Генератор случайных чисел

 

ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙН1 1Х ЧИСЕЛ, содержащий генератор тактовых импульсов , группу элементов ИЛИ, наборное поле, датчик равномерно распределенных случайных чисел, схему сравнения , первый счетчик, дешифратор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет задания множества законов распределения вероятностей, он содержит два ключа, делитель частоты, второй счетчик, регистр памяти, элемент задержки, элемент ИЛИ, формирователь импульса, триггер, К групп элементов И ( К - число задаваемых законов распределения вероятностей) и коммзггатор, выход генератора так;товых импульсов соединен с информационным входом первого ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу ко1Фгутатора, каждый i -и ( t 2, k: + -f ) выход которого соединен с первыми входами элементов И j -ой группы ( j 1, 1 ) , вторые входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора , входы которого объединены с . первой группой входов схемы сравнения соответственно и подключены к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, установочный вход которого объединен с первым входом элемента ИЛИ, с в:;одом Сброс регистра памяти, с установочным входом делителя частоты и подключен к (К+2)-му выходу коммутатора, выход первого ключа соединен со счетным входом делителя частоты и с информа (Л ционным входом второго ключа, управляющий вход которого подключен к едис ничному выходу триггера, единичный вход которого соединен с установоч- ; ным входом второго счетчика и подключен к выходу элемента HJTIi, выход BTOpo.ro ключа соединен со счетным ю входом второго счетчика, выходы раз41 рядов которого соединены с входаN9 ми соответствующих разрядов регистра памяти, выходы разрядов которого ;о являются информационным выходом геМ: нератора, выходы элементов И каждой j-й группы соединены с j-й группой входов наборного поля соответственно , каждая j-я группа выходов которого соединена с входгичи элементов ИЛИ группы соответственно, выходы элементов ИЛИ грзтпы соединены с входами соответствующих разрядов делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, выход последнего разряда которого соединен с входом форми

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

QQ (И) 3m С 06 Р 7/58

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3554693/24-74 (22) 18 ° 02 83 (46) 15. 11.84. Бюл. № 42 (72) С.А. 1 1анин (?1) Куйбвппевский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им. В.В. Куйбышева (53) 681.3?5(088.8) (56) 1: Авторское свидетельство СССР

Ф 227402, кл. Н 03 В 29/00, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 430366, кл. С 06 F 7/58, 1972.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 444176, кл. G 06 Р 7/58, 1972.

4 . Авторское свидетельство СССР №- 741297, кл. С 06 Р 7/58, 1977 (прототип). (54)(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ, содержащий генератор тактовых импульсов, группу элементов ИЛИ, наборное поле, датчик равномерно распределенных случайных чисел, схему сравнения, первый счетчик, дешифратор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет задания множества законов распределения вероятностей, он содержит два ключа, делитель частоты, второй счетчик, регистр памяти, элемент задержки, элемейт ИЛИ, формирователь импульса, триггер, К групп элементов И (K — - число задаваемых законов распределения вероятностей) и коммутатор, выход генератора так,товых импульсов соединен с инфор» мационным входом первого ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу коммутатора, каждый j-й (i = 2, 1(+1 ) выход которого соединен с первыми входами элементов И 1 -ой группы (1 = 1, 1 ), вторые входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, входы которого объединены с первой группой входов схемы сравнеI ния соответственно и подключены к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, установочный вход которого объедмнен с первым входом элемента ИЛИ, с в.-;одом "Сброс" регистра памяти, с установочным входом делителя частоты и подключен к (K+2)-му выходу коммутатора, выход первого ключа соединен со счетным Ф входом делителя частоты и с информационным входом второго ключа, управляющий вход которого подключен к еди- С ничному выходу триггера, единичный вход которого соединен с установочным входом второго счетчика и подключен к выходу элемента ИЛИ, выход второго ключа соединен со счетным входом второго счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами соответствующих разрядов регистра памяти, выходы разрядов которого являются информационным выходом генератора, выходы. элементов И каждой

j-й группы соединены с 1-й группой входов наборного поля соответственно, каждая j-я группа выходов которого соединена с входами элементов ИЛИ группы соответственно, выходы элементов ИЛИ группы соединены с входами соответствующих разрядов делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, выход последнего разряда которого соединен с входом Аорми1324294 рователя импульсов, выход которого соединен с синхронизирующнм входом регистра памяти и с входом элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с входом "Опрос" датчика равномерно распределенных случаиных чисел, выходы разрядов которого соединены с второй группой входов схемы сравненчя соответственно, выход которой соединен с нулевым входом триггера.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах статистического моделирования.

Известен управляемый генератор флуктуационных колебаний, содержащий преобразователь кода в напряжение, вход которого через регистр промежуточной памяти соединен с выходом датчика случайных чисел, подключенного к входному блоку и генератору тактовых .импульсов (1 ).

Однако этот генератор требует больших затрат оборудования вследствие использования регистровой памяти и сложен в перестройке. Для по" лучения иного закона распределения мгновенных значений выходного напряжения необходимо соответствующим образом изменить содержимое регистров памяти, в которых хранится информация о виде функции распределения.

Известен датчик случайных чисел, содержащий генератор равномерно распределенных случайных величин, вход которого подключен к входу коммутатора и к входу датчика, а выходы— один непосредственно, остальные— через элементы ИЛИ подключены к входам наборного поля, выходы которого соединены с первыми входами элементов И, выходы элементов И подключены к единичным входам соответствующих триггеров выходного регистра, нулевые входы которых через формирователи им-пульсов соединены с коммутатором вь ходы которого подключены к вторым входам элемента И (2 1.

Недостатком этого устройства является малое быстродействие, так как . выходное двоичное число формируется поразрядно. Кроме того, задание требуемого закона распределения .осуществляется вручную на наборном поле, что обуславливает низкую скорость перестройки датчика и снижает

его функциональные возможности.

Известен также датчик случайных

5 чисел, состоящий из генератора равномерно распределенных случайных чисел, соединенного с цифро-аналоговым запоминающим блоком и входом элемента И, другой вход которого подключен к клемме запуска, а выход элемента И соецинен с входом генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к входу функционального преобразователя и через второй ключ к входу регистрирующего блока, выход функционального преобразователя соединен с входом интегратора, выход которого подключен к первому входу схемы срав20 нения, второй вход которой подключен к выходу цифро-аналогового эапоми" нающего блока, а выход — через первый ключ — .к входу пуска генератора равномерно распределенных случайных чисел и к управляющему входу второго ключа.

Однако данный датчик, как и устройство с аналоговой формой представления информации, имеет низкую точ30 ность выходного результата из-за, влияния на конечный результат параметров схемных элементов, внутренних и внешних дестабилизирующих факторов. Кроме того, результат на выходе датчика появляется в случайные моменты времени, что позволяет приме" нять это устройство только в системах, работающих в асинхронном режиме.

Кроме того недостатком этого устрой40 ства является трудность перестройки на генерирование случайных сигналов, имеющих иные законы распределения, так как она требует замены блока функционального преобразователя.

45 Жесткая структура датчика делает его

1124294 специализированным устройством, предназначенным для реализации одно-, го закона распределения, что .обуславливает низкие функциональные возможности данного датчика случайных чисел.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является гене ратор случайных чисел, содержащий генератор тактовых импульсов, элемен- 10 ты ИЛИ, наборное поле, датчик равномерно распределенных случайных чисел, схему сравнения, счетчик, дешифратор (43.

Однако известный генератор не " 15 позволяет задать множество законов распределения вероятностей.

1 ель изобретения — расширение функциональных возможностей генератора за счет задания множества законов распределения вероятностей.

Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайных чисел, содержащий генератор тактовых импульсов, группу элементов ИЛИ, наборное поле, датчик равномерно распределенных случайных чисел, схему сравнения, первый счетчик, дешифратор, введены два ключа, делитель частоты, второй счетчик, регистр памяти, элемент задержки, элемент ИЛИ, формиро ватель импульса, триггер, K групп элементов И (К вЂ” число задаваемых законов распределения вероятностей) и коммутатор, выход генератора так- 35 товых импульсов соединен с информационным входом первого ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу коммутатора, каждый -й (=2, K +1) выход которого сое- 40 динен с первыми входами элементов И

j-ой группы (j =.1,,К), вторые входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, входы которого объединены с первой группой 45 входов схемы сравнения соответственно и подключены к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, установленный вход которого объединен с первым входом элемента ИЛИ, 50 с входом "Сброс" регистра памяти, с установочным входом делителя частоты и подключен к (К+2)-му выходу коммутатора, выход первого ключа соединен со счетньик входом делителя 55 частоты и с информационным входом второго ключа, управляющий вход которого подключен к единичному выходу триггера, единичный вход которого объединен с установочным входом второго счетчика и подключен к выходу элемента ИЛИ, выход второго ключа соединен со счетным входом второго счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами соответствующих разрядов регистра памяти, выходы разрядов которого являются информационным выходом генератора, выходы элементов И K >o j-ой группы соединены с j-й группой входов наборного поля соответственно, каждая

j-я группа выходов которого соедине на с входами элементов ИЛИ группы соответственно, выходы элементов ИЛИ группы соединены с входами соответствующих разрядов делителя частоты, вы ход которого соединен со счетным входом первого счетчика, выход последнего разряда которого соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с синхронизирующим входом регистра памяти и с входом .элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с входом "Опрос" датчика равномерно распределенных случайных чисел, выходы разрядов ко" торого соединены с второй группой входов схемы сравнения соответственно, выход которой соединен с нулевым входом триггера.

На чертеже приведена блок-схема генератора.

Генератор содержит генератор 1 тактовых импульсов, ключи 2 и 3, делитель 4 частоты, счетчик 5, дешифратор 6, схему 7 сравнения, формирователь 8 импульсов, группы 9 элементов И, элементы ИЛИ 10, датчик 11 равномерно. распределенных случайных чисел, триггер 12, счетчик 13, элемент 14 ИЛИ, регистр 15 памяти, элемент 16 задержки, коммутатор 17, наборное поле 18.

Формирование случайных чисел с помощью предлагаемого генератора основано на преобразовании равномерно распределенных случайных чисел g в случайные числа х с заданным законом распределения f(x), которая сводится к решению относительно к; уравнения

Х1

1(к)дх=

CO

ll24294 (х;)=Я.

1 где F(X) — функция распределения.

Функция F(x1 реализуется на выходах счетчика 5, принцип получения функции F(x)основан на вариации чистоты на входе счетчика 5. Аппроксимация воспроизводимой функции10 кусочно-линейная, полученная ломаная линия дискретизируется по принципу кусочно-ступенчатой аппроксимации.

Делитель 4 частоты с переменным коэффициентом деления обеспечивает необходимую частоту для каждого уча15 стка ломаной линии. Значения функции, получаемые на выходе счетчика 5, сравниваются схемой 7 сравнения со значением случайного числа на выходе датчика 11. В момент, когда значение функции и случайное число равны, величина, записанная в счетчике

13, равна искомой. Требуемые функции распределения задаются соот25 ! ветствующим соединением полного дешифратора 6, управляющих ячеек 9 и дизъюнкторов 10. Настройка генератора на формирование случайных чисел с заданной функцией распределения осуществляется включением соответствующей группы элементов И 9 путем по1 дачи на нее команды с коммутатора 17 и наборным полем.

Предлагаемый генератор случайных чисел работает следующим образом. 35

В исходном со(=тоянии группы элементов И 9 выключены, ключ 2 разомкнут: сигналом "Сброс" с коммутатора

17, делитель 4 частоты, счетчики 5 и 13, регистр 1.5 устанавливаются в нулевое состояние, триггер 12 устанавливается в такое состояние, когда ключ 3 замкнут. При подаче команды с коммутатора 17 на включение соответствующей группы 9 элементов И производится настройка генератора на формирование случайных чисел с требуемым законом распределения. По команде "Пуск" замыкается ключ 2 и импульсы с генератора 1 тактовых импупвсов через делитель 4 частоты начинают поступать на вход счетчика

5. По цепи обратной связи через дешифратор 6, включенную группу элементов И 9 и элементы ИЛИ 10 производится управление коэффициентом деле ния делителя 4 частоты, обеспечивающим необходимую частоту для каждаго участка аппроксимированной функции распределения, которая формируется на выходах счетчика 5. В момент времени, когда число на выходах счетчика 5 становится равным случайному числу на выходах датчика 11 равномерно распределенных случайных чисел с выхода схемы 7 сравнения поступает сигнал на триггер 12, который перебрасывается и размыкает ключ 3. Число, записанное в счетчик

13„ является искомым и фиксируется в нем. После переполнения счетчика 5 сигнал с него поступает на формирователь 8 импульсов, импульс с которого переписывает число с выходом счетчика 13 в выходной регистр 15.

Импульс, задержанный элементом 16 задержки на время установки числа в регистре 15, сбрасывает в нулевое состояние счетчик 13, производит смену числа в датчике 11 равномерно распределенных случайных чисел и устанавливает триггер 12 в состояние, когда ключ 3 замкнут. Аналогично производится формирование следующих случайных чисел.

Перестройка генератора на формирование случайных чисел с иным законом распределения осуществляется сменой команды с коммутатора 17 на включение другой группы элементов И 9.

Таким образом, генератор случайных чисел имеет существенные преимущества перед указанным прототипом, заключающиеся в том, что он имеет большую точность выходного результата, более широкую область применения, проще перестраивается и обладает более широкими функциональными возможностями. Цифровая форма представления информации в предлагаемом устройстве дает возможность получения выходного результата с наперед заданной точностью.

Кроме того, этот результат не зависит от параметров схемных элементов, менее чем в прототипе подвержен влиянию внутренних и внешних дестабилизирующих факторов. Числа на выходе генератора появляются в определенные моменты времени, что,позволяет применять его в системах с любым (синхронным или асинхронным) режимом работы. Перестройка генератора на формирование случайных чисел с дру-. гим законом распределения осуществляется переключением управляющих

I)24294,

3НЯИДК Заказ 8280/37 ТиРан 698 Подписное

4нлнал ППП Патент ° r.Óèãîðîä, ул.Проектная, 4 ячеек по командам с управляющего

% блока, тогда как перестройка прототипа требует замены блока функционального преобразователя. Предлагаемый генератор обладает более широкими функциональными возмонностями. Так, если прототип является специапизированным устройством, пред« назначенным для реализации только одного закона распределения, то число последовательностей случайных чисел с различными законами распределения, формируемых предлагаеиам устройством, определяется числом управляющих, ячеек и ограничевается практически обьемом оборудования.

Лабораторный макет генератора случайных чисел, выполненный согласно предлагаемому изобретению, посравнению с базовым имеет следующие преимущества. он позволяет получить пять видов случайных сигналов, тогда как базовый генератор формирует лишь дна вида сигналов, следовательно, разработанное устройство обла10 дает большими функциональными воз монностями вследствие гибкости своей структуры;

Применение предлагаемого устройства взамен базового позволит полу15 чить экономию за счет снинения себестоимости устройства и сокраяения затрат электроэнергии при его эксплуатации .