Генератор равновероятной двоичной цифры

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (щ! 005044

Союз Советскик

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 081231 (21) 3360936/18-24 с присоединением заявки №(23) ПриоритетОпубликовано 1503,83. Бюллетень ¹ 10

Дата онубликоваиия описания 15. 03. 83 (И М.КП.

G 06 F 7/58

Государственный комитет

СССР ио делам изобретениЯ и открытнб (%3)УДК 681.325. (088. 8) 1

В.Н.Ярмолик, И.П.Кобяк и A.H.Øåìàðîþ

° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °

Минский радиотехнический институт (72) Авторы ° изобретения (71) Заявитель.(54) ГЕНЕРАТОР РАВНОВЕРОЯТНОЙ ДВОИЧНОЙ

ЦИФРЫ

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения генераторов случайных чисел при решении задач статистическими методами, а также для построения генераторов случаййых процессов с заданными характеристиками, которые широко применяются при испытании эффективности различных алгоритмов для вычислительных машин для измерения дальности в радиолокации, для кодирования речи, обнаружения ошибок, идентификации систем, в испытательной и контрольной аппаратуре при выпуске изделий вычислительной техники.

Известно устройство для формирования случайного синхронного теле.графного сигнала, содержащее бистабильный мультивибратор, генератор шума, усилитель ограничитель, полосовой фильтр, фазовый инвертор, два регулятора порогового напряжения, два элемента совпадения, генератор тактовых импульсов,,инвертор и сумматор 13.

Это устройство отличается слож ностью аппаратурного построения.

Кроме того, даже при таких затратах оборудования вероятность появления единицы на выходе устройства значительно зависит от стабильности генератора шума.

Известен блок формирования опорных последовательностей генератора

GENAP-2, основанный на пересчете нетактированных последовательностей случайных импульсов на .триггере со

10 счетным входом Е2 3.

Этот блок отличается несколько меньшими аппаратурными затратами, однако необходимость пересчета по модулю.два входной последовательнос ти случайных нетактированных импульсов снижает быстродействие устройства в целом.

Наиболее близким к изобретению является генератор случайной последовательности импульсов; состоящий из двух двухвходовых элементов ИЛИ-НЕ, . интегратора блока согласования, эле» мента НЕ и генератора тактовых импульсов 3).

Недостатками рассмотренного гене- ратора случайной последовательности импульсов являются сложноать его аппаратурного построения, которая в основном определяется наличием ана логовых элементов (,интегратора и

Зц блока согласования), а также необ1005044 ходимость наличия yrтдойстн контроля раннонероятности.

Цель и обретения — сокращение объема используемого оборудования, т.е. упрощение генератора.

Поставленная цель достигается 5 тем, что генератор ранновероятной двоичной цифры, содержащий генератор тактовых импульсов, первый и второй элементы ИЛИ-НЕ, причем выход пер-. вого элемента ИЛИ-НЕ подключен к 10 первому входу второго элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, введены третий и четвертый элементы

ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены 15 к вторым входам первого и второго элементов ИЛИ-HE соответственно, к первым входам третьего .и четвертого элементов ИЛИ-НЕ подключен выход генератора тактовых импульсов, выход второго элемента ИЛИ-НЕ соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к второму гходу четвертого элемента ИЛИ-НЕ.

На фиг. 1 приведена функциональная схема генератора, на фиг. 2 реализация генератора на триггере, на фиг. 3 — временная диаграмма его работы.

Генератор состоит из генератора

1 тактоных импульсов, первого 2, второго 3, третьего 4, четвертого 5 днухнходовых элементов ИЛИ-НЕ, причем выход первого элемента ИЛИ-HE 2 подключен к первому входу второго элемента ИЛИ-HE 3, ныход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ 2. Выход генератора

1 тактовых импульсов подключен к первым входам третьего 4 и четвер- 40 того 5 элементов.ИЛИ-НЕ, выход третьего элемента ИЛИ-НЕ 4 подключен к вторым входам первого 2 и четвертого 5 элемента ИЛИ-НЕ, а выход четвертого элемента ИЛИ-HE 5 подключен к 45 второму входу второго элемента ИЛИ-НЕ

3, выход которого подключен к второму входу третьего элемент; ИЛИ-НЕ 4.

Генератор тактовых импульсов состоит из последовательно включенных инверторов сопротивления и емкости.

Источником случайности в предлагаемом устройстве является действие внутренних шумов логических элеменгов, которые проявляются в форме флуктуации времен задержек этих элементов. Для многих параметров дискретных элементов и логических элементов может быть принята гипотеза о нормальном законе распределения. так, в частности, время за;,ержки 60 на логическом элементе есть случайная величина, распределенная по нормальному .закону распределения. Причина флуктуаций времен задержки на логическом элементе: аключается в дис- 65 кретном характере зарядов, создающих электрический ток (дробовый эФФект), и тепловом движении этих носителей зарядов (тепловой шум ), н изменениях проводимости под- воздействием некоторых случайных факторов (модуляционный шум ) и т.д.

Фукционирование генератора равновероятной двоичной цифры происходит следующим образом.

На выходе генератора 1 тактовых импульсов формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 3a), которые поступают на вторые входы третьего 4 и четнертого .5 .элементов ИЛИ-HE. В первоначальный момент на, выходе генератора 1 генерируется нысокий уровень эквивалентный логической единице (фиг. 3a)..

На выходах элементов 4 и 5 фиксируется значение логического нуля, которое сохраняет предыдущее состояние RS-триггера, состоящего из элементов 2 и 3. Предположим, что на выходе RS òðèããåðà зафиксировано значение нуля, соответственно на нулевом выходе (выходе элемента 3 ) фиксируется значение логической единицы (фиг. Зб). В момент времени 1, когда на выходе генератора 1 тактовых импульсов появляется уровень логического нуля, на выходе элемента 2 и соответствен4 но элемента 3 генерируется некоторый колебательный процесс. Средний период следования импульсов в выходном колебательном процессе и максимальная и минимальная амплитуды импульсов в сильной степени зависят от задержки сигнала на каждом логическом элементе. Период следования импульсов в такой последовательности есть величина случайная, минимальное значение которой для данного случая (для случая, когда последовательно включено три транзисторно-транзисторных логических элемента )составляет

0,1-0,3 мкс. Кроме того, в силу влияния внутренних случайных факторов стабильность периода импульсов в выходном колебательном процессе не превышает 20%. Таким образом, начиная с момента времени t на выхо1 де элемента 3 (фиг. Зб) генерируется колебательный процесс со случайной длительностью периода. При появлении на выходе генератора 1 тактовых импульсов высокого уровня, соотнетствующего логической единице (момент времени t ) колебательный процесс прекращается, и выходной

RS-триггер устанавливается в одно из днух устойчивых состояний. Состояние, в которое устанавливается

RS-триггер, определяется сигналами на выходах элементов 4 и 5 в момент времени t2, которые однозначно определяются автоколебаниями со слу1005044 чайным периодом, поэтому в общем случае RS-триггер равновероятно устанавливается или в нулевое, или в единичное состояние. На фиг. Зб показана конкретная реализация на выходе Элемента ИЛИ-НЕ 3, а на фиг.

Зв - осциллограмма на выходе устройства.

Приведенное описание работы устройства было проверено. для случая, когда период следования тактовых 10 импульсов является величиной постоянной.Однако на практике это требование всегда не .выполняется. Даже кварцевые генераторы характеризуются нестабильностью периода выход- 15 ной импульсной последовательности.

Нестабильность входной импульсной последовательности вносит еще большую нестабильность в получение на выходе генератора равномерной двоич- 2О ной цифры: нуля или единицы. Соотношение между периодом автоколебаний Т и периодом тактовых импульсов Т> должно иметь вид Т > 50 Тс,, что объясняется малой велйчиной 25 случайных флюктуаций задержек на логическом элементе.

Преимушества генератора равновероятной двоичной цифры заключаются в следующем. Рассмотренный генератор реализуется при минимальном количестве элементов, причем в данном случае отсутствуют аналоговые элементы, которые характерны для всех известных генераторов равновероятной двоичной цифры, в том числе и для прототипа. Для реализации предлагаемого генератора, необходимо лишь четыре элемента ИЛИ-НЕ, в то время как для реализации прототипа необходимо два элемента HJIH-HE, инвертор,интегра- 40 тор и согласующее устройство. В ряде случаев предлагаемый генератор равновероятной двоичной цифры может быть реализован на однотактном

Й-;триггере 6 (фиг. 2), для чего мо- 45 гут быть использованы интегральные схемы К155ТМ5 или К155ТМ7. В этом случае на реализацию генератора равновероятной двоичной цифры требует;ся только 1/4 корпуса ИС. К155ТМ5 5р или К155ТМ7.

В сравнении с базовым объектомблоком формирования опорных последовательностей генератора GENAP-2 предложенное устройство отличается существенной простотой ацпаратурной реализации и кроме того, более высокой надежностью функционирования.

Подобный генератор равновероятной двоичной цифры целесообразно использовать для построения генераторов роидомизированных псевдослучайныХ чисел, где необходим источйик равновероятной двоичной цифры, не отличающийся высоким требованием к равновероятности выходных последовательностей.

Формула изобретения генератор равновероятной двоичной цифры, содержащий генератор так-. товых импульсов, первый и второй элементы ИЛИ-НЕ, причем выход первого элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому вхОду второго элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к:первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения генератора, он содержит третий и .четвертый элементы ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены к вторым входам первого и второго элементов ИЛИ-НЕ соответственно, к первым входам третьего и четвертого элементов ИЛИ-НЕ подключен выход генератора тактовых импульсов, выход второго элемента ИЛИ-НЕ соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к второму входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 834855, кл. Н 03 К 3/84, 1981.

2. Яковлев В.Б., Федоров Р.Ф.

Вероятностные вычислительные машины.

3I, "Машиностроение", 1974, с. 228.

3. Авторское свидетельство СССР

9 688905, кл. G 06 1/02, G 07 С 15/00, 1979 (прототип).

1005044

Составитель A.Êàðàñîâ

Редактор Л.Алексеенко Техред Ж.КастелевиЧ Корректор M.Жмчик

Эаказ 1900/64 Тираж 704 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и .открытий

113035, москва, Ж-35, Рауыская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4