Генератор случайной последовательности

747 А ОЮ :. ИИ С 06 Г 7/58 Г ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ" 0 С 0 ММ ВИПЛСТВУ ГОСУДАРСТВЕННИЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 688905, кл. С 06 Г 7/58, 1977.2. Авторское свидетельство СССР В 463962, кл. С 06 Г 7/58, 1972.3. Авторское свидетельство СССР . В 510706, кл. С 06 Г 7/58, 1974.4Авторское свидетельство СССР Р 687456, кл. С 06 Г 7/58, 1977.5. Авторское свидетельство СССР В 447707, кл. С 06 Г 7/58, 1972 (прототип).(54)(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ, содержащий датчик случайного напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выходу вычитателя,. вход уменьшаемого которого является информационным входом генератора, выход сумматора соединен с 0-входом первого В-триггера, С-вход которого является входом "Опрос" генератора, а выход первого Р-триггера соединен с первым входом первого элемента И, выход которого является выходом генератора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены три элемента задержки, элемент ИЛИ, три элемента И, регистр памяти, муль. типлексор, два счетчика, счетный триггер и второй Р-триггер, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход первого 0-триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, информационный выход которого соединен с первым информационным входом мультиплексора, выход которого соединен с входом регистра памяти, выход которого соединен с входом вычитаемого вычитателя, вход уменьшаемого кото. рого объединен с вторым информационным входом мультиплексора, первый управляющий вход которого объединен с входом "Сброс" второго счетчика, с первым входом элемента ИЛИ, с установочным входом второго 0-триггераи является входом "Установка" генератора, вход "Опрос" которого через первый элемент задержки соединен с вторым входом второго элемента И и непосредственно соединен с первым ФС входом четвертого элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход переполнения которого соединен с С-входом счетного триггера, инверсный выход которо- Ю го соединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И и с С-входом второго Э-триггера, Р-вход рфЬ которого подключен к шине "Логическая а, единица", выход элемента ИЛИ соединен с входом "Сброс" первого счетчика и с установочным входом счетного триггера, единичный выход которого соединен с входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым управляющим входом Мультиплексора и с входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ.1109 Указанный генератор имеет достаточное для практиЧеских целей быстро действие, но обладает повьппенной чувствительностью к изменению параметров шумового сигнала (главным образом его медианного значения). Поэтому разбаланс, появления "О" ,и "1 55 в генераторахуказанного класса обцч" но больше, чем в других, что требу,ет введения в конструкцию генерато 11Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к генераторам случайной последовательности двоичных цифр, и может быть использовано при построении датчиков равномерно распределенных случайных чиселкак функциональных модулей ЭВМ, а так.же для создания стахастических машини моделей, основанных на использовании метода статистических испытаний. 10Известен генератор случайных чисел, основанный на использовании случайных состояний бистабильной схемыпри периодическом и одновременномподключении к ней конкурирующих 15управляющих. сигналов 1 3.Для генераторов указанного типахарактерна низкая устойчивость режима равновероятной установки бистабиль.ной схемы, что приводит к преобладанию в последовательности длинныхсерий единиц и нулей. Для устраненияэтого явления применяются специальные автоматические схемы, что приводит, однако, к нарушению естественной случайности и оперативной выдачислучайных чисел,Известен также генератор случайныхчисел, основанный на пересчете импульсов периодической последователь- З 0ности за случайный интервал времени 2 1 .С целью достижения высокого уровня равновероятности и независимостибинарных символов в условиях неравномерной плотности распределения случайных временных интервалов в генераторах указанного типа используетсярежим многократного переполнениясчетчика. Величина коэффициента пере"40полнения обычно составляет десяткипериодов опорной последовательности,что резко снижает их общее быстродействие,Известен генератор случайных чисел, основанный на дискретизациинепрерывного шумового сигнала подвум уровням 3 . 747ров аппаратурных средств его компенсации.Известен также генератор случайФных двоичных цифр, содержащий источники формирования первичного случайного напряжения и блок суммирования по модулю два, Р-триггеры, Р-входы которых соединены с выходами источников формирования первичного случайно. го напряжения соьтветственно, выходы триггеров соединены с входами блока суммирования по модулю два, а синхронизационные входы Р-триггеров соединены между собой и подключены к входу "Опрос" генератора. В указанном устройстве применение Р-триггеров исключает нежелательную возможность смены состояний на вхо- . дах блока суммирования по модулю два в моменты поступления сигналов считывания, а наличие в схеме блока суммирования повышает равновероятность появления элементов генерируемой последовательности и снижает уровень ее автокорреляции 4 3. Эффективное выравнйвание блокомсуммирования вероятностей появлениявыходных сигналов предполагаетвысокую стабильность равновероятности их появления на входах сумматора,что не может быть выполнено ввидунизкой температурной стабильноститриггерных пороговых элементов иисточников формирования первичногослучайного напряжения.Наиболее близким к предлагаемомуявляется генератор случайной последовательности, содержащий датчик случайного напряжения, выход которогосоединен с первым входом сумматора,второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключенк выходу вычитателя, вход уменьшаемого которого является информационнымвходом генератора, выход сумматорасоединен с Р-входом первого Р-триггера, С-вход которого является входом "Опрос" генератора, а выходпервого Р-триггера соединен с первымвходом первого элемента И, выход которого является выходом генератора 53Недостатком известного генератораеявляется невысокая точность воспроизведения законов распределения ве"роятностей,Цель изобретения - повышение точности генератора.Для достижения .поставленной цели в генератор случайной последовательности, содержащий датчик случайного напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выходу вычитателя, вход уменьшаемого которого является информационным входом0 генератора, выход сумматора соединен с Э-входом первого Э-триггера, С-вход которого является входом "Опрос" генератора, а выход первого П-триггера соединен с первым входом первого15 элемента И, выход которого является выходом генератора, введены три элемента задержки, элемент ИЛИ, три элемента И, регистр памяти, мультиплексор, два счетчика, счетный триггер и второй П-триггер, выход которого20 соединен с вторым входом первого элемента И, выход первого Р-триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен25 с первым входом третьего элемента И, . выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, информационный выход которого соединен с первым информационным входом мультиплексора, выход которого соединен с входом регистра памяти, выход которого соединен со входом вычитаемого вычитателя, вход уменьшаемого которо. го объединен с вторым информационным входом мультиплексора, первый управ ляющий вход которого объединен с входом "Сброс" второго счетчика, с первым входом элемента ИЛИ, с установочным входом второго 0-триггера и является входом "Установка" генератора, 40 вход "Опрос" которого через первый элемент задержки соединен с вторым входом второго элемента И и непосредственно соединен с первым входом четвертого элемента И, выход которого 45 соединен со счетным входом второго счетчика, выход переполнения которо" го соединен с С-входом счетного триг. гера, инверсный выход которого соединен с вторыми входами третьего и 50 четвертого элементов И и с С-входом второго Р-триггера, 0-вход которого подключен к шине "Логическая единица", выход элемента ИЛИ соединен с входом "Сброс" первого счетчика и с устано вочным входом счетного триггера, единичный выход которого соединен с входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым управляющим входом мультиплексора и с входомтретьего элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ,На фиг. 1 приведена блок-схема генератора; на фиг. 2 - схема блокаопределения отношения частот.Генератор содержит сумматордатчик 2 случайного напряжения, цифроаналоговый преобразователь 3, вычитатель 4 с информационным входом 5уменьшаемого, блок 6 определенияотношения частот, 0-триггер 7 с входом 8 "Опрос", элемент И 9, выход 10,элемент И 11, элемент 12 задержки,блок 6 и элементы 11 и 12 образуютблок 13 текущих вероятностей, который содержит вход 14 "Установка",элемент ИЛИ 15, триггер 16, счетчик 17, мультиплексор 18, элементы 19и 20 .задержки, счетный триггер 2 1,элементы И 22 и 23, счетчик 24, регистр 25 памяти с выходом 26,вход 27мультиплексора 18, входы 28 и 29элементов И 22 и 23, выход 30 Р-триггера 16Генератор работает последовательно в двух режимах: подготовки и генерирования случайной последовательности двоичных цифр.В режиме подготовки с входа 5 напервые информационные входы вычитателя 4 и блока 6 поступает цифровойкод нормативного значения вероятности появления выходного сигнала генератора, после .чего на вход 14 воз"действует импульсный сигнал установя Гки в исходное состояние, которыйустанавливает в нулевое состояниетриггеры 16, 21 и суммирующие счетчики 17 и 24, а также воздействуетна первый управляющий вход мультиплексора 18. При этом с инверсноговыхода счетного триггера 21 на вторые входы элементов И 22 и 23 посту"пает сигнал логической "1", а присутствующий на входе 27 код нормативного значения вероятности появления выходного сигнала генератора фиксируется в регистре 25 и через информационный выход 26 поступает на второй вход вычитателя 4. Посколькупри работе генератора в режиме подготовки на оба входа вычитателя 4 поступают коды одного и того же чис-ла, на его выходе образуется код нулевого состояния, которьп преобразуется цифроаналоговым преобразователем 3 в нулевой аналоговый сигнали поступает на второй вход сумматора 1При этом шумовой аналоговыйсигнал с выхода датчика 2 случайного напряжения поступает на первый вход сумматора 1, с выхода которого без 5 каких-либо изменений поступает на Р-вход первого Р-триггера 7.В моменты поступления на вход 8 положительных перепадов импульсов опроса генератора первый Р-триггер 7 принимает состояние "0" или "1" в зависимости от соотношения в указанные моменты времени значений напряжения на его Р-входе и напряжения порога срабатывания первого Р"триггера 7 по 15 входу Р . В случае установления первого Р-триггера 7 данным импульсом опроса в состояние логической "1" сигнал этого состояния с прямого выхода первого Р-триггера 7 поступает 20 на первый вход элемента И 11, где стробируется тем же импульсом опроса, поступившим через элемент 12 задерж" ки на второй вход элемента И 11,и переводится в импульсный сигнал наличия "1" на выходе первого О-триггера 7.1Импульсные сигналы наличия "1" на выходе первого Р-триггера 7 с выхода элемента И 11 поступают на второй вход блока 6, на третий вход которо 30 го поступают импульсы опроса генератора. При этом .импульсные сигналы наличия "1" на выходе первого Р-триггера 7 проходят через первый вход 28 элемента И 22 и накапливаются в счет-З 5 чике 24 появления случайных сигналов генератора, а импульсы опроса генератора, которые представляют собой сигналы наличия как "О", так и "1", на выходе Р-триггера 7, проходят че 40 рез первый вход 29 элемента И 23 и накапливаются в счетчике 17. В момент переполнения счетчика 17 перепад напряжения на выходе его старшего разряда устанавливает счетчный триг гер 21 в состояние логической "1". На инверсном выходе счетного триггера 21 появляется сигнал логического "0", который блокирует прохождение импульсных сигналов через элементы И 22 и 23 по входам 28, 29 и фиксирует состояния счетчиков 17 и 24. На этом цикл измерения текущей вероятности .появления логической "1" на выходе первого Р-триггера 7 заканчивается, во всех разрядах счетчика 17 фиксируются логические "О", а в счет-. чике 24 появления случайных сигналов генератора фиксируется цнфровои код текущей вероятности появления 1 логической "1" на выходе первого Р-триггера 7 при отсутствии корректирующего воздействия на втором вхо- . де блока 1 суммирования.Точность получения кода текущей вероятности появления логической " 1" на выходе первого Р-триггера 7 непосредственно Зависит от объема статистической выборки, на которой она вычисляется, и определяется разрядностью счетчика 17. Напряжение логи 11ческои 1 с прямого выхода. счетного триггера 2 1 через интервал времени, определяемый элементом 20 задержки, поступает на вход элемента 19 задержки, а также воздействует на второй управляющий вход мультиплексора 18. В результате. этоговоздействия содержимое счетчика 24 появления случайных сигналов генератора поступает в регистр 25, с выхода 26 которого цифровой код текущей вероятности появления логической"1"на выходе первого Р-триггера 7 поступает на второй вход вычитателя 4, на выходе которого образуется цнфровой код разности нормативного и текущего значений вероятности появления логической "1" на выходе первого Р-триггера 7. Цифроаналоговый преобразователь 3 преобразует цифровой код разности в аналоговый сигнал,который суммируется в блоке 1 суммирования с шумовым аналоговым сигна"лом датчика 2 случайного напряжения.Если разность между нормативным итекущим значениями вероятности появления логической "1" на выходе первого Р-триггераравна "О", аналоговый сигнал на втором входе блока 1 суммирования отсутствует и сигналс датчика 2 случайного напряженияпередается на Р-вход первого Р-триггера 7 без изменений, Если текущеезначение вероятности появления. логи 1 1ческои 1 на выходе первого Р-триггера 7 ниже нормативного значениявероятности его появления, вычитатель 4 вырабатывает положительноезначение. цифрового корректирующегосигнала, которбе в,аналоговой формесуммируется в блоке 1 суммированияс сигналом датчика 2 случайногонапряжения и повьппает медианное значение последнего относительно порогового значения напряжения на Р-входе первого Р-триггера 7. Текущая вероятность появления логической "1"на выходе первого Р-триггера 7 приэтом увеличивается, Если текущее значение вероятности появления логической "1" на выходе первого Р-триггера 7 превышает нормативное значение вероятности его появления, вычитатель 4 формирует отрицательноезначение цифрового корректирующегосигнала, которое понижает медианноезначение сигнала датчика 2 случайногонапряжения относительно пороговогозначения напряжения на Р-входе перво.го Р-триггера 7, чем вызывает снижение вероятности появления сигналалогической "1" на выходе первогоР-триггера 7,После воздействия управляющегосигнала на второй управляющий вход 20мультиплексора 18 через интервал вре-.мени, определяемый элементом 19 задержки, с выхода последнего на второйвход элемента ИЛИ 15 поступает сигнал логической "1". На выходе элемен та ИЛИ 15 появляется сигнал, которыйпереводит в состояние логического 0все разряды счетчика 24 и счетныйтриггер 21, на инверсном выходе которого появляется сигнал логической "1". зОПри этом сигнал логической "1" на ин"версном выходе счетного триггера 21разблокируетпрохождение импульсныхсигналов через элементы И 22 и 23по входам 28 и 29 соответственно иодновременно с этим переводит второй Р-триггер .16 в состояние логи"ческой "1". Сигнал этого состоянияс выхода 30 второго Р-триггера 16воздействует на второй вход элемента И 9 и открывает прохождение сигналов логической "1" с выхода первого Р-триггера 7 на выход 10 генератора, Подготовительный режим работыгенератора на этом заканчиваетея исменяется режимом генерации случайнойпоследовательности двоичных цифр.,который отличается от подготовительного режима отсутствием импульсовустановки в исходное состояние на. вхо 5 Оде 14 установки в исходное состояние.В результате этого второй Р-триггер. 16 в течение всего режима генерации находится в состоянии логической " 1", а с его выхода 30 на второй вхбд элемента И 9 постоянно поступает управляющий сигнал, который обеспечивает прохождение случайной последовательности двоичных цифр с выхода первого триггера 7 на выход 10 генератора. Информационный вход 27 и первый управляющий вход мультиплексора 18 не используются, а счетный триггер 2 1 и счетчики 17 и 24 автоматически принимают необходимые для нормальной работы блока 6 состояния. При этом измерение текущих значений вероятнос тн появления логической "1" на. выходе 10 генератора происходит отдельными циклами, каждый из которых начинается с заполнения импульсами наличия логической "1" на выходе первого Р-триггера 7 и импульсами опроса генератора счетчиков 24 и 17. соответственно, а завершается выдачей результата измерения с информационных выходов счетчика 24 в регистр 25 и последующим обнулением счетного триггера 21 и счетчика 24. Элементы 19 и 20 задержки включены в схему блока 6 с целью более четкого разделения во времени процесса фиксации текуЩего результата измерения в счетчике 24, процесса его занесения в регистр 25, момента завершения переходного процесса на Р-вхо.де первого Р-триггера 7 после поступления очередного корректирующего воздействия .на второй вход блока 1 суммирования и момента начала последующего цикла измеренияВ течение каждого из циклов измерения текущего значения вероятности появления логической "1" на выходе 10 генератора на второй вход блока 1 суммирования воздействует аналоговый корректирующий сигнал, соответствующий зафиксированному в регистре 25 цифровому значению предшествующего результата измерения. Поскольку значение корректирующего сигнала стабилизирующей обратной связи генератора вырабатывается непосредственно на основе сигнала датчика 13 вероятности появления выходного сигнала, цифровое значение которого не зависит от амплитудных и временных характеристик первичного шумового и управляющих сигналов, качество работы предлагаемого устройства полностью не зависит от частоты и скважности управляющих импульсов, а также от статистических распределений амплитулных и временных характеристик первичного случайного сигнала датчика 2 случайного напряжения. Для правильной9 1109747 10работй даечйка 13.вероятности появле- должно быть больше времени срабатыния выхоФвого сигнала генератора вания первого Э-триггера 7 по его время задераки элемента 12 задержки тактируемому входу.1109747 и Составитель А.Карасовактор А.Мотыль Техред М.Кузьма Корректор Е.Сирохман илиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная каз 6085/34, Тираж 699 ВНИИПИ Государственног по делам изобрет 113035, Москва, Ж-.35, РаушПодписное комитета СССР ий и открытий ая наб., д. 4/5