Устройство для измерения двумерных распределений случайных процессов
Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для измерения двумерных плотностей распределения вероятностей случайных процессов. Техническим результатом является измерение двумерного распределения случайного процесса с заданным качеством за минимальное время за счет контроля качества в процессе измерения двумерного распределения случайного процесса и окончания измерения, если критерий качества ниже заданного значения. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор адреса, сумматор, элемент И, элемент ИЛИ, два блока памяти, блок контроля качества, блок деления, блок индикации, счетчик числа отсчетов, реверсивный счетчик, блок управления, блок контроля качества. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Заявляемое устройство относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для измерения двумерных плотностей распределения вероятностей случайных процессов.
Известно устройство для трехмерного анализа случайных процессов (авт. св. СССР № 417791, МПК 6 G 06 F 17/18, 1974 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь и блок формирования плотности распределения вероятностей, содержащий блок памяти и сумматор.
Недостатками устройства являются отсутствие контроля за качеством измерения и невозможность задания временного сдвига.
Известно устройство для определения законов распределения вероятностей случайных процессов (авт. св. СССР № 834709, МПК 6 G 06 F 17/18, 1981 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, счетчик числа отсчетов и блок индикации.
Недостатки устройства - отсутствие контроля за качеством измерения, последовательное измерение двумерного распределения случайного процесса, невозможность задания временного сдвига и фиксированное количество отсчетов случайного процесса.
Известен многоканальный статистический анализатор (авт. св. СССР № 1215119, МПК 6 G 06 F 17/18, 1986 г.) для измерения двумерных распределений случайных процессов, содержащий аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор адреса, счетчик числа отсчетов, счетчик, регистр, блок управления и вычислительный блок, включающий в себя блок памяти и сумматор.
Недостатками данного анализатора являются отсутствие контроля за качеством измерения, последовательное измерение двумерного распределения случайного процесса и фиксированное количество отсчетов случайного процесса.
Известен двумерный статистический анализатор уровня и производной напряжения (патент РФ № 2053550, МПК6 G 06 F 17/18, 1996 г.) для измерения двумерного распределения уровня и производной напряжения, содержащий аналого-цифровой преобразователь, регистр, реверсивный счетчик, счетчик и блок накопления двумерного распределения, в который входят сумматор и блок памяти.
Недостатком анализатора является отсутствие контроля за качеством измерения.
Известно принятое в качестве прототипа устройство для определения двумерной плотности вероятности случайного процесса (авт. св. СССР № 1698897, МПК6 G 06 F 17/18, 1991 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с информационным входом второго блока памяти, первый блок памяти, мультиплексор адреса, регистр, счетчик числа отсчетов, тактовый вход которого объединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, реверсивный счетчик, элемент “ИЛИ”, элемент “И”, сумматор и блок деления.
Недостатками прототипа являются необходимость проведения нескольких измерений для получения результата, невозможность получения двумерного распределения случайного процесса с заданным временным сдвигом, фиксированное количество отсчетов случайного процесса, критерий окончания измерения не позволяет минимизировать время измерения, удовлетворение критерию окончания измерения приводит к изменению временного сдвига, критерий окончания измерения не проверяется в процессе измерения двумерного распределения случайного процесса.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является измерение двумерного распределения случайного процесса с заданным качеством за минимальное время за счет контроля качества в процессе измерения двумерного распределения случайного процесса и окончания измерения, если критерий качества ниже заданного значения.
Указанная задача решается благодаря тому, что в устройство, содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с информационным входом второго блока памяти, первый блок памяти, мультиплексор адреса, регистр, счетчик числа отсчетов, тактовый вход которого объединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, реверсивный счетчик, элемент “ИЛИ”, элемент “И”, сумматор, блок деления, в отличие от прототипа, дополнительно введены блок управления, блок индикации, счетчик, блок контроля качества, при этом информационный вход блока контроля качества соединен с выходом блока деления и с вторым информационным входом блока индикации, первый информационный вход которого соединен с 2k младшими разрядами с выхода счетчика числа отсчетов, тактовый вход которого объединен с вычитающим входом реверсивного счетчика и соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого является входом “Пуск” устройства, выход блока контроля качества подключен к второму входу блока управления и к четвертому входу блока индикации, вход тактирования которого объединен с входом тактирования блока контроля качества и соединен с третьим выходом блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу мультиплексора адреса, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с старшими разрядами первого информационного входа мультиплексора адреса, выход которого подключен к адресному входу первого блока памяти, выход которого соединен с первым информационным входом сумматора и с входом делимого блока деления, к входу делителя которого подключен выход счетчика числа отсчетов, информационный вход первого блока памяти соединен с выходом сумматора, на второй информационный вход которого подана единица, выход второго блока памяти подключен к младшим разрядам первого информационного входа мультиплексора адреса, второй информационный вход которого соединен с 2k младшими разрядами с выхода счетчика числа отсчетов, адресный вход второго блока памяти подключен к выходу реверсивного счетчика, выход “Меньше нуля” которого соединен с входом разрешения параллельной загрузки реверсивного счетчика и с первым входом элемента “ИЛИ”, выход которого подключен к тактовому входу счетчика, первый разряд с выхода которого соединен с вторым входом элемента “ИЛИ” и с первым входом элемента “И”, выход которого подключен к входу чтения/записи первого блока памяти, вход параллельной загрузки реверсивного счетчика соединен с выходом регистра, вход которого является входом “Сдвиг” устройства, вход чтения/записи второго блока памяти подключен к пятому выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с вторым входом элемента “И”, вход запуска аналого-цифрового преобразователя подключен к первому выходу блока управления.
Указанные дополнительные блоки и связи позволяют осуществить текущий контроль качества и минимизировать время измерения двумерного распределения случайного процесса.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, на фиг.2 изображена структурная схема блока управления.
Устройство (см. фиг.1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с старшими разрядами первого информационного входа мультиплексора 2 адреса и с информационным входом второго блока 3 памяти. Выход мультиплексора 2 адреса соединен с адресным входом первого блока 4 памяти, выход которого подключен к первому информационному входу сумматора 5, выход которого соединен с информационным входом первого блока 4 памяти. На второй информационный вход сумматора 5 подана единица. Младшие разряды первого информационного входа мультиплексора 2 адреса соединены с выходом второго блока 3 памяти, адресный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика 6. Вход параллельной загрузки реверсивного счетчика 6 соединен с выходом регистра 7, вход которого является входом “Сдвиг” устройства. Выход “Меньше нуля” реверсивного счетчика 6 подключен к входу разрешения параллельной загрузки реверсивного счетчика 6 и к первому входу элемента “ИЛИ” 8. Второй вход элемента “ИЛИ” 8 подключен к первому разряду выхода счетчика 9. Тактовый вход счетчика 9 соединен с выходом элемента “ИЛИ” 8. Первый разряд выхода счетчика 9 подключен к первому входу элемента “И” 10, выход которого соединен с входом чтения/записи первого блока 4 памяти. Выход счетчика 11 числа отсчетов подключен к входу делителя блока 12 деления, вход делимого которого соединен с выходом первого блока 4 памяти. Младшие 2k разрядов с выхода счетчика 11 числа отсчетов подключены к второму информационному входу мультиплексора 2 адреса и к первому информационному входу блока 13 индикации. Выход блока 12 деления соединен с вторым информационным входом блока 13 индикации и с информационным входом блока 14 контроля качества, выход которого подключен к второму входу блока 15 управления и к четвертому входу блока 13 индикации. Первый вход блока 15 управления является входом “Пуск” устройства. Первый выход блока 15 управления соединен с входом запуска АЦП 1, с входом вычитания реверсивного счетчика 6 и тактовым входом счетчика 11 числа отсчетов. Второй выход блока 15 управления подключен к управляющему входу мультиплексора 2 адреса. Третий выход блока 15 управления подключен к входам тактирования блока 14 контроля качества и блока 13 индикации. Четвертый выход блока 15 управления соединен с вторым входом элемента “И” 10. Пятый выход блока 15 управления подключен к входу чтения/записи второго блока 3 памяти.
Блок 15 управления может быть реализован так, как показано на фиг.2. Он содержит генератор 16 тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу элемента “И” 17, второй вход которого соединен с прямым выходом RS-триггера 18. Вход установки единичного состояния RS-триггера 18 является входом “Пуск” устройства. Вход установки нулевого состояния RS-триггера 18 является вторым входом блока 15 управления. Выход элемента “И” 17 соединен с тактовым входом счетчика 19, выход которого подключен к адресному входу постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 20. Выходы ПЗУ 20 являются выходами 1-5 блока 15 управления.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии (цепи установки исходного состояния не показаны) во все ячейки блоков 3 и 4 памяти записаны нули, реверсивный счетчик 6, счетчик 9 и счетчик 11 числа отсчетов обнулены. В регистр 7 записан код Т временного сдвига τ. На выходах блока 15 управления присутствуют нулевые уровни сигналов. Блоки 12 деления, 13 индикации и 14 контроля качества подготовлены к считыванию информации.
По сигналу “Пуск” на первом входе блока 15 управления на его первом выходе появляется импульс, по которому запускается АЦП 1, на выходе “Меньше нуля” реверсивного счетчика 6 появляется импульс, записывающий в реверсивный счетчик 6 код Т временного сдвига τ из регистра 7 и увеличивающий на единицу содержимое счетчика 9. По импульсу на первом выходе блока 15 управления содержимое счетчика 11 числа отсчетов увеличивается на единицу.
АЦП 1 дискретно преобразует реализацию случайного процесса в двоичный код, число разрядов k которого задает число интервалов группирования N по каждой из размерностей двумерной гистограммы:
Величина младшего значащего разряда АЦП 1 определяет ширину интервала группирования двумерной гистограммы. Частота запуска АЦП 1 задается блоком 15 управления и определяет частоту дискретизации реализации случайного процесса во времени и частотный диапазон анализируемых реализаций случайного процесса.
В регистре 7 хранится код Т временного сдвига τ между анализируемыми отсчетами реализации случайного процесса, выраженный в количестве отсчетов между ними.
Реверсивный счетчик 6 задает адрес ячейки второго блока 3 памяти. В процессе работы устройства значение реверсивного счетчика 6 циклически изменяется от Т до 0. При достижении содержимым реверсивного счетчика 6 нулевого значения следующий счетный импульс с первого выхода блока 15 управления вызывает появление на выходе “Меньше нуля” реверсивного счетчика 6 импульса, который записывает в реверсивный счетчик 6 значение Т.
Во втором блоке 3 памяти хранятся отсчеты, определяющие вторую размерность двумерной гистограммы реализации случайного процесса. На место отсчета, использованного для построения двумерной гистограммы, записывается новый отсчет.
Счетчик 9 подсчитывает число загрузок реверсивного счетчика 6 и, когда оно становится равным двум, через элемент “И” 10 разрешает работу первого блока 4 памяти, в котором накапливается двумерная гистограмма реализации случайного процесса. При накоплении в счетчике 9 числа 2 его работа блокируется единичным значением первого разряда с выхода счетчика 9, поступающим на второй вход элемента “ИЛИ” 8.
Запрещение с помощью счетчика 9 и элемента “И” 10 формирования двумерной гистограммы в первом блоке 4 памяти необходимо для того, чтобы для первых Т+2 отсчетов реализации случайного процесса не происходило формирование двумерной гистограммы, так как отсутствует отсчет для второй размерности двумерной гистограммы.
Счетчик 11 числа отсчетов подсчитывает количество отсчетов реализации случайного процесса, использованных для построения двумерной гистограммы.
Число ячеек первого блока 4 памяти, используемых для хранения двумерной гистограммы реализации случайного процесса, равно N2 или 2k2.
Далее на втором выходе блока 15 управления появляется единичный уровень и мультиплексор 2 адреса пропускает на выход информацию с своего второго информационного входа. Содержимое ячейки первого блока 4 памяти, адрес которой задается 2k младшими разрядами счетчика 11 числа отсчетов, поступает на вход делимого блока 12 деления. Затем в блоке 12 деления вычисляется частость Pij столбца двумерной гистограммы в соответствии с выражением
где mij - количество отсчетов реализации случайного процесса, попавших в соответствующий интервал группирования двумерной гистограммы, содержимое ячейки первого блока 4 памяти;
i,j - номера, определяющие интервал группирования двумерной гистограммы соответственно по первой и второй размерностям двумерной гистограммы;
n - общее количество отсчетов реализации случайного процесса, подсчитываемое счетчиком 11 числа отсчетов.
Далее по импульсу на третьем выходе блока 15 управления значение частости Pij столбца двумерной гистограммы и код этого столбца считываются блоком 13 индикации. Блоком 14 контроля качества считывается частость Рij столбца двумерной гистограммы.
Периодически, после завершения цикла считывания значений частости Рij столбцов двумерной гистограммы, то есть после изменения кода 2k младших разрядов счетчика 11 числа отсчетов от 0 до N2-1 или после поступления N2 тактирующих импульсов на вход блока 14 контроля качества им рассчитывается критерий качества измерения двумерного распределения случайного процесса и, если его значение меньше заданного 3-5 циклов считывания двумерной гистограммы, выдается сигнал окончания измерения в блоки 15 управления и 13 индикации. Первый цикл считывания значений частости Рij столбцов двумерной гистограммы состоит из N2-1 тактирующих импульсов (считываются столбцы с 1 по N2-1, так как после первого запуска АЦП 1 счетчик 11 числа отсчетов принимает единичное значение) и он не используется для расчета критерия качества.
Критерием качества измерения двумерного распределения случайного процесса может служить, например, среднеквадратичное отклонение σ изменения частости Рij столбцов двумерной гистограммы:
где N2 - число столбцов двумерной гистограммы;
ΔPijn=Рijn-Pij(n-1) - разность частостей ij-го столбца двумерной гистограммы n и (n-1)-го циклов считывания двумерной гистограммы;
Рijn - частость ij-го столбца двумерной гистограммы при n-ом цикле считывания двумерной гистограммы;
Pij(n-1) - частость ij-го столбца двумерной гистограммы при (n-1)-ом цикле считывания двумерной гистограммы.
Если среднеквадратичное отклонение σ изменения частости Рij столбцов двумерной гистограммы не превышает наперед заданного значения 3-5 циклов считывания двумерной гистограммы, то блоком 14 контроля качества выдается сигнал окончания измерения. По этому сигналу блок 15 управления прекращает работу, блок 13 индикации сигнализирует об окончании измерения.
Одновременно с импульсом на третьем выходе блока 15 управления на его втором выходе появляется нулевой уровень и мультиплексор 2 адреса пропускает на выход информацию с своего первого информационного входа. Содержимое ячейки первого блока 4 памяти, старшие разряды адреса которой задаются кодом с выхода АЦП 1, а младшие - кодом с выхода второго блока 3 памяти, поступает на первый информационный вход сумматора 5 и увеличивается на единицу, затем по импульсу на четвертом выходе блока 15 управления новое значение записывается в первый блок 4 памяти по тому же адресу.
Код с выхода АЦП 1 задает первую размерность двумерной гистограммы, а код с выхода второго блока 3 памяти - вторую.
Затем по импульсу на пятом выходе блока 15 управления код с выхода АЦП 1 записывается в ячейку второго блока 3 памяти, адрес которой задается реверсивным счетчиком 6.
Далее снова появляется импульс на первом выходе блока 15 управления и описанный процесс повторяется.
Таким образом, в течение измерения двумерного распределения случайного процесса контролируется качество построения двумерного распределения случайного процесса и, при достижении заданного качества, формируется сигнал окончания измерения. При этом для заданного качества время измерения будет минимальным. Получаемые данные непрерывно отображаются блоком индикации.
При необходимости считывания двумерной гистограммы другими вычислительными средствами значения кода и частости столбца двумерной гистограммы могут быть получены с информационных входов блока 13 индикации. Сигнал тактирования считывания двумерной гистограммы может быть получен с третьего выхода блока 15 управления.
Блок 13 индикации может быть реализован так, как описано в патенте РФ №2130199, МПК6 G 06 F 17/18, 1999 г. Блок 13 индикации содержит дешифратор из двоичного кода в унитарный позиционный код, элементы “ИЛИ-НЕ”, регистры, шифраторы, индикаторы.
Блок 14 контроля качества может быть выполнен на основе однокристальной микроЭВМ. Информационным входом блока является первый порт однокристальной микроЭВМ, вход тактирования блока подключен к входу прерывания микроЭВМ, а выходом служит нулевой бит второго порта микроЭВМ. Программирование и проектирование устройств с использованием микроЭВМ изложено в справочнике: Однокристальные микроЭВМ: Справочник / Боборыкин А.В. и др. - М.: МИКАП, 1994. - 400 с. Схема включения микроЭВМ приведена там же на рисунке 2.12, стр. 143.
1. Устройство для измерения двумерных распределений случайных процессов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с информационным входом второго блока памяти, первый блок памяти, мультиплексор адреса, регистр, счетчик числа отсчетов, тактовый вход которого объединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, реверсивный счетчик, элемент ИЛИ, элемент И, сумматор, блок деления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок управления, блок индикации, счетчик, блок контроля качества, предназначенный для сравнения значений изменения распределения случайных процессов и формирования сигнала окончания измерения при достижении заданного значения, при этом информационный вход блока контроля качества соединен с выходом блока деления и с вторым информационным входом блока индикации, первый информационный вход которого соединен с 2k младшими разрядами с выхода счетчика числа отсчетов, тактовый вход которого объединен с вычитающим входом реверсивного счетчика и соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого является входом Пуск устройства, выход блока контроля качества подключен к второму входу блока управления и к четвертому входу блока индикации, вход тактирования которого объединен с входом тактирования блока контроля качества и соединен с третьим выходом блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу мультиплексора адреса, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с старшими разрядами первого информационного входа мультиплексора адреса, выход которого подключен к адресному входу первого блока памяти, выход которого соединен с первым информационным входом сумматора и с входом делимого блока деления, к входу делителя которого подключен выход счетчика числа отсчетов, информационный вход первого блока памяти соединен с выходом сумматора, на второй информационный вход которого подана единица, выход второго блока памяти подключен к младшим разрядам первого информационного входа мультиплексора адреса, второй информационный вход которого соединен с 2k младшими разрядами с выхода счетчика числа отсчетов, адресный вход второго блока памяти подключен к выходу реверсивного счетчика, выход "Меньше нуля" которого соединен с входом разрешения параллельной загрузки реверсивного счетчика и с первым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к тактовому входу счетчика, первый разряд с выхода которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с первым входом элемента И, выход которого подключен к входу чтения/записи первого блока памяти, вход параллельной загрузки реверсивного счетчика соединен с выходом регистра, вход которого является входом Сдвиг устройства, вход чтения/записи второго блока памяти подключен к пятому выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с вторым входом элемента И, вход запуска аналого-цифрового преобразователя подключен к первому выходу блока управления.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит генератор тактовых импульсов, элемент И, RS-триггер, счетчик, постоянное запоминающее устройство, при этом выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом элемента И, к второму входу которого подключен прямой выход RS-триггера, вход установки единичного состояния которого является первым входом блока управления, вход установки нулевого состояния RS-триггера является вторым входом блока управления, выход элемента И соединен с тактовым входом счетчика, выход которого подключен к адресному входу постоянного запоминающего устройства, выходы которого являются выходами блока управления.
