Устройство для определения статистических характеристик

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕРЬС 3 ВУ Союз СоветскнкСоциалистическиеРеснубаик еи 716044 ф ((51)М, Кл. Ф 0615/36 Вкударстеегна 3 квинтет СССР вв деию кзобретеннй н етггрмтнй(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Изобретение относится к области вы числительной и измерительной техники и может быть использовано в приборах и автоматических системах для статистической обработки информации.Известно устройство определения ста 5 тистических характеристик ( выборочного среднего и дисперсии), содержащее счетчики-делители (два или один), счетчик среднего, счетчик дисперсии, дешифра 1 О тор (квадратор), счетчик выборки и логические элементы1. Указанное устройство основано на определении среднего по одной (вспомог 5 гательной) выборке, а дисперсии - по другой, Такой принцип построения приво:дит к ограниченным возможностями его применения, к излишним затратам времени на предварительное определение сред-него и недостаточной в ряде случаев точ- ности измерений. Ограниченные возможности обусловлены тем, что эти устройства пригодны для измерения дисперсии только внутренне стационарных процес-,сов, Б то же время реализация большинства физически важных случайных процессов не обладает свойством внутренней стационарности. В таком случае возникает методическая погрешность, обусловленная различием средних, определенных по двум различным выборкам. Болеетого, эта погрешность имеет место ипри определении дисперсии стационарныхпроцессов. Она уменьшается с увеличением объема вспомогательной выборки,по которой определяется выборочноесреднее. Однако увеличение вспомогательной выборки приводит к заметному увеличению времени измерения дисперсии.Для нестационарных процессов погрешность не может быть устранена при любом увеличении объема выборки,Наиболее близким техническим решением к данному является устройство дляопределения среднего квадратическогоотклонении, содержащее генератор импульсов и делитель частоты, счетчик44 4 блока элементов И. 3 7160среднего с поразрядно подключенным кего входам первым блоком "перейоса,два счетчика с блоком переноса междуними, счетчик-накопитель блок управления и счетчик выборки 2 . 5К недостаткам этогоустройства следует отнести недостаточно высокие точность, надежность и быстродействиА, ограниченные функциональные возможности.Цель изобретения - повышение точности и быстродействия. ЙДлядостижения указанной цели в устройство для определения статистическиххарактеристик, содержащее преобразователь аналог-код, вход которого. являетсявходом устройства, первый выход подключен к информационному входу первогоэлемента И, второй выход соединен спервым входом блока управления, а третий выход подключен к информационному 2 Овходу второго элемента И, первый выходкоторого соединен с первым информационным входом реверсивного счетчика разности, второй информационный вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, второй выход которого соеди" нен спервым информационным входомтретьего элемента И, первый и второйвыходы которого соединены соответственно с входом сложения и вычитания счетчика среднего, разрядные выходы которогоподключены к первому блоку элементовИ, накопительный счетчик, информационный вход которого соединен с первым выходом распределителя импульсов, разрядные выходы накопительного счетчика через второй блок элементов И соединеныс разрядными входами счетчика дисперсии, введен дополнительный счетчик, схема сравнения, реверсивный счетчик с дешифратором, третий и четвертый блокиэлементов И, узел управления и коммутатор, выходы которого подключены соответственно. к первому входу распределителя импульсов, к счетному входу счетчика дисперсии, к третьему информационному входу реверсивного счетчика разности, к входу делителя частоты и к информационному входу реверсивного счет-чика, первый управляющий вход которогосоединен с первым выходом второго элемента И, второй управляющий выход которого соединен с управляющим входомдополнительного счетчика, а второй управляющий вход реверсивного счетчикасоединен с первым выходом узла управления, с первым управляющим входбм"дешифратора, разрядные входы которого соединены соответственно с разрядными выходами реверсивного счетчика, первыйи второй выходы дешифратора подключены к первому и второму входам узда управления и к входам сложения и вычитания счетчика среднего, выход которогосоединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен свыходом дополнительного счетчика, разрядные входы которого подключены квыходам первого блока элементов И,а разрядные выходы через третий блокэлементов И соединены с разряднымивходами реверсивного счетчика разности,разрядные выходы которого через четвертый блок элементов И подключенысоответственно к разрядным входам счетчика дисперсии, при этом выходы схемысравнения подключены соответственно кинформационным .входам первого и треть-его блоков элементов И, реверсивного счетчика разности и ко второму входублока управления, при этом управляющий выход реверсивного счетчика разностисоединен с управляющими входами накопительного счетчика, схемы сравнения исчетчика дисперсии, четвертого блокаэлементов И, схемы сравнения и вторым входом блока управления, первый вход которого соединен с управляющим выходом дешифратора, а выход блока управления - с управляющими входами дешифратора, узла управления, третьего элемента И, схемы сравнения, третьегоблока элементов И, реверсивного счетчика разности, распределителя импульсов,преобразователя аналог-код, первогоэлемента И, делителя частоты, коммутатора, вход которого соединен с выходом первого элемента И, при этом второй вход распределителя импульсов соединен с выходом третьего элемента И, а третий и четвертый входы подключены к соответствующим информационным выходам накопительного счетчика, управляющий выход распределителя импульсов соединен с управляющим входом второго На чертеже приведена блок-схема устройства.Устройство содержит преобразователь аналог-код 1, элементы И 2, 3, 4, блок управления 5, коммутатор 6, дополнительный счетчик (делитель опорного сигнала) 7, реверсивный счетчик 8, реверсивный5 7160 литель частоты 12, узел управления 13, дешифратор 14, счетчик среднего 15, блоки элементов И 16, 17, 18, 19, схему сравнения 20, накопительный счетчик 21,Входной зажим устройства соединен с измерительным входом преобразователя аналог-код 1. Информационный выход преобразователя 1 соединен со входом элемента И 2, управляющий вход которо-, го подключен к блоку управления 5. К 1 о блоку управления 5 подключен другой выход преобразователя 1, по которому в " блок управления 5 поступают, сигналы+, /- полярности и сигналЧ; окончания каждого элемента выборки. Вход запус15 ка преобразователя 1 соединен с соответствующим выходом блока управления 5, по которому в преобразователь 1 поступают импульсы запуска., Выход генератора импульсов, имеющегося в преобразова 20 теле 1, связан посредством вентиля 3с сигнальным входом коммутатора 6, а управляющие входыэлемента И 3 и коммутатора 6 подключены к соответствующим выходам блока управления 5 Элементь 1 И 2 по одному выходу соединен со входом счетчика 7, а по другому выходу - со счетным входом второй декады реверсивного счетчика 8 и со счетным: входом реверсивного счетчика разности 9. Коммутатор 6 имеет пять выходов, которые соответственно соединены со и входом делителя частоты 12, подклю ченного по одному выходу к счетному входу реверсивного счетчика разности 9 4 О а по другому - к сигнальному входу элемента И 4. Управляющий вход элемента И 4 связан с одним выходом узла управления 13, другой выход которого связанс входом реверса счетчика 8 и управляю 45 щим входом дешифратора 14, Дешифратор 14 подключен своими входами к выходам счетчика 8, а двумя выходами - к входам узла 13 и к входам сложения и вычитания второй декады счетчика среднего 15.50 Входы сложения и вычитания первой декады счетчика среднего 15 соединены с двумя выходами элемента И 4, еще один выход которого подключен к одному из входов распределителя импульсов 1 О55 Счетчик среднего 15 поразрядно блоком элементов И 16 соединен со счетчиком 7, а последний блоком 17 - с реверсивв=.н/гДе Х 4-1 - ыймах,- 4)2С - поправка к дисперсии, обусловленная отличием среднего арифметического от опорного сигнала, причем О =Хо-Х ЬХ - погрешность вычисления дисперсии,гобусловленная погрешностью вычисления среднего арифметического в соответствии с выражением 11)./ ъЮ= -Мсчетным входом первой декады реверсивного счетчика 8, со счетным входом реверсивного счетчика разности 9, с одним З 5входом распределителя импульсов 10, сосчетным входом счетчика дисперсии 11 44 6ным счетчиком разности 9. Выходы счетчиков 7, 9, 15 соединены с входамисхемы 20, а выходы последней подключены к входам реверса счетчиков 7, 9и к управляющим входам блоков 16, 17.Реверсивный счетчик разности 9 соединен поразрядно блоком 18 со счетчикомдисперсии 11 и.по выходу - с входомсброса счетчика 21, подключенного поразрядно блоком 19 к входам счетчикадисперсии 11. Входы первой, второй итретьей декад счетчика 21, а также управляющий вход блока переноса 19 связаны с соответствующими выходами распределителя импульсов 10. Выход счетчика 11 соединен с управляющим входомблока 18 и с соответствующим входомблока управления 5. К входам блока управления 5 подключены также выходыреверсивного счетчика разности 9, схемы 20 и дешифратора 14. Выходы блокауправления 5, кроме указанных выше,соединены с управляющими входами элемента И 2, реверсивного счетчика разности 9, распределителя импульсов 10,делителя частоты 12, элемента И 4, узла 13, дешифратора 14, блока элементовИ 1 7 и схемы сравнения 20,Вычисление среднего выборочного,дисперсии и среднего квадратичного производится по известным формулам элемент выборки объе- М;опорный сигнал, относительно которого определяется приближенное значение дисперсии.6044 8чика 9. Режим работы (суммирование или вычитание) счетчика 8 задается уз лом 13 в соответствии с полярностью данного элемента выборки Х по сигналам М. или Ч-, поступающим с блока управления 5. Кроме того, если первый элемент выборки отрицателен, то узлом 13 в счетчик 8 вводится число И . Дешифратор 14 формирует сигналы на од 50 55 7 71Уровень опорного сигнала Х можновылграть, исходя из имеющихся, хотябы достаточно приближенных, сведенийоб исследуемом сигнале, Он может бытьвыбран также равным одному из мгновенных значений сигнала или вычисленпо выборке небольшого объема,Устройство работает следующим образом,Перед началом измерений по заданному объему выборки устанавливают всостояние (Й - 1) делитель частоты 12и в состояние Я - дешифратор 15. Еслиопорный сигнал Хо определяется предварительно по нескольким отсчетам анализируемого сигнала Х (1), то коэффициент пересчета счетчика 7 устанавливается равным количеству этих отсчетов.Счетчики 7, 8, 9 11, 15 находятся внулевом состоянии, в счетчике 21 записана единица, элементы 3, 4 закрыты,элемент 2 открыт по первому входу.Анализируемый сигнал Х (1) подается на вход преобразователя аналог-.код 1,который осуществляет квантование сигнала Хв точках отсчета 1, Импульсы запуска М преобразователя 1 задаются блоком управления 5. С преобразователя 1 на блок управления 5, в своюочередь поступают сигналы полярностии сигнальг М окончания каждого элемента Х выборки (если входнаяинформация зацана в виде числовых экви-.валентов Х, то сигналы + Ч- Ч и М)вводятся в блок управления 5 извне).Блоком управления 5 ведется подсчетэлементов выборки (это осуществляетсясчетчиком выборки, входящим в его состав) и формируются сигналы управления,задающие программу работы устройства.Работу устройства целесообразнорассмотреть по этапам. На первом этапевспомогательная выборка через элементИ 2 поступает в счетчик 7, в которомформируется код опорного сигнала Хо(код этого сигнала может вводиться всчетчик 7 извне, если ожидаемое среднее примерно известно).На втором этапе производится вычисление среднего по формуле ( 1) иприближенной дисперсия по формуле ( 4).По сигналу о блока управления 5 элемент И 2 закрывается по первому выходу и открывается по второму выходу.После этого элементы Х анализируемойвыборки поступают на вторую декадусчетчика 8 и на вход реверсивног о счетном из своих выходов при состоянии 0 или М счетчика 8, в зависимости от знака элемента выборки "+" или "-", соответственно, Управление дешифратором14 также осуществляется узлом 13.15.Причем дешифратор 14 построен так,что он оказывается нечувствительным кпервому импульсу, формируемому прикаждом изменении полярности элементавыборки, так как этот импульс является 20ложным. Выходные импульсы дешифратора 14 поступают на вход сложения иливход вычитания второй декады счетчикасреднего 15 и на входы узда 13. Послепоступления всего объема выборки, независимо от полярности отдельных элементов выборки, в счетчике 15 будетзафиксировано среднее Х , в счетчикеИ8 - остаток ЬХ= Я Х.-ЯХа в 30узле 13 - знак этого остатка.Одновременно с определением среднего производится вычисление приближенной дисперсии Ъ , Для этого накануне 35поступления каждого элемента выборкиМсигналом М, поступающим с блокауправления 5 на блок 17, осуществляется перенос дополнительного кода числаХо из счетчика 7 в счетчик 9. Г 1 ри поступлении на счетчик 9 с элемента И 2элемента выборки Х в этом счетчикевсегда записывается модуль разностиЬ,Х = (Х - Хо ) в дополнительномкоде. Для этого счетчик 9 выполнентак, что при ) ХО он переполняетсяи переводится в режим вычитания. Г 1 ослеокончания каждого числового эквивалента )( с блока управления 5 на счетчик9 подается сигнал ф , возвращая его в режим суммирования или поцтвержцаяэтот режим. Этим же сигналом открывается элемент ИЗ, поцключая генераторимпульсов преобразователя 1 через коммутатор 6 к счетчику 9 и распределителю импульсов 1 О, Первый входной импульс распределителя 10 не проходит насчетчик 21, а последующие импульсы поступают на вход второ о трип ера трс тьейО . 7160 цекалы этого счетчика, Каждый выходной импульс распределителя 10 полается на блок 19 для переноса показаний из счетчика 21 в счетчик лисперсци 11. При обнуления счетчика 9 на его выходе5 формируется импульс, который, поступая в блок управления 5, закрывает элемент И 3, За время открытого состояния элемента И 3 в счетчик 21 поступает число импульсов ЙМ,. а в счетчике 11 запишется число йЦ, После ввода каждофго числа ЬМ 1 счетчик 21 устанавливается в исходное состояние сигналом с выхода счетчика 9, После поступления всего объема выборки в счетчике 11 будет 5 Составляющая б вводится следующимобразом. Схема сравнения 20 по сигналу с блока управления 5 задает режимработы счетчика 7 и с некоторой здержкой переносит в него код среднего Хиз счетчика 15 посредством блока 16,Режим работы счетчика 7 определяетсязнаком среднего Х , а, следовательно, состоянием счетчика среднего 15 и устанавливается следующим образом, Если Х 1 О, то сигнал с выхода схемы 20 на реверс счетчика 7 не в 1.1 дается и последний остается в режиме суммцрова 11 ия. Если же )( 0, то схемой 20 формируется сигнал, переводящий счетчик7 в режим вычитания. Тогда при переносе показаний счетчика 15 в счетчик7 в последнем образуется прямой или дополнительный код поправки С 3=(Х- 0 при Х ) 1) - прямой коД при . Х - дополнительный кол, Затем, если 0) О, схема 20 формирует выхолцой сигнал, устанавливающий счетчик 9 в режим вычитания. Если же с О , схема 20 сигнала це формирует и счетчик 9 остается в режиме суммирования. С задержкой, обусловленной перехо 1 цъ 1 ми процессами в схеме 20 и в счетчике 9, с выхода схемы 20 постуцае сигнал ци йзафиксировано, число д А Х.Блок управления 5 изменяет состояние коммутатора 6, подключая элемент И 3 к входу вычитания счетчика 1 1 и через делитель 12 - к входу суммирования счетчика 9, Когда со счетчика 1 1 будут списаны егоК. показания, равные Ед,Х, в счетчик 25Ипоступит число импульсов В= 1,дЩ В этот момент на выходе счетчика 11 формируется сигнал, который поступает ЗО в блок управления 5, закрывая элемент 3, и на блок 18 для ввода дополнительного кода приближенной дисперсии Ъ из счетчика 9 в счетчик 11.Ка этом заканчивается второй этап З 5 и начинается третий этап - уточнение среднего Х и приближенной дисперсии2 Ъ,путем учета составляю 111 их ЬХ и С 1 в соответствии с формулой 2), Для выполнения этого этапа сигналом Уу бло ка управления 5 в схеме производятся следующие операции; счетчик 9 устанавливается в нулевое состояние, коммута тор 6 переводится в следующее состояние, подключая выход элемента И 3 к 45 входу первой декады счетчика 8, изменяется состояние расцределителя импульсов 10, переводятся в рабочее состояние элемент И 4 и схема 20, коэффициент деления делителя 12 увеличивается на 50 единицу и становится равцым ЙИмпульсы с гецератора преобразователя 1 поступают ца вход первой декады счетчика 8 (тем самым остаток увеличивается в 1 0 раз) и через делитель частоты 12 - ца вход элемента И 4, На счетчик 7 цмцу 1 ьсы поступают ца суммц ров 11 и 1 иу 1 и Вн ит ли изВ д 11 в цсимости 44 10ОГ зцака остатка Ь Хтак, 1 тоб 11 ОстафтокХ списывался, Режим работы с 1 тчика 8 задается узлом 13. Прц обцулении счетчика 8 его выходной цмнульс поступает в блок управления 5, закрывая элемент И 3. Иа счетчик среднего 15 этот импульс не проходит. За время открытого состояния элемента И 3 на счетчик 8 поступит число импульсов 1 ОЬХ, а на элемент И 4 - число импульсов 1 0 Й , Это число импульсов поступает по одному из выходов элемента И 4- либо па вход сложения, либо на вход вычитания первой декады счетчика среднего 15. Состояние элемента И 4 определяется знаком остатка в счетчике 8 и задается узлом 13. Кроме того, число импульсов 10 ЬХ с выхода элемента И 4 поступает на второй вход распределителя импульсов 10. С выхода распределителя 1 0 зто число импульсов 11 оступает на вторую декаду счетчика 21 (т, е, со сдвигом влево на один разряд по отношению к числам ЬХ лля соблюдения веса составляющей ДХ дисперсии). Эти же импульсы поступают на блок 19. В результате в счетчик 11 будет введен код составляющей ЬХ11 7 1 6 0блок 17 для переноса показаний из счетчика 7 в счетчик 9, В результате в счет-чике 9, независимо от знаков среднегои поправки О, будет записан дополнительный код поправкй Ь., Этот же сигнал, опять - такй с некоторой задержкой,переводит счетчик 9 в режим суммирования (или подтверждает этот режим) ипоступает в блок управления 5, подключая через коммутатор 6 вход распределителя 10 и вход счетчика 9 к выходу элемента И.3 и открывая последний, Импульсы с генератора преобразователя 1 поступают на счетчик 9 и распределитель 1 О.С выхода распределителя 1 0 импульсы 5по-прежнему поступают на вход второйдекады счетчика 21 и на блок 19, Приобнулении счетчика 9. сигнал с еговыхода поступает в блок управления 5,закрывая элемент 3, и на счетчик 21, 20возвращая его в исходное состояние. Завремя открытого состояния элемента И 3на счетчик 21 поступит число импульсовб 1, а в счетчик 11 - число 0 на сумЬмирование. В результате в счетчике 11будет заййСан"дополййтельный код числа1 00 ( Ъ - М -0 ). С этого момента начинается четвертый этап работы устрой-" - - ства - вычисление среднеквадратичного.С некоторой задержкой блок управления5 цзменяет состояние распределителя импульсов 10 и снова открывает элементИ 3. Импульсы с генератора преобразователя 1 через коммутатор 6 и распредели,тель 10 поступают на вход первой декадыЗ 5счетчика 21 й блок 19 аналогично вышеописанному до момента переполнения счетчика 11, импульсом которого блок управления 5 закрывает элемент И 3. Очевидно, к этому моменту в счетчик 21 будет 40введенб" число имйульсов; равнбе" искомо-му среднеквадратичному отклонению в соответствии с формулой (3).Таким образом, в счетчике среднего15 зафиксировано выборочное среднее,в счетчике 9 - дисперсия, а в счетчике21 - среднеквадратичное значение.Значения этих величин могут быть 50выведены на отсчетные устройства либо цифропечать.Использование данного устройствапозволит существенно повысить точность анализа исследуемых процессов и значительно сократить время контроля исследуемых объектов. 44 12 Формула изобретения Устройство для определения статистических характеристик, содержащее преобразователь аналог-код, вход которого является входом устройства, первый выход подключен к информационному входу первого элемента И, второй выход соединен с первым входом блока управления, а третий выход подключен к инфор мационному входу второго элемента И, первый выход которого соединен с первым информационным входом реверсивного счетчика разности, второй информационный вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, второй выход которого соединен с первым информа- ционным входом третьего элемента И, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом сложения и вычитания счетчика среднего, раз рядные выходы которого подключены к первому блоку элементов И, разрядные выходы которого подключены к первому блоку элементов И, накопительный счетчик, информационный вход которого соеди нен с первым выходом распределителя импульсов, разрядные выходы накопительного счетчика через второй блок элементов И соединены с разрядными входами счетчика дисперсии, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия устройства, оно содержит дополнительный счетчик, схему сравнения, реверсивный счетчик с дешифратором, третий и четвертый блоки элементов И, узел управления и коммутатор, выходы которого подключены соответственно к первому входу распределителя импульсов, к счетному входу счетчика дисперсии, к третьему информационному входу реверсивного счетчика разности, к входу делителя частоты и к информационному входу реверсивного счетчика, первый управляющий вход которого соединен с первым выходом второго элемента И, второй управляющий выход которого соединен с управляющим входом дополнительного счетчика, а второй управляющий вход реверсивного счетчика соединен с первым выходом узла управленияс первым управляющим входом дешифратора, разрядные входы которого соединены соответственно с разрядными выходами реверсивного счетчика, первый и второй выходы дешифратора подключены к первому и второму входам узла управления и к входам сложения и вы13 7160 читания счетчика среднего, выход кото рого соединен с первым входомсхемы" сравнения, второй вход которой соединен с выходом дополнительного счетчика; разрядные входы которого подключенык вы-5 ходам первого блока элементов И, а разрядные выходы через третий блок элементов И соединены с разрядными входами реверсивного счетчика разности, разрядные выходы которого через четвертый блок элементов И подключены соответственно к разрядным входам счетчика дисперсии, при этом выходы схемы сравнения подключены соответственно к информационным входам первого и третьего 15 блоков элементов И, реверсивного счет- чика разности и ко второму входу блока управления, при этом управляющий выход реверсивного счетчика разности соединен с управляющими входами накопительного счетчика, схемы сравнения и счетчика дисперсии, четвертого блока элементов И, схемы сравнения и вторым входом блока управления, первый вход которого,. соединен с управляющим выходом дешиф 44ратора, а выход блока управления соейинен с управляющими входами дещифратора, узла управления, третьего элемента И, схемы сравнения, третьего блока элементов И, реверсивного счетчика разности, распределителя импульсов, преобразователя аналог-код, первого элемента И, делителя частоты, коммутатора, вход которого соединен с выходом первого элемента И, при этом второй вход рас,пределителя импульсов соединен с выхо- дом третьего элемента И, а третий и четвертый входы подключены к соответ ствующим информационным выходам накопительного счетчика, управляющий выход распределителя импульсов соединен с управляющим .входом второго блока элементов И. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР М 407322, кл,(т 06 Г 15/36, 1973. 2, Авторское свидетельство СССР Мо 419899, кл.06 г 15/36, 1973.