Генератор случайного процесса

ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Минский радиотехнический институт(56) 1, Авторское свидетельство СССР Р 391577, кл. 0 06 Г 7/58, 1971,2, Авторское свидетельство СССР Р 734768, кл. 0 06 Р 7/58, 1978.3, Авторское свидетельство СССР Р 767745, кл. 0 06 Г 7/58, 1978,4, Авторское свидетельство СССР гр 732947, кл. 0 06 г 7/58, 1978. (54 )(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого делителя, частоты, датчик случайных чисел, первый блок памяти, о т л и.ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он содерит второй делитель частоты, два накапливаюцих сумматора, три блока памяти, три преобразователя код-напряение и формирователь импульсов, выход которого соединен с входом датчика случайных чисел и первыи управляющими входами первого и. второго накапливающих сумматоров, вторые управляющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго делителей частоты, управляющие входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам первого блока памяти, треТий и четвертый выходы которого соединены с информационными входами соответственно первогои второго накапливающих сумматоров, информационный выходы которых соединены с адресныии входами соответственно второго и третьего блоков памяти, выходы которых соединены с информационными входами соответ.твенно первого и второго преобразователей код-напряжение, первый, второй и третий выходы датчика случайных чисел соединены соответственно с адресным входом первого блока памяти, установочным входом первого накапливающего сумматора и адресным входом четвертого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом третьего преобразователя код-напряхение, выход которого является выходом генератора, выход первого преобразователя код-напряжение соединен с управляюцим входом второго преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с управляющим вхо" дом третьего преобразователя коднапряжение, выход генератора импульсов соединен с входом второго делителя частоты, выход переноса второго накапливающего сумматора соединен с входом формирователя импульсовИзобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано прч построении имитационномоделнрующей аппаратуры для решениязадач исследования и оптимизацииструктурно-сложных систем для испытаний на вибрационные и другиевоздействия,Известно устройства, содержащееблок генераторов первичного нормаль ного шума, блок формирующих фильтров, сумматор и нелинейный безынерционный преобразователь, позволяющее формирование случайного процессас произвольной функцией спектральной плотности мощности (СПИ) в фикси рованном диапазоне частот 1Недостатками устройства являютсясложность технической реализации засчет множества генераторов первичнога нормального шума и формирующих 20фильтров; ограниченность частотногодиапазона; низкая точность воспроизведения заданной функции спектральнойплотности мощности,Известно устройство, содержащее 25генератор случайных чисел, группугенераторов импульсов, группу счетных триггеров и группу элементов И,многовходовую схему ИЛИ, регистр,сумматор, блок памяти, два счетчика З 0и циклический регистр сдвига 21,Недостатками устройства являютсянизкое быстродействие, так как одинотсчет выходного процесса формируется путем последовательного суммирования совокупности коэффициентов,тем большей, чем больше требуетсяточность; сложность технической реализации при необходимости обеспечения высокой точности, так как приэтом устройство содержит большееколичество генераторов импульсов,триггеров и элементов И, или низкаяточность при малых аппаратурных затратах.Наиболее близким к предложенномупо технической сущности является генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, делительчастоты, датчик случайных чисел,счетчик, блок памяти. Указанные блоки соединены последовательно, второйвход счетчика соединен с выходом генератора импульсов, выход блокапамяти является выходом устройства.Работу устройства можно представить 55как последовательность циклов, накаждом из которых путем последовательного циклического чтения и информации из блока памяти, начинаясо случайного в начале цикла адреса,формируется отрезок реализации процесса.Формируемый устройством процесс представляет собой последовательность "склеенных" отрезков одной периодической функции со случайныминачальными фазами. В блок памятизаписывается период полигармонической функции, представляющий собойсумму гармонических функций с частотами, кратными самой низкочастотной гармонической функции, и с определенными соотношениями амплитуд.При этом функция спектральной плот-,ности мощности Формируемого процесса аппроксимируется сум 1 ой компонентных функций типа бтх2 с равнойшириной основных лепестков, сдвинутых па частоте с равномерным шагом,с весами пропорциональными амплитудам соответствующим им г-рманик 3 .Недостатком устройства являетсянизкая точность воспроизведения заданных функций спектральной плотности мощности,Цель изобретения - повышениеточности задания функции спектральнойплотности мощности формируемогопроцесса.Поставленная цель достигаетсятем, что в известный генератор случайного процесса, садержаший генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого делителя частоты, датчик случайных чисел, первыйблок памяти, введены второй дели-.тель частоты, два накапливающих сумматора, три блока памяти, три преобразователя код - напряжение и формирователь импульсов, выход которогосоединен с входом датчика случайныхчисел и первыми управляющими входамипервого и второго накапливающихсумматоров, вторые управляющие входы которых подключены соответственнок выходам первого и второго делителей частоты, управляющие входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам первого блока памяти, третий и четвертый выходы которого соединены с информационными входами соответственно первогоивторого накапливающих сумматоров,информационные выходы которых соединены с адресными входами соответственно второго и третьего блоковпамяти, выходы которых соединены синформационными входами соответственно первого и второго преобразователей код - напряжение, первый,второй и третий выходы датчика случайных чисел соединены соответственно с адресным входом первого блока памяти, установочным входом первого накапливающего сумматора иадресным входом четвертого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом третьего преобразователя код - напряжение, выходкоторого является выходом генератора, выход первого преобразователякод - напряжение соединен с управ 1073774ляющим входом второго преобразователя код - напряжение, выход кото.рого соединен с управляющим входомтретьего преобразователя код - напряжение, выход генератора импульсовсоединен с входом второго делителя5частоты, выход переноса второго на"капливающего сумматора соединен свходом формирователя импульсов,функция СЛМ формируемого процесса аппроксимируется композициейкомпонентных функций с большей концентрацией мощности в основном лепестке по сравнению с компонентнойфункцией9 а Х / Х, с произвольнойуправляемой шириной основного лепест ка и с произвольным управляемым положением центров компонентных Функций по оси частот, что позволяетвыполнить оптимальную аппроксимациюи существенно повысить точность воспроизведения произвдльной заданнойфункции СПМ.На чертеже представлена структурная схема устройства.Генератор содержит генератор 1 25импульсов, первый делитель 2 частоты,накапливающий сумматор 3, блок 4памяти, первый 5, второй 6 и третий7 преобразователи код - напряжение,датчик 8 случайных чисел, блок 9 па- З 0мяти, накапливающий сумматор 10,блок 11 памяти, второй делитель 12частоты, формирователь 13 импульсов,и блок 14 памяти,Генератор 1 импульсов предназначен для формирования опорной последовательностиразвертки процесса,может быть выполнен на микросхеме155, АГ 1 по типовой схеме включения,для обеспечения высокой стабильнос.ти характеристики формируемого процесса желательно применить генераторна базе кварцевого резонатора. Делители частоты 2 и 10 содержат входыисходной последовательности 1),входы задания коэффициента пересчета 2) и выХоды поделенной последовательности, делители частоты могутбыть выполнены на микросхемах589 ХЛ 4, 155 ИЕ 9.Сумматоры 3 и 10 накапливающего 50типа, Сумматор 3 содержит выходысинхронизации суммирования (1), аргумента (2), задания кода начально.го состояния (3), синхронизацииустановки начального состояния 4) 55и выход суммы. Сумматор 10 содержитвыход суммы (,1), выход сигнала переполнения 2) и входы аргумента (1),синхронизации суммирования (2) иустановки нулевого состояния, 60Одним из вариантов сумматора 10является накапливающий сумматор, содержащий комбинационный сумматор ирегистр, вход первой переменной комбинационного сумматора являетсявходом аргумента накапливающего сум 65 матора, выход соединен с входом параллельной записи информации регистра, выход которого соединен с вторьмвходом комбинационного сумматора иявляется выходом накапливающего сумматора, вход синхронизации регистраявляется входом синхронизации суммирования, а вход обнуления регистравходом обнуления накапливающего сумматора. Комбинационный сумматор может быть выполнен на микросхемах155 ИМ 3, 155 ИП 3, регистр -155 ТМ 2, 155 ТМ 8,Накапливающий сумматор 3 содержит вход начальной установки впроизвольное состояние, в качествекоторого может быть использованописанны выше накапливающий сумматор при условии использования регистра с установочными разрядамии 5 -входами на микросхемах155 ТМ 2)При этом накапливающийсумматор 3 дополнительно содержитсхему управления записью информациив регистр, соединяемую с К - и5-входами. Каждый разряд схемы управления записью содержит два двухвходовых элемента И-НЕ, первые входыпервых элементов И.-НЕ являются входом задания .начального состояниянакапливающего сумматора, выходыпервых элементов И-НЕ соединены с пер.выми входами вторых элементов И-НЕи с 5 -входами триггеров регистра,выходы вторых элементов И-НЕ соединены с К -входами триггеров регистра,вторые входы всех элементов И-НЕсоединены и являются входом синхронизации записи начального состояниянакапливающего сумматора. Для построения схемы управления записью можно использовать микросхемы 155 ЛА 3,Блоки памяти 4, 9, 11 и 14 содержат входы адреса и выходы информации состояние блоков памяти во время Формирования процесса не изменя-ется, поэтому входы записи информации не показаны) и могут быть выпол"иены на микросхемах памяти 155 РУ 2,541 РУ 1 и др.Преобразователь код - напряжение5 содержит вход преобразуемого кода и выход напряжения. Преобразователи код - напряжение б и 7 помимовыхода и входов 2 кодов содержатвходы 1 опорного напряжения. Дляпостроения преобразователей код -напряжение существует рйд интегральных преобразователей и операционных усилителей различного быстродействия и точности, например интегральные схемы 572 ПА 1 и 544 УД 1, включенные по типовой схеме.формирователь импульсов 13 предназначен для выработки импульса повозникнованию на выходе сумматора10 сигнала переполнения, может бытьвыполнен на микросхеме 155 АГ 3.Датчик случайных чисел 8 предназначен для формирования трех потоков случайных чисел: случайные числа по входу 2 равномерно распределены, числа, поступающие на выходы 1 и 3, имеют распределения, вычисляемые исходя из требуемых характеристик Формируемого процесса. В качестве датчика случайных чисел может быть использовано устройство, позволяющее формирование множества потоков случайных чисел с произвольными требуемыми законами распределения,Сущность генерации предложенным устройством случайного процесса заключается в Формировании примыкающих отрезков гармонических функций с огибающей произвольной требуемой формы, со случайно изменяющдся от отрезка к отрезку начальной фазой,1 О частотой, длительностью и ам 1 литудой:,7 ОФормирование отрезка гарМонической функцииосуществляется путем преобразования в напряжение электрического сигнала преобразователем 5 циклически считываемой из блока памяги 4 последовательности кодов, описывающих один период синуса, Длительность периода дискретизации формируемого отрезка определяется длительно:тстью периода следования на выходеделителя частоты 2. Линейно-цикличес".ки изменяющиеся адреса чтения отсчетов гармонической Функции Формируются накапливающим сумматором 3 путем суммирования постоянного в течение длительности отрезка гармонической Функции числа, Задание случайной начальной фазы отрезка гармонической функции осуществляется записью в начале формирования отрезка в сумматор 3 случайного числа. С помощью преобразователя б осуществляетсямодУляция отрезка гармонической Функции последовательностью кодов огибаюцей, записанной в блоке памяти 11, адреса чтения блока памяти линейно изменяются с постоянным шагом длякаждого формируемого отрезка гармонической Функции и формируотся сумматором 10, причем частота смены адресов определяется частотой следования50импульсов на выходе делителя частоты12, С помощью преобразователя код напряжение 7 осуществляется формирование случайной от отрезка к отрезкуамплитуды, пропорциональной .считывае мым по случайным адресам кодам изблока памяти 14.Формирование нового отрезка начинается после выработки Формирователем13 импульса, по которому в накапли О вающий сумматор 3 записывается случайное равномерно распределенное число с выхода 2 датчика случайных чисел 8, чем обеспечивается задание случайной равномерно распределенной начальной Фазы, сумматор 10 устанав-. ливается в нулевое состояние, на выходы 1 и 3 датчика случайных чисел поступает пара новых случайных чисел. Из блока памяти 9 по адресу, определяемому кодом случайного числа с выхода 1 датчика случайных чисел 8, считываются четыре кода. Коды с выходов 3 и 4 определяют частоту и шаг изменения адресов чтения отсчетов синуса иэ блока памяти 4 и, следовательно, частоту Ы, Формируемого отрезка гармонической Функции. По последовательно циклически считываемой начиная со случайного адреса последовагельности кодов из блока па"мяти 4 на выходе преобразователя код - напряжение 5 Формируется электрический сигнал отрезка гармонической Функции, поступающей на вход 1 опорного напряжения преобразователя код - напряжени;-; 6. Коды с выходов . ;. блока памяти 9 определяют шаг и-. е:-ения н длительность интервалов изменения =.Д 1 ясОВ чтения из блока памяти 11 кодов огибаюцей. Коды из блока памяти 11 поступают на вход 2 пресбраэователя код - напряжение б, на выходе преобразователя б получается сигнал, поступающий на вход 1 опорного напряжения с амплитудой пропорциональной коду на входе 2. Коды иэ блока памяти 11 читаются последовательно начиная с нулевой ячейки с момента начала Формирования отрезка гармонической Функции по линейно изменяющимся с постоянным шагом адресам, при этом на выходе преобразователя код - напряжение б Формируется отрезок гармонической Функции с огибающей ампли. туды, определяемой последовательнос тью кодов, записываемой в блок памяти 11. Сигнал с выхода преобразователя код - напряжение б проходит на выход устройства через преобразователь код - напряжение 7 с амплитудой, пропорциональной считываемому иэ блока памяти 14 коду по постоянному для данного отрезка адресу, но случайно изменяюцемуся от отрезка к отрезку. Формирование отрезка гармонической функции заканчивается после прохождения сумматором 10 ,последовательности состояний от нулевого до максимального и выработки на его входе 2 сигнала переполнения, по которому Формирователь импульсов 13 вырабатывает новый импульс, запускаюций, устройство на генерацию следующего отрезка.Частота я. связанная с ней длитедьность Т отрезков гармонических Функций, принимают И произвольныхтребуемых значений, задаваемых записанными в блок памяти 9 кодами, с вероятностями, определяемыми закономДля формирования периодического процесса с произвольной формой сигнала на периоде последовательность отсчетов задания период сигнала записывается в блок памяти 4 или 11, при этом с выхода другого блока памяти во время формирования процесса должен поступать постоянный код, что обеспечивается, например, записью во все ячейки постоянного числа.10Предложенное устройство обеспечи-вает высокую точность воспроизведения произвольных функций спектральных плоскостей мощности, особенно при необходимости Формирования про цессов с наличием в функции СПМ высокодобротных всплесков и провалов, В последнем случае плавные участки функции СПМ аппроксимируются компонентными функциями с большой шири О ной основного лепестка, участки, содержащие всплески и провалы, аппроксимируются компонентными функциями с узкой полосой, причем, чем больше добротность всплеска или 25 провала, тем уже задается ширина ос" новного лепестка аппроксимирующих компонентных функций, В устройстве- прототипе аппроксимация функций СПМ осуществляется композицией компонентных функций с постоянными соотношениями ширины их фрагментов, Концентрирующих основную мощность, Поэтому, например, устройство-прототип не позволяет формирование 35 случайных процессов с всплесками и провалами в спектре с добротностью, большей добротности основных лепестков соответствующих аппроксимирующих функций(бд Х /х) . Кроме того, вследствие достаточно большой концентрации мощности в боковых лепестках, формирование процессов с высокадобротными провалами в спектре прототипом затруднительно В предложенном устройстве в данном случае возможно применение временного окна, дающего компонентные функции высокой прямоугольности и концентрации мощности в основном лепестке. Возможность задания в предложенном устройстве 50 как длительности интервала дискретизации так и шага изменения адресов чтения отсчетов гармонической функции обеспечивает высокую точность задания значений частот отрезков гарконических функций и, следовательно, ,центральных частот компонентных функ-, ций, что особенно существенно в об., ласти высоких частот; в предложенном Устройстве можно выбирать значения 6 О ЛТ и ай, обеспечивающие наибольгт.шую точность задания ц , Аналогично, с целью повышения точности задания длительностей отрезков гармонических .функций в предложенном уст ройстве управляются. частота и шагизменения адресов чтения отсчетовокна,Предложенное устройство обеспечивает возможность независимого задания спектральных характеристик и закона распределения амплитуд гармоникили закона распределения мгновенныхзначений процесса, Обеспечение возможности задания требуемых сдектральных и вероятностных .характеристикобусловливает высокую адеква.ностьформируемых воздействий при исследовании реальных объектов реальнымивоздействиями, что повышает точностьи достоверность получае;-.;.х при м;,лелировании или испытаниях результатов.Предложенный генератор обладаетвысоким быстродействием. Иа одинформируемый отсчет выходного процесса требуется выполнения одной сперации чтения памяти, Устройство позволяет фориирование случайных процессовв широком диапазон . частот с большойшириной спектра.Пс сравнению с серийно выпускаемыми генераторами, например с генератором случайных процессов установки СУВУ-ШСВЗ, предложенный обладаетвсеми преимуществами, изложеннымивыше.,Гс,нератор случайных процессовУстановки СУВУ-ШСВЗ содержит 120формирующих фильтров с фиксированными амплитудно-частотными характеристиками, при этом нельзя формировать процессы с провалами и всплесками в спектре с шириной, меньшейширины полосы пропускания соответствующих фильтров, Кроме того,диапазон частот установки СУВУ-ШСВЗ5 Гц - 2 кГц, установка не позволяет изменения закона распределения формируемого процесса. Генератор установки СУВУ-ШСВЗ имеет веси габариты приблизительно в 10 разбольше предложенного генератора.В качестве базового образцапринята мини"ЭВМ СМ 1800 вариантСМ 50/40, в состав которой входитпреобразователь код - напряжение.С помощью данной ЭВМ можно формировать псевдослучайный процесс, используя алгоритм функционированияпредложенного устройства. При этоми базовый образец и предложенноеустройство обладают одинаковой точностью. Однако при программной реализации частота фориируемого ЭВМпроцесса значительно меньше по сравнению с частотой процесса, фориируемого предложенным устройствоив40-50 раэ) . Стоимость данного варианта ЭВМ СИ 1800 50 тыс.руб ориентировочная стоимость предложенногоустройства 4 тыс. руб.Применение данного генератора случайных процессов в составе авто12 1073774 Составитель А.КарасовРедактор Л.Веселовская Техред Л,Микеш КорРектоР И.Эрдейи Заказ 331/48 Тираж 699 ПодписНое ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП "Патент", г, ужгород, ул, Проектная, 4 матизированных испытательных систем и имитационно-моделируюцих комплексов Асширяет класс задач, решаемых в реальном масштабе времени, управлянждя ЭВМ системы комплекса освобождается от решения задачи Формирования случайных процессов и можетвыполнять в это время ряд другихдействий, связанных с решаемой задачей.