Управляемый генератор случайных импульсов

 

Использование: в вычислительной технике при решении вероятностных задач методами аппаратурного моделирования. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей генератора. Устройство содержит группу датчиков случайных импульсов 1, многовходовые элементы ИЛИ 2, 7, 8. Управляемый датчик случайных двоичных цифр 3, группы элементов И 4, 6, группу триггеров 5, счетчик с управляемым коэффициентом пересчета 9, элементы И10, 11 элементы ИЛИ 12,13 инвертор 14. Управляемый датчик случайных двоичных цифр 3 содержит генератор равномерно распределенных случайных двоичных чисел, блок сравнения, D-триггер и инвертор. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 К 3/84

ГОСУДАРСТВЕН10Е ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4876746/21 (22) 22.10.90 (46) 30,05.93. Бюл. (Ф 20 (71) Вологодский политехнический институт (72) В.Н.Лабичев, А, Н.Андреев, А.Г. Ка гуки на и Ю.В.Щербаков (56) Авторское свидетельство СССР

Q 1368957, кл, Н 03 К 3/64, 1986. (54) УПРАВЛЯЕМБ1Й ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ИМПУЛЬСОВ (57) Использование: в вычислительной технике при решении вероятностных задач методами аппаратурного моделирования, Ж 1818685 А1

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей генератора. Устройство содержит группу датчиков случайных импульсов 1, многовходовые элементы ИЛИ

2, 7, 8. Управляемый датчик случайных двоичных цифр 3, группы элементов И 4, 6, группу триггеров 5, счетчик с управляемым коэффициентом пересчета 9, элементы И 10, 11 элементы ИЛИ 12, 13 инвертор 14. Управляемый датчик случайных двоичных цифр 3 содержит генератор равномерно распределенных случайных двоичных чисел, блок сравнения, О-триггер и инвертор. 3 ил.

1818685

15 датчик случайных двоичных цифр, вход ко- 20

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в вычислительной технике при решении вероятностных задач методами аппаратурного моделирования, Целью изобретения является устранение данного недостатка и расширение функциональных воэможностей генератора.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее датчики случайных импульсов, первую и вторую группы элементов И, первый многовходовой элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам группы триггеров, К-входы которых подключены к выходам группы элементов И, счетчики импульсов, первый и второй элементы И, элемент НЕ и первый элемент

ИЛИ, введены второй и третий многовходовые элементы ИЛИ, второй элемент ИЛИ и торого соединен с выходом второго многовходового элемента ИЛИ, а выход подключен ко вторым входам первой группы элементов И, первые входы которых подключены к выходам соответствующих датчиков случайных импульсов и ко входам второго многовходового элемента ИЛИ, выходы первой группы элементов И подключены к первым входам второй группы элементов И, вторые входы которых соединены с выходами группы триггеров, J-входы которых соедичены с выходом первого элемента И, К-входы группы триггеров соединены с выходом первого элемента И, пр ..чем первые входы первого и второго элементов И соединены с выходами соответственно первого и второго элементов ИЛИ, первые входы которых подключены к выходу переполнения счетчика импульсов, R и С входы которого соединены соответственно с выходами третьего и первого многовходовых элементов ИЛИ, входы третьего многовходового элемента ИЛИ соединены с выходами второй группы элементов И, при этом вторые входы первого и второго элементов И соответственно подключены к шинам "Сброс" и "Пуск", а второй вход первого элемента подключен через элемент HE ко второму входу второго элемента ИЛИ и к шине "Режим", входы управления датчика случайных двоичных цифр и счетчика импульсов подключены к соответствующим шинам управления.

Датчик случайных двоичных цифр содержит генератор равномерно распределенных случайных двоичных чисел, блок сравнения, инвертор и D-триггер, причем вход синхронизации датчика соединен со входом инвертора и входом синхронизации генератора равномерно распределенных

55 случайных чисел, выходы которого соединены со входами разрядов второго операнда блока сравнения, входы разрядов первого операнда которого соединены с группой входов управления датчика, выходом которого является выход О-триггера, вход записи которого подключен к выходу инверторг, а информационный вход соединен с выходом блока сравнения.

Введение в устройство новых элементов и связей позволяет формировать серии из l случайных импульсов (! = 1-:-n), моменты появления каждого из которых сохраняют экспоненциальное распределение с плотнОстью

f(t) = we относительно заданного момента времени.

Этим достигается расширение функциональных возможностей устройства, что обеспечивает его эффективное использование в качестве источника синхронизирующих сигналов для систем вероятностного моделирования.

Таким образом, новые элементы и связи генератора обеспечивают его новые свойства, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию

"существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема устройства, на фиг. 2 — структурная схема датчика случайных двоичных цифр, а на фиг.

3 — диаграммы работы.

Управляемый генератор случайных импульсов содержит группу датчиков случайных импульсов 1, второй многовходовый элемент ИЛИ 2, датчик случайных двоичных цифр 3, первую группу элементов И 4, группу триггеров 5, вторую группу элементов И

6, первый 7 и третий 8 многовходовые элементы ИЛИ, счетчик 9, первый 10 и второй

11 элементы И, первый 12 и второй 13 элементы ИЛИ, элемент НЕ 14, первый выход

15, второй выход 16, а также первую группу входов управления 17., вторую группу входов управления 18, третий вход управления

19 (Сброс), четвертый вход управления 20 (Пуск) и пятый вход управления 21 (Режим).

Датчик случайных двоичных цифр 3 содержит вход синхронизации 22, выход 23, генератор равномерно распределенных случайных двоичных чисел 24, блок сравнения 25, О-триггер 26 и инвертор 27.

Выходы Датчиков случайных импульсов

1 соединены со входами второго многовходового элемента ИЛИ 2 и подключены к первым входам соответствующих элементов И

4 первой группы. Выход второго многовходового элемента ИЛИ 2 соединен со входом

22 синхронизации датчика случайных дво1818685

15

25

45

55 ичных цифр 3, выход ко1орого подключен ко вторым входам элементов И 4 первой группы, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих триггеров 5 и первыми входами одноименных элементов

И б второй группы. Выходы триггера 5 соединены со вторыми входами соответствующих элементов И 6 второй группы и подключены ко входам третьего многовходового элемента ИЛИ 8, выход которого соединен со входом начальной установки счетчика 9 и вторым выходом 16 генератора.

Выходы каждого элемента И 6 второй группы соединены со входами первого многовходового элемента ИЛИ 7, выход которого соединен со входом синхронизации счетчика 9 и первым выходом 15 генератора. Выход переноса счетчика 9 соединен с первыми входами первого 12 и второго 13 элементов ИЛИ, выходы которых соединен соответственно с первыми входами первого

10 и второго 11 элементов И. Выход первого элемента И 10соединен с третьими входами триггеров 5, первые входы которых объединены на выходе второго элемента И 12. Первая группа входов управления 17 генератора соединена со входами управления датчика случайных двоичных цифр 3, вторая группа входовуправления 18 генератора соединена со входами счетчика 9, третий вход управления 19 (Сброс) соединен со вторым входом первого элемента И 10, четвертый вход управления 20 (Пуск) соединен со вторым входом второго элемента И 11.

Пятый вход управления генератора 21 (Режим) соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ 12 и через элементы НЕ подключен ко второму входу второго элемента

ИЛИ 13.

Вход синхронизации 22 датчика случайных двоичных цифр 3 соединен со входом синхронизации генератора равномерно распределенных случайных двоичных чисел

24 и входом инвертора 27, Входы разрядов первого операнда блока сравнения 25 являются входами управления датчика 3 и подключены к первой группе входов 17 .управления генератора. Входы второго операнда блока сравнения 25 подключены к выходам генератора равномерно распределенных случайных чисел 24, а выход соединен с D-входом 0-триггера 26. Вход записи

D-триггера 26 соединен с выходом инвертора 27, а выход 0-триггера 26 соединен с выходом 23 датчика 3.

Управляемый генератор случайных импульсов работает следующим образом.

На выходе каждого из и датчиков 1 случайных импульсов формируются стационарные эргодические потоки с плотностью распределения интервалов

f (t) = ще " . (1) причем w = wo =- сопзт, (i = 1, ... n)-значение математического ожидания интенсивности генерируемых сигналов. Импульсы каждого i-го потока поступают на первые входы соответствующих элементов

И 4 первой группы и входы второго многовходового элемента ИЛИ 2, откуда на вход синхронизации датчика случайных двоичных цифр 3 подается результирующий поток интенсивностью

w=n*wo.

Сущность функционирования датчика случайных двоичных цифр 3 заключается в следующем.

Каждый j-й импульс результирующего потока w своим передним фронтом инициирует формирование на выходе генератора

24 равномерно распределенного случайного двоичного числа Xi, поступающего на входы второго операнда блока сравнения 25.

На входы первого операнда блока сравнения 25 с первой группы входов 17 управления устройства подается двоичная кодовая комбинация N. Сигнал P на выходе блока 25 принимает значения (О, при условии Х < =- N, Р= (1, если Xi > N, По окончании рассматриваемого импульса на выходе инвертора 27 формируется положительный перепад сигнала и результат сравнения P записывается Dтриггером 26, откуда поступает на выход 23 датчика 3. По приходу следующего (j + 1-го) импульса потока w генератора 24 формирует новое число Х;+ 1, которое также сравнивается с N, а результат сравнения фиксируется D-триггером 26, и так далее.

Поскольку Х1 являются некоррелированными равномерно распределенными числами, вероятность Р(1) формирования сигнала высокого логического уровня на выходе блока сравнения 25 в ответ на воздействие каждого синхроимпульса равна

Р(1) = N/2, (2) где L — разрядность выходной шины генератора равномерно распределенных случайных двоичных чисел 24 Х1,и первой группы входов управления 17 устройства, а также первого и второго операндов блока сравнения 25, Следовательно, каждому импульсу потока w на выходе 23 датчика случайных двоичных цифр 3 соответствует сигнал логической "1" с вероятностью (2). "Защелкивание" результата преобразования "кодвероятность" 0-триггером 26 исключает

1818685 просчеты вследствие конечного быстродействия работы элементов датчика 3, так как изменение выходного сигнала в рассматриваемой схеме происходит уже после окончания очередного импульса синхронизации.

Сигнал с выхода датчика случайных двоичных цифр 3 поступает на вторые входы элементов И 4 первой группы, Поскольку выходные потоки датчиков 1 независимы, вероятность формирования сигнала высокого логического уровня датчиком 3 на момент прихода каждого импульса i-го потока также определяется формулой (2). Следовательно, на выходы элементов И 4 и поступают импульсные сигналы с плотностью распределения интервалов (1) и математическим ожиданием интенсивности

wi(N) = wo*/2 N. (3)

Данные потоки могут быть использованы автономно для моделирования сигналов многоканальных стохастических систем и являются базовыми для организации работы управляемого генератора случайных импульсов в двух основных режимах, 1. Режим работы с автоматическим перезапуском (непрерывной генерации), В данном режиме управляемый генератор случайных импульсов обеспечивает формирование импульсных потоков с регулируемыми значениями математического ожидания w интенсивности и непрерывно чередующихся серий случайных импульсов размерностью m = 1-;-n. При этом интервалы между моментами перезапуска и каждым импульсом текущей серии имеют распределение (1).

При подготовке устройства к работе в рассматриваемом режиме на его первую группу входов 17 подают двоичный код N, на вторую группу входов управления 18 — двоичный код m, определяющие соответственно значения w и число m импульсов в сериях.

На пятый вход управления 21 (Режим) подают сигнал высокого логического уровня, после чего на третьем входе управления 19 формируется отрицательный импульс, который, проходя через первый элемент И 10, обеспечивает установку триггеров 5 в начальное (нулевое) состояние, С этого момента нулевые выходные сигнал триггеров 5 блокируют прохождение случайных импульсов потоков w на первый выход 15 генератора, Сигнал низкого логического уровня устанавливается также и на втором выходе

16 генератора, что приводит к обнулению счетчика 9 и формированию ма его выходе сигнала высокого логического уровня.

Данное состояние генератора является устойчивым.

Инициализация работы генератора в режиме с автоматическим перезапуском осуществляется при подаче отрицательного импульса на четвертый вход управления 20 (Пуск) устройства, который, проходя через второй элемент И 11 на первые входы триггеров 5, устанавливает на их выходах сигналы высокого логического уровня, С этого момента снимается запрет на прохождение импульсов исходных потоков на выходы элементов И 6 второй группы, а на втором выходе 16 генератора устанавливается сигнал высокого логического уровня. свидетельствующий о начале работы устройства в заданном режиме.

Первый импульс, поступивший с выхода

1-го датчика случайных импульсов 1 (например, по временной диаграмме на фиг. 3 первым поступает импульс с выхода первого датчика, т, е. i = 1), с вероятностью P(N) проходит через соответствующий элемент И

6 на вход первого многовходового элемента

ИЛИ 7 и далее — на первый выход 15 генератора и вход синхронизации счетчика 9. По окончании импульса его задний фронт опрокидывает соответствующий триггер 5, в результате чего поступление последующих по времени импульсов данного потока на первый выход 15 генератора блокируется (одноименный ключ на элементе И 6 закрыт).

Одновременно содержимое счетчика 9 увеличивается на единицу. Следующим по вре-. мени формируется импульс на выходе k-го датчика 1, который также с заданной вероятностью P(N) проходит на выход соответствующего (k-го) элемента И 4 первой группы, и далее — через k-й элемент И 6 второй группы и первый многовходовый элемент

ИЛИ 7 — на первый выход 15 генератора. По окончании данного импульса опрокидывается k-й триггер Ь, своим нулевым выходным сигналом блокируя поступление последующих импульсов рассматриваемого потока на первый выход 15 генератора, и вновь увеличивается на единицу содержимое счетчика

9. И так далее.

Так происходит до тех пор, пока на первый выход генератора 15 не поступит последний m-й импульс рассматриваемой серии (например, на фиг. 3 данный импульс проходит с выхода и-го датчика случайных импульсов 1). С этого момента содержимое счетчика 9 становится равным m, и на его выходе формируется отрицательный импульс переполнения. Данный импульс через второй элемент ИЛИ 13 и второй элемент И 11 проходит на первые входы триггеров 5, своим задним фронтом инициируя установку выходов обнуленных в процессе работы устройства триггеров 5 в

1818685

N

wa = Awo

2 (4) 30

55 единичное состояние. Тем самым обеспечивается автоматический перезапуск генератора на формирование новой серии импульсов. Одновременно происходит обнуление счетчика 9, необходимое для подсчета количества импульсов в текущей серии, Дальнейшая работа генератора в рассматриваемом режиме аналогична изложенному выше.

Каждый из m импульсов в генерируемых сериях принадлежит независимым потокам

w, прореживаемым случайным образом с вероятностью P(1), Кроме того, рассматриваемые импульсы являются первыми для данных потоков с момента очередного перезапуска генератора, Следовательно, временные интервалы, измеренные между моментом очередного перезапуска генератора и моментами появления импульсов текущей серии сохраняют экспоненциальное распределение (1), Результирующий выходной поток импульсов на выходе 15 генератдра также является пуассоновским и имеет математическое ожидание частоты импульсов в серии

2. Режим работы с внешним запуском.

В данном режиме управляемый генератор случайных импульсов также обеспечивает формирование серий случайных импульсов регулируемой интенсивности, интервалы между моментами появления каждого из которых и заданным моментом времени(моментом запуска) сохраняют экспоненциапьное распределение. При этом запуск очередной серии импульсов осуществляется путем формирования внешней команды "Пуск" на третьем входе управления

20 генератора, При подготовке устройства к работе в рассматриваемом режиме на его первую группу входов управления 17 подают двоичный код N, на вторую группу входов управления 18 — двоичный код m, определяющие соответственно значения чю и число m импульсов в сериях. На пятый вход управления

21 (Режим) подают сигнал низкого логического уровня, после чего на третьем входе управления 19 формируют отрицательный импульс, который, проходя, через первый элемент И 10, обеспечивает установку триггеров 5 в начальное (нулевое) состояние. С этого момента нулевые выходные сигналы триггера 5 блокируют прохождение случайных импульсов потоков w на первый выход

15 генератора. Сигнал низкого логического уровня устанавливается также и на втором выходе 16 генератора, что приводит к обнулению счетчиков 9 и формированию на его выходе сигнала высокого логического уровня, Данное состояние генератора является устойчивым.

Инициализация работы генератора в режиме с внешним перезапуском осуществляется при подаче отрицательного импульса на четвертый вход управления 20 {Пуск) устройства, который, проходя через второй элемент И 11 на первые входы триггеров 5, устанавливает на их выходах сигналы высокого логического уровня. С этого момента снимается запрет на прохождение импульсов исходных потоков на выходы элементов

И 6 второй группы, а на втором выходе 16 генератора устанавливается сигнал высокого логического уровня, свидетельствующий о начале работы устройства в заданном режиме, Работа генератора при формировании импульсов в серии аналогична описанному выше режиму с автоматическим перезапуском. Так, первый импульс, поступивший с выхода l-го датчика случайных импульсов 1 (например, по временной диаграмме на фиг.

3 первым поступает импульс с выхода второго датчика, т. е.! = 2), с вероятностью P(N) проходит через соответствующий элемент И б на вход первого многовходового элемента

ИЛИ 7 и далее — на первый выход 15 генератора и вход синхронизации счетчика 9, По окончании импульса его задний фронт опрокидывает соответствующий триггер 5, в результате чего поступление последующих по времени импульсов данного патока на первый выход 15 генератора блокируется (одноименный ключ на элементе И б закрыт).

Одновременно содержимое счетчика импульсов увеличивается на единицу. Следующим по времени формируется импульс на выходе k-rp датчика 1, который также с заданной вероятностью P(N) проходит на выход соответствующего (k-го) элемента И 4 первой группы, и далее — через k-й элемент

И 6 второй группы и первый многовходовый элемент ИЛИ 7 — на первый выход 15 генератора. По окончании данного импульса происходит обнуление выходного сигнала

k-й триггер 5 и блокируется прохождение последующих импульсов рассматриваемого потока на первый выход 15 генератора. Содержимое счетчика 9 увеличивается на единицу. И так далее.

Так происходит до тех пар, пока на первый выход генератора 15 не поступит последний е-й импульс рассматриваемой серии (например, на фиг. 3 данный импульс

1818685

30

50 проходит с выхода 1-ro датчика случайных импульсов 1). С этого момента содержимое счетчика 9 становится равным m, и на его выходе формируется отрицательный импульс переполнения. Данный импульс через первый элемент ИЛИ 12 и первый элемент

И 10 поступает на третьи входы триггеров 5, своим задним фронтом инициируя сброс оставшихся необнуленными (при m < и m-n триггеров 5 генератора на момент завершения серии останутся в единичном состоянии) триггеров 5 в исходное состояние. Это приводит к формированию нэ выходе третьего многовходового элемента ИЛИ 8 сигнала низкого логического уровня, который поступает на второй выход 16 генератора и одновременно сбрасывает в нулевое состояние счетчик 9, блокируя его дальнейшую работу.

Появление сигнала низкого логического уровня на втором выходе 16 генератора свидетельствует о том, что процесс формирования текущей серии случайных импульсов завершен, Рассматриваемое состояние генератора является устойчивым.

Для инициализации генерирования очередной серии импульсов в данном режиме необходимо подать на четвертый вход управления 20 устройства отрицательный импульс, устанавливающий универсальные триггеры 5 в единичное состояние. И так далее.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает формирование серий случайных импульсов с распределением (1) в двух режимах и обладает расширенными функциональными возможностями относительно известных технических решений.

При организации управления генератором от ЭВМ входы управления 17 — 21 устройства подключаются к выходам регистров внешних устройств, а сигнал со второго выхода

16 подается на вход запроса прерываний, что позволяет программно инициировать генерирование очередной серии импульсов с заданными параметрами в режиме с внешним запуском.

Использованные в предлагаемом генераторе технические решения узлов известны. Датчики случайных импульсов 1 и генератор случайных равномерно распределенных двоичных чисел 24 являются элементами стохастической вычислительной техники и описаны в <2) нэ стр. 181-186 и

176-178 соответственно. Логические и пересчетные узлы могут быть реализованы на элементах серии 533.

Формула изобретения

Управляемый генерзтор случайных импульсов, содержащий датчик случайных импульсов, первую и вторую группы элементов

И, первый многовходовый элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам группы триггеров, К-входы которых подключены к выходам первой группы элементов И, счетчик импульсов, первый и второй элементы И, элемент НЕ и первый элемент

ИЛИ, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй и третий многовходовые элементы ИЛИ, второй элемент

ИЛИ и датчик случайных двоичных цифр, вход которого соединен с выходом второго многовходового элемента ИЛИ, а выход подключен к вторым входам первой группы элементов И, первые входы которых подключены к выходам соответствующих датчиков случайных импульсов и к входам второго многовходового элемента ИЛИ, выходы первой группы элементов И подключены к первым входам второй группы элементов И, вторые входы которых соединены с выходами группы триггеров, J-входы которых соединены с выходом второго элемента И, Rвходы группы триггера соединены с выходом первого элемента И, причем первые входы первого и второго элементов И соединены с выходами соответственно первого и второго элементов ИЛИ, первые входы которых подключены к выходу переполнения счетчика импульсов, R- и С-входы которого соединены соответственно с выходами третьего и первого многовходовых элементов ИЛИ, входы третьего многовходового элемента ИЛИ соединены с выходами второй группы элементов И при этом вторые входы первого и второго элементов И соответственно подключены к шинам "Сброс" и

"Пуск", а второй вход первого элемента подключен через элемент НЕ ко второму входу второго элемента ИЛИ и к шине "Режим", входы управления датчика случайных и двоичных цифр и счетчика импульсов подключены к соответствующим шинам управления.

3818685

I I

1 I

1 I (Режим) 21 (Сброс) 19 (Пуск) 20 (R) 5 (J) 5 (К) 5 (1) Ь (K) 5 (2) Ь (К) 5

Фи ФГ- ° 2.

I 1

I 1

1 2! I

1---t2I — -tnt