Устройство для определения статистических характеристик

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Соиналнстнчесиин

Реснубаии

< 1716044 (63) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 04.01.76(21) 2309142/18-24 с присоединением заявки,%(23} Приоритет

Опубликовано 15.02 80 Бюллетень J% 6

Дата опубликования описания 18.02.80 (51)M. Кл.

Ф 06 Р 15/36

6кудерстееннм3 квинтет

СССР вв лелем кзоеретеннй н етнрмтнв (53) УДК 681.3 (088.8) М. Я. Минц, В. Н. Чинков, А. А. Горлач, C. А, Кравченко и Е. И. Прудников (72) Автори изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Изобретение относится к области BbI числительной и измерительной техники и может быть испопьзовано в приборах и автоматических системах для статистической обработки информации.

Известно устройство определения ста5 тистических характеристик (выборочного среднего и дисперсии), содержащее счетчики-делители (два или один), счетчик среднего, счетчик дисперсии, дешифра1О тор (квадратор), счетчик выборки и логические элементы jl).

Указанное устройство основано на определении среднего по одной (вспомо35 гательной) выборке, а дисперсии - по другой. Такой принцип построения приводит к ограниченным возможностям 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-, 1 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. Более того, эта погрешность имеет место и при определении дисперсии стационарных процессов. Она уменьшается с увеличением объема вспомогательной выборки, по которой определяется выборочное среднее. 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 для определения среднего квадратического отклонении, содержащее генератор импульсов и делитель частоты, счетчик

6044 4

3 71 среднего с поразрядно подключенным к его входам первым блбком "перейоса, два счетчика с блоком переноса между ними, счетчик-накопитель, блок управления и счетчик выборки (2g.

К недостаткам этого устройства следует отнести недостаточно высокие точность, надежность и быстродействие, ог-раниченные функциональные возможности.

Цель изобретения — повышение точности и быстродействия.

Для достижения указанной цели в устройство для определения статистических характеристик, содержащее преобразова» тель 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 информационному 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 информационным входом третьего элемента И, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом сложения и вычитания счетчика среднего, разрядные выходы которого подключены к первому блоку элементов

И, накопительный счетчик, информационный вход которого соединен с первым выходом распределителя импульсов, разрядные выходы накопительного счетчика через второй блок элементов И соединены с разрядными входами счетчика дисперсии, введен дополнительный счетчик, схема 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 счет- чика, первый управляющий вход которого соединен с первым выходом второго элемента И, второй управляющий выход которого соединен с управляющим входом допопнительного счетчика, а второй управляющий вход реверсивного счетчика соединен с первым выходом узла управления, с первым управляющим входбм "де-, шифратора, разрядные входы которого

45 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 вычитания счетчика среднего, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом дополнительного счетчика, разрядные входы которого подключены к выходам 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 треть- его блоков элементов И, реверсивного счетчика 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 бло1 а управления, первый вход

1 . которого соединен с управляющим выходом дешифратора, а выход блока управления - с управляющими входами дешифратора, 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 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 блока элементов И.

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, реверсивный. счетчик разности 9, распределитель импульсов 10, счетчик дисперсии 11, десчетным входом первой декады реверсивного счетчика 8, со счетным входом реверсивного счетчика разности 9, с одним З5 входом распределителя импульсов 10, со . и счетным входом счетчика дисперсии 11

В=.ГЬ <3)

1 где Х4 q -ый ма хD"-—

N-3

Q — поправка к дисперсии, обусловленная отличием среднего арифметического от опорного сигнала, причем 0 =Xp-X

ЬХ вЂ” погрешность вычисления дисперсии, г обусловленная погрешностью вычисления среднего арифметического в соответствии с выражением (1).

/ элемент выборки объеМ; опорный сигнал, относительно которого определяется приближенное значение дисперсии.

Е Х1-Хо (4) 5 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 0 блоку управления 5 подключен другой выход преобразователя 1, по которому в " блок управления 5 поступают, сигналы

g +, Q- полярности и сигналЧ; окончания каждого элемента выборки. Вход запус, 15 ка преобразователя 1 соединен с соответствующим выходом блока управления 5, по которому в преобразователь 1 поступают импульсы запуска., Выход генератора импульсов, имеющегося в преобразова20 теле 1, связан посредством вентиля 3 с сигнальным входом коммутатора 6, а управляющие входы элемента И 3 и коммутатора 6 подключены к соответствующим выходам блока управления 5 Элементь1 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, 40 а по другому - к сигнальному входу элемента И 4. Управляющий вход элемента

И 4 связан с одним выходом узла управления 13, другой выход которого связан с входом реверса счетчика 8 и управляю-45 щим входом дешифратора 1 4. 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.

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 l О.

Счетчик среднего 15 поразрядно блоком элементов И 16 соединен со счетчиком

7, а последний блоком 17 - с реверсив44 6 ным счетчиком разности 9. Выходы счетчиков 7, 9, 15 соединены с входами схемы 20, а выходы последней подключены к входам реверса счетчиков 7, 9 и к управляющим входам блоков 16, 17.Реверсивный счетчик разности 9 соединен поразрядно блоком 18 со счетчиком дисперсии 11 и. по выходу - с входом сброса счетчика 21, подключенного поразрядно блоком 19 к входам счетчика дисперсии 11. Входы первой, второй и третьей декад счетчика 21, а также управляющий вход блока переноса 19 связаны с соответствующими выходами распределителя импульсов 10. Выход счетчика 11 соединен с управляющим входом блока 18 и с соответствующим входом блока управления 5. К входам блока управления 5 подключены также выходы реверсивного счетчика разности 9, схе мы 20 и дешифратора 14. Выходы блока управления 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 элементов

И 17 и схемы сравнения 20.

Вычисление среднего выборочного, дисперсии и среднего квадратичного про1 изводится по известным формулам

6044

7 71

Уровень опорного сигнала X можн

f" о вызирать, исхОдя из имегОщихся, хОтя бы достаточно приближенных, сведений об исследуемом сигнале. Он может быть выбран также равным одному из мгновенных значений сигнала или вычислен по выборке небольшого объема.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений по заданному объему выборки устанавливают в состояние (N — 1) делитель частоты 12 и в состояние Я вЂ” дешифратор 15. Если опорный сигнал Хо определяется предварительно по нескольким отсчетам анализируемого сигнала Х (t), то коэффициент пересчета счетчика 7 устанавливается равным количеству этих отсчетов.

Счетчики 7, 8, 9„11, 15 находятся в нулевом 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 )г (. ) в точках отсчета 6j . Импульсы запуска V» преобразователя 1 задаются блоком управления 5. С преобразо вателя 1 на блок управления 5, в свою очередь, поступают сигналы полярности

1(.». р /» и сигна»тьг М» Окончания каждо го элемента Х» выборки (если входная информация зацана в виде числовых экви валентов,(), то сигналы Q+ V- II » И4 .1 вводятся в блок управления 5 извне).

Блоком управления 5 ведется подсчет элементов выборки (это Осуществляется счетчиком выборки, входящим B его состав) и формируются сигналы управления, задающие программу работы устройства.

Работу устройства целесообразно рассмотреть по этапам. На первом этапе вспомогательная выборка через элемент

И 2 поступает в счетчик 7, в котором формируется код опорного сигнала (код этого сигнала может вводиться в счетчик 7 извне, если ожидаемое среднее примерно известно).

На втором этапе производится вычисление среднего по формуле (1) и приближенной дисперсия по формуле (4).

По сигналу $0 блока управления 5 элемент И 2 закрывается по первому выходу и открывается по второму выходу.

После этого элементы )(. анализируемой выборки поступают HQ вторую декаду счетчика 8 и на вхоц реверсивного счет15

8 чика 9. Режим работы (суммирование или вычитание) счетчика 8 задается уз« лом 13 в соответствии с полярностью данного элемента выборки Х» по сигналам 4+ или Ч-, поступающим с блока управления 5. Кроме того, если первый элемент выборки отрицателен, то узлом

13 в счетчик 8 вводится число Я . Дешифратор 14 формирует сигналы на одном из своих выходов при состоянии О или N с ч Iе тrч IиIIк а 88, в зависимости or зна ка элемента выборки "+ или "-", соответственно. Управление дешифратором

14 также осуществляется узлом 13. .Причем дешифратор 14 построен так, что он оказывается нечувствительным к первому импульсу, формируемому при каждом изменении полярности элемента выборки, так как этот импульс является ложным. Выходные импульсы дешифратора 14 поступают на вход сложения или вход вычитания второй декады счетчика среднего 15 и на входы узла 13. После поступления всего объема выборки, независимо от полярности отдельных элементов выборки, в счетчике 15 будет зафиксировано среднее I(, в счетчике

М

8 - остаток AX= 2, y,.-Ny,, а в

1=1 1 узле 13 — знак этого остатка.

Одновременно с определением среднего производится вычисление приближенной дисперсии Ъ . Для этого накануне поступления каждого элемента выборки

Х „сигналом /j поступающим с блока управления 5 на блок 17, осуществляется перенос дополнительного кода числа

)(О из счетчика 7 в счетчик 9. При поступлении на счетчик 9 с элемента И 2 элемента выборки )(в этом счетчике всегда записывается модуль разности (» = (g„ -g< ) в дополнительном коде. Для этого счетчик 9 выполнен так, что при ()(») >1<> он переполняется и переводится в режим вычитания. После окончания каждого числового эквивалента )(1 с блока управления 5 на счетчик

9 подается сигнал \/„, возвращая его в режим суммирования или поцтвержцая этот режим. Этим же сигналом открывается элемент ИЗ, поцключая генератор импульсов преобразователя 1 через коммутатор 6 к счетчику 9 и распределителю импульсов 10. Первый входной импульс распределителя 10 не проходит на счетчик 21, а последующие импульсы по(ступают на вход второ1 о триггера Tf»(тьей цекады этого счетчика. Каждый выходной импульс распределителя 10 подается на блок 19 для переноса показаний из счет: чика 21 в счетчик дисперсии 1 1. При обнуления счетчика 9 на его выходе

5 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 М,. а в счетчике 11 запишется число а)(„. После ввода каждоф го числа ЬХ1 счетчик 21 устанавливается в исхоцное состояние сигналом с выхода счетчика 9. После поступления всего объема выборки в счетчике 11 будет и зафиксировано, число Ау. Блок уп1 равления 5 изменяет состояние коммутатора 6, подключая элемент И 3 к входу вычитания счетчика 11 и через делитель

12 — к входу суммирования счетчика 9.

Когда со счетчика 1 1 будут списаны его

> .

К показания, равные .. д,Х, в счетчик 25

11 1

И поступит число импульсов D=- д„/щ

1=4

9 7.16044 10 от знака ocTQ7K8 Л Х > TBK> 1то .»>1 o(ITIIток 5 Х списывался, Режим работы с 1> тчика 8 задается узлом 13. При обнулении счетчика 8 его выходной импульс 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

10 Q> . Это число импульсов поступает по одному из выходов элемента И 4либо па вход сложения, либо на вход вычитания первой декады счетчика среднег.o 15. Состояние элемента И 4 определяется знаком остатка в счетчике 8 и задается узлом 13. Кроме того, число импульсов 10ЕХ с выхода элемента

И 4 поступает на второй вход распределителя импульсов 10. С выхода распределителя 1 0 это число импульсов 21оступает на вторую декаду счетчика 21 (т, е. со сдвигом влево на один разряд по отношению к числам ЬХ для соблюдения веса составляющей 5X дисперсии). Эти же импульсы поступают на блок 19. В результате в счетчик 11 будет введен код составляющей Ь) Х .

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 3 из счетчика 9 в счетчик 11.

Ка этом заканчивается второй этап 55 и начинается третий этап — уточнение среднего Х и приближенной дисперсии

2 ,путем учета составляю1цих ЬХ и С( в соответствии с формулой (2). Для выполнения этого этапа сигналом Ур бло- 40 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 сче чика 8, изменяется состояние распределителя импульсов 10, переводятся в рабочее состояние элемент И 4 и схема 20, коэффициент деления делителя 12 увеличивается на. 50 единицу и становится равным N

Импульсы с геператора преобразователя 1 поступают на вход первой декады счетчика 8 (тем самым остаток увеличивается в 10 раз) и через делитель частоты 12 — иа вход элемента И 4. На счетчик 7 импульсы поступают на сумМИРОВ>1Н>1>Э И1(И В1>1>ИГ1 ЛНИЕ>> В З11ВИСИМОСТИ

Составляющая б вводится следующим образом. Схема сравнения 20 по сигналу ,, с блока управления 5 задает режим работы счетчика 7 и с некоторой з«держкой переносит в него код среднего Х из счетчика 15 посредством блока 16.

Режим работы счетчика 7 определяется знаком среднего X а, следовательно, состоянием счетчика срецнего 15 и устанавливается следующим образом. Если

Х . Q то сигнал с выхода схемы 20 на реверс счетчика 7 не выдается и последний остается в режиме суммирова1!ия. Если же X 0, то схемой 20 формируется сигнал, переводящий счетчик

7 в режим вычитания. Тогда при переносе показаний счетчика 15 в счетчик

7 в последнем образуется прямой или цополнительный код поправки<3=)XI - Хб при g ) (g) прямой ко11, при;

) 4 XI - дополнительный коц. Затем, если Q)O, схема 20 формирует n»Ixод ной сигнал, устанавливающий счетчик 9 в режим вычитания . Если же с .О, схема 20 сигнала IIe формирует и с Iåò Ièê

9 остается в режиме суммирования. С задержкой, обусловленной переходнъ1ми процессами в схеме 20 и в счетчике Г!, с выхода схемы 20 поступает сигнал и:

11 - 7160 блок 17 для переноса показаний из счетчика 7 в счетчик 9. В результате в счет- чике 9, независимо от знаков среднего и поправки 0, будет записан дополнительный код поправкй Ь . Этот же сигнал, опять - такй с некоторой задержкой, переводит счетчик 9 в режим суммирования (или подтверждает этот режим) и поступает в блок управления 5, подключая через коммутатор 6 вход распредели- (0 теля 10 и вход счетчика 9 к выходу эле-: мента И.3 и открывая последний. Импульсы с генератора преобразователя 1 поступают на счетчик 9 и распределитель 1 О.

С выхода распределителя 1 0 импульсы 5 по-прежнему поступают на вход второй декады счетчика 21 и на блок 19. При обнулении счетчика 91. сигнал с его выхода поступает в блок управления 5, закрывая элемент 3, и на счетчик 21, 20 возвращая его в исходное состояние. За время открытого состояния элемента И 3 на счетчик 21 поступит число импульсов

jd 1, а в счетчик 11 - число> 0 на сум2. мирование. В результате в счетчике 11 будет заййСан дополййтельный код числа

100 (Ъ вЂ” EE(-0 ). С этого момента на2 чинается четвертый этап работы устрой - ства — вычисление среднеквадратичного.

С некоторой задержкой блок управления

5 цзменяет состояние распределителя импульсов 10 и снова открывает элемент

И3. Импульсы с генератора преобразователя 1 через коммутатор 6 и распредели, тель 10 поступают на вход первой декады з5 счетчика 21 и 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 40 введено" число имйульсов,- равнбе" искомо- му среднеквадратичному отклонению в соответствии с формулой (3).

Таким образом, в счетчике среднего

15 зафиксировано выборочное среднее, в счетчике 9 - дисперсия, а в счетчике

21 - среднеквадратичное значение.

Значения этих величин могут быть выведены на отсчетные устройства либо цифропечать.

Использование данного устройства позволит существенно повысить точность анализа исследуемых процессов и значительно сократить время контроЛя исследуемых объектов.

44

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 управления„с 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 BE>I13 7160 читания счетчика среднего, выход кото« рого соединен с первым входом схемы " сравнения, второй вход которой соединен с выходом дополнительного счетчика; разрядные входы которого подключены K 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 t5 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- 25

44

pBTopQ> а выход блока управления соединен с управляющими входами дешифратора, узла управления, третьего элемента

И, схемы сравнения, третьего блока элементов И, реверсивного счетчика разности, распределителя импульсов, преобра4 зователя 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

N 407322, кл. (j 06 F 16/36, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

МО419899, кл. Су 06 Р 15/36, 1973.