел 9.В качестве датчика случайных чиселможет быть использовано известноеустройство 4, позволяющее формировать множество потоков случайных чисел с произвольными требуемыми законами .асжределения.Цифровой Фильтр 5 предназначендля коррекции поступающей на еговход последовательности кодов сучетом искажений, вносимых объектомуправления (например, электродинамическим стендом) из-за неравномерности его А.Х и Ф Х в качествецифрового фильтра может быть использовано известное 5 устройство) .Работу генератора можно представить в виде непрерывной последовательности циклов, на каждом из которых он формирует импульса заданнойФормы со случайной амплитудой А,длительностью.и паузой 8 междуокончанием данного импульса и началом последующего. Каждый цикл состоит из ряда шагов, на каждом шагепроисходит формирование однойточки импульсного процесса,К моменту начала очередного цикла триггер 8 и счетчик 3 устанавливается в нулевое состояние, и из датчика случайных чисел 9 в первый 10и второй 11 регистры записываютсяслучайные числа, задающие длительность импульса и амплитуду импульсасоответственно. В делителе частоты2 устанавливается коэффициент пересчета, задаваемый кодом, поступающим из второго блока памяти 12.Адрес считывания во второй блокпамяти 12 поступает с выхода первого регистра 10, Нулевое состояниетриггера 8 разрешает работу первогопреобразователя код - напряжение 6и считывание информации из первой половины второго блока памяти 12, Импульсы с генератора 1 импульсов поступают на первый вход делителя частоты 2, осуществляющего деление частоты последовательности импульсов с коэффициентом пересчета, определяемьм кодом числа, поступающим на второй вход делителя частоты 2 из второго блока памяти 12 генерация импульса). Период импульса с делителя частоты 2 определяет длительность шага и длительность интервала дискретизации формируемогопроцесса. Импульсы с выхода делителя частоты 2 поступают на счетный 15 вход счетчика 3. По каждому импульсу происходит последовательное увеличение состояния счетчика 3 на единицу, начиная с нулевого состояния в начале цикла. При этом из первого 20 блока памяти 4 происходит последовательное считывание записанной информа ции по адресам, формируемым счетчиком 3. Последовательность считанных кодов проходит через цифровой 25 фильтр 5, Первый преобразователь код - напряжение б преобразует последовательность кодов с цифрового фильтра 5 в аналоговую форму с учетом их знака, т.е, в электрический З 0 сигнал Формируемого импульса. Этот сигнал поступает на вход опорного напряжения второго преобразователя код - напряжение 7 и проходит на его выход с амплитудой, пропорциональной З 5 коду на входе, поступающему со второго регистра 11. Второй преобразователь код - напряжение 7 вьнолняет функцию усилителя с цифровым управлением коэффициентом усиления.В первом блоке памяти 4 записана последовательность кодов, описывающая требуемую форму сигнала. При необходимости получения этой формы в некоторой точке объекта с неравномерностями А Х и ф Х, параметры циф рового фильтра 5 А Х и Ф Х) рассчитываются на основании частотных характеристик объекта таким образом, чтобы после прохождения сигнала через объект его формы в заданной точ ке соответствовала требуемой.После того, как счетчик 3 достига. ет максимального состояния, следующим импульсом с делителя частоты 2 счетчик 3 устанавливается в нулевое 55 состояние, а триггер 8 импульсом переполнения с второго выхода счетчика 3 . - в единичное состояние. Высокий потенциал с выхода триггера 8 поступает на вход управления второ го блока памяти 12, разрешая считывание кодов из второй его половины, и на вход первого преобразлвателя код - напряжение б, запрещая дальнейшее преобразование, те. на вы ходе его - нулевой уровень. Кроме то. го, импульс переполнения поступает на вход управления первого регистра 10, и в него записывается новый код из датчика случайных чисел 9, определпощий новый адрес считывания во втором блоке памяти 12 и, соответственно, изменяется коэффициент пересче та делителя частоты 2 (генерация паузы). После того, как счетчик 3 снова достигнет максимального состояния, следующим импульсом с делителя частоты 2 счетчик 3 устанавливается в нулевое состояние, триггер 8 импульсом переполнения со второго выхода счетчика 3 - в нулевое состояние, чем разрешается работа первого преобразователя код-напряжение б, считывание информации из первой половины блока памяти 14 и производится прием новых кодов в первый 10 и второй 11 регистры из датчика случайных чисел 9, определяющих длительность и амплитуду импульса соответственно; начинается формирование следующего импульса, т,е. цикл Формирования процесса повторяется сначала,Датчик случайных чисел 9 Формирует поток чисел, принимающих значения О,Ч , Длительности импульсов и пауз принимают значения, определяемые кодами, записанными во втором блоке памяти 1 2, с вероятностями, равными вероятностям соответствующих случайных кодов, Формируемых датчиком случайных чисел 9. Во второй блок памяти 12 может быть записана любая требуемая последовательность кодов. При этом длительности импульсов и пауз) могут иметь произвольные требуемые соотношения в том .числе и кратные минимальной, как в устройстве-прототипе). Это обеспечивает возможность произвольного квантования требуемых знаков распределения, что позволяет повысить точность моделирования и адекватность формируемых воздействий реальным. Прибавление к последовательности кодов, записанной в первой или второй половине второго блока памяти 12, постоянных чисел обеспечивает задание постоянного смещенйя в длительности импульсов или пауз, т.е. обеспечивается управление смещением закона распределения. Таким образом, предлагаемое устройство формирует импульсный процесс со случайными амплитудой, длительностью импульсов и пауз между импульсами, с произвольной Формой импульса в заданной точке объекта. Предлагаемый генератор случайного импульсного процесса позволяет проводить испытания на импульсные воздействия с любой заданной формой импульса, случайныии амплитудой, 1073773 10длительностью импульса и длительностью паузы; характеризуется широ-, кими Функциональными возможностями управления параметрами случайного импульсного процесса, так как воз. можно задание произвольных соотношений между длительностями импульсов пауз), как кратных так и не кратных минимальной, простотой управ ления постоянным смещением значений длительности. В совокупности с возможностью задания произвольных ве-роятностей значений длительностей импульсов пауз) и амплитуд это позволяет настроить генератор таким образом, что имитируемый йм процесс оказывается наиболее адекватньм некоторому реальному по соответствующим статистическим характерис.гикам, временной конструкции и функции спектральной плотности мощности,Генератор обеспечивает высокую точность формирования импульсных воздействий на объекте управления например, на электродинамическом стенде) при испытаниях на случайный удар, поскольку вследствие использования цифрового фильтра 5 он воспроизводит форму импульсов на своем выходе, откорректированную с учетом вносимых объектом искажений из-за нелинейности его Ф Х и А Х, благодаря чему достигается эквивалентность испытаний изделий на различных стендах в различных условиях, При изменении условий или смене объекта управления (стенда) цифровой Фильтр перестраивается в соответствии с А Х и Ф Х объекта управления.В качестве базового объекта использована микро-ЭБМ СМвариант СМ 50/40), в состав которой входит преобразователь код - напряжение. С помощью данной ЭВМ можно .Формировать случайный импульсный . 5 10 35 20 25 ЗО 35 40 прОцесс. используя алгоРитм ФЫнкционирования предлагаемого генераторалибо другой аналогичный алгоритмбазовый объект и предлагаемый генератор обладают в принципе одинаковой точностью).Быстродействие предлагаемого ге-нератора примерно в 50-100 разбольше, чем базового объекта; стоимость базового объекта 50 тыс,руба стоимость предлагаемого устройства около 6 тыс, руб.Для обслуживания одной ЭВМ СМ 1800 требуется два человека, в товремя как один человек может обслуживать 3-5 предлагаемых устройств,Кроме того, предлагаемое устройство потребляет меньше электроэнергиии занимает значительно меньшую площадь, чем базовое,Особенно эффективно применениепредлагаемого генератора случайногоимпульса в составе автоматизированных испытательных систем. При этомуправляющая мини-ЭВМ, например"Электроника-б 0", осуществляет начальную загрузку блоков памяти генератора, датчика случайных чисел ицифрового Фильтра; затем, в процессе нескольких циклов его работы,обеспечивает постройку цифровогофильтра с учетом вносимых искаженийконкретным объектом управления например, электродинамическим стендом),добиваясь требуемой формы и параметров импульсов непосредственно наобъекте управления, после чего предлагаемый генератор случайного импульсного процесса может работатьавтономно, а управляющая ЭВМ переключается на решение других задач.Таким образом, управляющая ЭВМ можетобслуживать несколько генераторовподобного типа и выполнять в то жевремя ряд других действий, связанных с решаемой задачей.,Веселовская Техред Т.Маточка . Корректор Г.Решетник е 48В Эак ПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна или Тираж 699нИИПИ Государственногопо делам изобретений113035, Москва, Ж, Р Подписноеомитета СССРоткрытийушская наб., д. 4/5