Устройство для определения среднеймощности и дисперсии случайногопроцесса
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
l
/ .г (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 020279 (21) 2721558/18-24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет
Опубликовано 15.01.81. Бюллетемь 892
Дата опубликования описания 1501.81 (51)PA. Кл
G 06 F 15/36
Государственный комитет
СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 681.З (088. 8) (72) Авторы изобретения
Г. Я. Мирский, В. Л. Гольденберг, С. У. Климович и Ф. Б. Цирульницкий
Московский ордена Трудового Красного Знамени электротехнический институт связи (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ В П Т Г, МОЩНОСТИ И ДИСПЕРСИИ СЛУЧАЙНОГО
ПРОЦЕССА 95 ""-;. - --, Д а,,-„;;.;„
Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для аппаратурного определения характеристик случайных процессов.
Известно устройство для аппаратурного определения средней мощности и дисперсии случайного процесса, содержащее входной блок, квадратор, блок усреднения, показывающий или регистрирующий прибор (1 .
Однако такое устройство не позволяет простым путем регулировать продолжительность измерения и требует применения дополнительных блоков для 15 получения результатов в цифровой форме.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения средней мощности и диспер-. 20 сии случайного процесса содержащее блок памяти, первый вход которого является входом устройства, второй вход блока памяти соединен с единич" ным входом триггера и подключен к 25 первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен со эхо дом блока пересчета и подключен к 3( выходу генератора счетных импульсов, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход блока запоминания соединен с первым входом первого блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока управления,второй вход первого сумматора подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, третий вход первого сумматора соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, первый вход первого счетчика подключен к пятому выходу блока управления (21.
Недостатком этого устройства является малый динамический диапазон и низкая точность определения малых значений средней мощности и дисперсии случайного процесса.
Цель изобретения — повышение точности определения малых значений средней мощности и дисперсии случайного процесса, а также расширение динамического диапазона работы устройства.
Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения средней мощности и дисперсии введены
796 855 второй блок сравнения, второй счетчик, второй сумматор, первый и второй дешифраторы, коммутатор, второй элемент И, элемент ИЛИ и линия задержки, причем первый вход второго блока сравнения подключен к выходу блока памяти, выход первого блока сравнения подключен к третьему входу первого элемента И, выЫ д которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с нулевым входом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, второй выход блока управления подключен к третьему входу второго элемента И, четвертый вход которого соединен с выходом линии задержки, вход которой подключен к выходу генератора счетных импульсов, выход второго элемента И соединен с первым входом второго счет-20 чика, выход которого подключен ко второму входу элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом первого счетчика, второй вход второго счетчика подключен к пятому вы- ° 25 ходу блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго блока сравнения, выход второго цифро- gg аналогового преобразователя соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, входы которого объединены с первыми входами коммутатора и соединены с выходами первого дешифратора, входы которого подключены к первой группе выходов блока пересчета, вторая группа выходов которого соединена со вторым входом ком-4О мутатора, информационные выходы которого соединены с соответствующими входами второго дешифратора, выходы которого подключены к соответствующим входам второго цифроаЫалого- 4$ вого преобразователя, управляющий выход коммутатора соединен со входом блока управления.
Блок-схема устройства представлена на чертеже. 50
Устройство содержит блок 1 управления, блок 2 памяти, первый блок
3 сравнения, второй блок 4 сравнения, первый элемент И5, триггер б, второй элемент И7, элемент ИЛИ8, первый счетчик 9, второй счетчик 10, линию 11 задержки, генератор 12 счетных импульсов, блок 13 пересчета, первый дешифратор 14, коммутатор 15, второй дешифратор 1б, первый и второй цифроаналоговые преобразо- 49 ватели 17 и 18, первый и второй сумматоры 19 и 20.
Работа устройства основана на принципе нелинейного времяимпульсного преоб раз ования. 45
Напряжение реализации x(t) исследуемого случайного процесса подается на вход устройства, работающего
И циклами. За один цикл осуществляет ся дискретных выборок При (-ой выборке напряжение x() преобразуется в им мпульсы, число а которых пропор4 ционально квадрату напряжения, т. е.
m = kx (t<). В Результате усреднения получается оценка средней мощности р процесса, выделяемой на резисторе в 1 Ом, согласно выражению
Нелинейное времяимпульсное преобразование заключается в преобразовании напряжения x(t) в интервал времени ь, пропорциональный квадрату напряжения, т. е. I< = k x2(t )
1 з с пОследующим заполнением этого интервала счетными импульсами. Их пi1 F g „, roe Fq4 следования счетных импульсов и, следовательно, m ) = k
Квадратичное преобразовайие напряжение-интервал времени достигается в результате сравнения напряжения x(t) с образцовым развертывающим напряжением, изменяющимся по закону vl c„ l = c c-г, где c„ — на4 и чало отсчета времени (момент I-oé выборки), длительность формируемого интервала времени 2 = ср- с где (f
tp - момент, в который йапряжение
V(tp.- t) ) становится равным напряжению x(tq). При этом i„ = — u (t -t,)
=-,р x (t ). с P
В качестве образцового развертывающего напряжения в предлагаемом устройстве используется ступенчатое напряжение, которое с требуемой точностью аппроксимирует напряжение
U(t-"tj). Формирование ступенчатого напряжения основано на получении числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый сигнал, который аппроксимируется ступенчатой функцией, моделируемой путем цифроаналогового преобразования. Для получения высокой точности ступенчатой аппроксимации начального участка параболической кривой 0(t--t))
=c c-т при значительном динамическом диапазоне требуется большое число ступеней. При этом аппаратурная реализация устройства получается сложной и дорогой. Сократить число ступеней позволяет применение линейноступенчатой аппроксимации. Формируемое напряжение состоит из крупных ступеней (большой длительности), заполняемых ступенями (малой длительности), высоты которых внутри ступеней изменяются по линейному закону, причем с каждой новой крупной стук
796855 пенью изменяется наклон мелких!ли- выхода блока 1 п лока управления стробирующий импульс, задающии длительность
Однако п и такой ап р аппроксимации, цикла измерения (интервал усреднеиспользованной в известном устройст- ния). С ф фронтом этого импульса синве, начальный участок параболическо- хронизирован пе вый им ан первы импульс — выбория (-йz) аппроксимиру- ка, поступающий с первого выхода блоется с низкой точностью (грубая ап- ка 1 управления на второй вход блока 2 памяти. О нов ем н дновременно этот имется большая погрешность измерения пульс подается на единичный вход малых значений мощности. Уменьшение триггера 6. Последний устанавливадлительности крупных ступеней при фик- © ется в единичное состояние, в резульсированном их числе приводит к су- тате чего создается разрешающий пожению динамического диапазона изме- тенциал на первом входе элемента И7. рений. Таким образом, на всех входах элеменПреодоление укаэанных трудностей, та И5 и элемента И7 имеются разрет. е ° получение большого динамичес- шающие уровни. Вход 2 элемента И5 кого диапазона и хорошей разрешающей 15 и вход 4 элемента И7 (через линию способности устройства при оценке малых мощностей, обусловлено двумя нератора 12 счетных импульсов. С приособенностями предлагаемого устройст- ходом первого импульса — выборки в ва, отличающими его от известного: момент t на второй вход блока 2 формированием крупных ступеней, уве- Щ памяти последний запоминает напряличивающихся с переменным шагом, на- жение, значение которого x(tg). В пример соотношение длительностей тот же момент времени t запускает:16 и наличием двух ся генератор 12 счетных импульсов образцовых параболических напряже- сигналом с третьего выхода блока ний, одно из которых используется yg 1 управления. Если х(t ) ) О.(, то для измерений при малых уровнях вход- сравнение этого напряжения с образцоного сигнала, а второе — при больших вым происходит только в первом блоуровнях, причем значения первого на- ке 3 сравнения. В этом случае первый пряжения остаются все время мень- импульс генератора 12 поступает через ше значений второго напряжения, лишь элемент И5 на нулевой вход триггера начальное (мин ) (минимальное) значение 30 ,б и устанавливает его в нулевое соспоследнего равно конечному (максималь- тояние, т. е. снимается разрешающий ному) значению первого напряжения. потейциал с первого входа элемента
Для сравнения измеряемого напряже- И7 в ния с д в результате чего запирается н я с двумя образцовыми и е смот ны два канала. р дусмотре- вход второго счетчика 10. Счетные
Работа ст импульсы проходят через элемент И5 абота устройства заключается в и элемент ИЛИ 8 следующем. в первый счетчик 9.
° Если величина запомненного напряИапряжение реализации х(с) иссле- жения х() < 0, то в момент .дуемого случайного процесса, под- прихода первого импульса — выборки водимое ко входу 1 устройства, посту 40 образцовое напряжение на входе перпает на первый вход блока 2 памяти, вого блока 3 сравнения оказывается на второй вход которого в момент больше запомненного. Выходное наподается из блока 1 управления им( пряжение первого блока 3 сравнения пульс i-ой выборки. Блок 2 памяти и, следовательно, напряжение на запоминает напряжение x(t ) íà 45 тРетьем входе элемента И5 скачком
1 время длительности выборки и оно . УменьшаетсЯ До запреЩаюшего УРовнЯ, передается на входы блоков 3 и 4 элемент И5 запирается и счетные имсравнения. На вторые входы блоков пульсы через него не проходят. Сравнесравнения подаются два различных ние запомненного напряжения x(ty) =U< образцовых линейно-ступенчатых напря- я с обРазЦовым напРЯжением пРоисхоДит жения, с которыми сравнивается напря- только во втоРом блоке 4 сравнениЯ. жение x(t<). Первое образцовое на- До момента сРавнениЯ счетные импУльпряжение, изменяющееся от нуля до сы генератора 12 поступают через
U снимается с выхода второго сум- линию 11 задержки и элемент И7 на матора 20, а второе образцовое напря- второй счетчик 10. Время задержки
И
I жение, которое изменяется от О до 0„ „ вносимое линией 11, выбрано равным поступает с выхода первого суммато- половине периода следования счетных ра 19. До момента прихода импульса импульсов, Это сделано для того, первой выборки на блок 2 памяти на чтобы в случае, когда сравнение провыходах блокоВ 3 и 4 сравнения име- исходит в первом блоке 3 сравнения, ются высокие уровни напряжения и, 40 триггер 6 успевал запирать элемент следовательно, на третьем входе эле- И7 до момента прихода на него пермента И5 и на втором входе элемента вого счетного импульса. Таким образом, И7 имеются разрезающие потенциалы. при условии x(t ) r U<, т. е. когда
На первый вход элемента И5 и третий сравнение происходит в первом блоке вход элемента И7 подает ся со второго Я 3 сравнения, на выходе элемента И5
796855 л
Рх Ь. 40 (4) формируется пачка импульсов, длительность которой „ определяется интервалом, разделяющим момент с выборки ! и момент tp равенства второго образцового напряжения напряжению х(t ).
Полученная пачка импульсов m: посту-!
1 пает в счетчик 9. Если же выполняется условие х(„)„(0„, т. е. сравнение осуществляется во втором блоке
4 сравнения, то на выходе И7 формируется пачка импульсов, длительность которой 6 равна интервалур разделяющему момент выборки t) и момент t" равенства первого образцового напряжения запомненному x(t<) напряжению. Сформированная пачка импульсов в„ проходит в счетчик 10. B 11 течение цйкла измерения, содержащего
N выборок, счетчики 9 и 10 сбрасываются, и числа, фиксируемые при каждой выборке суммируются. Если с приходом пачки в m; импульсов второй счетчик 10 переполняется, то через элемент ИЛИ 8, передается единица в первый счетчик 9, а оставшаяся часть числа записывается во втором счетчике 10. После окончания каждой выборки триггер 6 возвращается в исходное состояние импульсом с первого выхода блока 1 управления. За N выборок в счетчике накапливается число
В = Е Itl ° + .С. т (2)
1=1 =1 согласно формуле (1 ) оце нка средней мощности
Р (3) йк.
Количество выборок N (продолжительность цикла измерения) задается блоком 1 управления ° Если выбрать числа N и К так, чтобы KN = 1 О (а - целое число), то и устройство получается прямопоказывающим.
Фбрмирователь образцового напряжения состоит из генератора 12 счетных импульсов, блока 13 пересчета> первого дешифратора (крупных ступеней) 14, коммутатора 15, второго дешифратора (мелких ступеней)16, первого (функционального) цифроаналогового преобразователя 17, второго (линейного) цифроаналогового преобразователя 18, первого сумматора 19 и второго сумматора 20.
Формируемое линейно-ступенчатое напряжение состоит из крупных ступеней, длительность которых изменяется с переменным шагом по определенному закону, например по закону 1:2:
:4:8:Зг16:16, причем высоты ступеней пропорциональны корню квадратному из числа. Каждая крупная ступень заполняется одинаковым числом мелких
45 ступеней, высоты которых изменяются по линейному закону.
Работа формирователя начинается с момента поступления на управляющий вход генератора 12 счетных импульсов сигнала с третьего выхода -.. <а 1 управления. С этим сигналом " нхронизированы первый импульс опроса (импульс. первой выборки) и фронт импульса, подаваемого на первый вход первого элемента И5 и третий вход второго элемента И7.с первого выхода блока 1 управления. Счетные импульсы с периодом следования T „,,задающим наименьший шаг дискретизации, поступают в блок 13 пересчета, представляющий собой счетчик емкостью
P импульсов. Первая группа выходов блока 13 пересчета соединена со входами первого дешифратора 14. Он имеет и входов (при рассматриваемом числовом соотношении п=8), на которых соответственно появляются высокие потенциалы после поступления в блок
13 пересчета первого, восьмого, двадцать четвертого, пятьдесят шестого, сто двадцатого, сто восемьдесят четвертого, триста двенадцатого и пятьсот сорокового счетных импульсов.
Число выходных шин первого дешифратора 14 m равно числу крупных ступеней образцового напряжения (при рассматриваемых числовых соотношениях
m=8). На выходных шинах первого дешифратора 14 последовательно появляются высокие потенциалы, причем высокий потенциал i-ой шины сохраняется в течение времени, равного длительности формируемой i oé крупной ступени. Сигналы, образующиеся на выходе первого дешифратора 14 управляют входами первого цифроаналогового преобразователя 17, который производит функциональное преобразование по закону u(t-t<)=c t-й;, в зависимости от номера формируемой крупной ступени. Выходные шины первого дешифратора 14 подключены также к первым входам коммутатора 15. Когда íà i-ой выходной шине первого дешифратора
14 имеется высокий потенциал, коммутатор 15 соединяет i-ой вход второго дешифратора 16 с той шиной из второй группы выходов блока 13 пересчета, на которой появляются импульсы с периодом следования в восемь раз меньшим длительности формируемой крупной ступени. Число выходных шин второго дешифратора 16, как и у первого, равно m. На них последовательно восемь раз появляется высокий потенциал, управляющий соответствующим входом второго линейного цифроаналогового преобразователя 18. На выходе последнего образуются напряжения мелких ступеней. Длительность мелкой ступени жестко связана r. номером формируемой крупной ступени и равна i/8.
796855
Для получения линейно-ступенчатого образцового напряжения напряжения первого и второго цифроаналоговых преобразователей суммируются.
Это осуществляется с помощью первого и второго сумматоров. Начальный участок образцового напряжения (от нуля до U ) формируется во втором сумматоре 20, на второй и третий входы которого подаются напряжение мелких ступеней с выхода второго цифроаналогового преобразователя 18 и напряжение крупных ступеней с выхода первого цифроаналогового преобразователя
17. Выходное напряжение второго сумматора 20 поступает на второй вход блока 4 сравнения. Второй участок !5 образцового напряжения (от U до Оша ) формируется в первом сумматоре 19, в котором суммируется постоянное напря-. жение, равное U, напряжение мелких ступеней, поступающих на третий Щ вход с выхода второго цифроаналогового преобразователя 18, и напряжение крупных ступеней, подаваемого на второй вход с выхода первого цифро-аналогового преобразователя 17. Выход- ное напряжение первого сумматора 19 подводится ко второму входу блока
3 сравнения. С каждой новой крупной ступенью изменяется наклон мелких линейно-изменяющихся ступеней. Для этого импульсы со второго выхода коммутатора 15 поступают на вход блока
1 управления. Последний формирует сигналы, подаваемые с пятого выхода блока 1 управления на первый вход первого сумматора 19 и с шестого выхода блока 1 управления на первый вход второго сумматора 20. Эти сигналы управляют весами, с которыми выходное напряжение второго (линейного) цифроаналогового преобразователя 17 Щ
Суммируется с выходным напряжением первого (функционального) цифроаналогового преобразователя 16 в каждом сумматоре 19 и 20.
Устройство позволяет уменьшить 45 погрешность аппаратурного определения средней мощности и дисперсии случайного процесса в широком динамическом диапазоне. Это существенно повышает эффективность использования устройства в системах автоматического управления, передачи информации, про« изводственного контроля, информационно-измерительных системах.
Формула изобретения
Устройство для определения средней мощности и.дисперсии случайного процесса, содержащее блок памяти, нер-46 вый вход, которого является входом устройства, второй вход блока памяти объединен. с едийичным входом триггера и подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого 65 соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен со входом блока пересчета и подключен к выходу генератора счетных импульсов, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход блока запоминания соединен с первым входом первого блока сравнения, второй, вход которого подключен к выходу первого сумматора, первый вход которбго соединен с четвертым выходом блока управления, второй вход первого сумматора подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, третий вход первого сумматора соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, первый вход первого счетчика подключен к пятому выходу блока управления, о т л и ч а ю щ е е сятем,,что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона устройства, в него введены второй блок сравнения, второй счетчик, второй сумматор, первый и второй дешифраторы, коммутатор, второй элемент И, элемент ИЛИ и линия задержки, причем первый вход второго блока сравнения подключен к выходу блока памяти, выход первого блока сравнения подключен к третьему входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с нулевым вхо-. дом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, второй выход блока управления подключен к третьему входу второго элемента И, четвертый вход которого соединен с выходом линии задержки, вход которой подключен к выходу генератора счетных импульсов, выход второго элемента И соединен с первым
Ьходом второго счетчика, выход которого подключен ко второму входу элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом первого счетчика, второй вход второго. счетчика подключен к пятому выходу блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго блока сравнения, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, входы которого совди" иены с первыми входами коммутатора и соединены с выходами первого дешифратора, входы которого подключены к первой группе выходов блока пересчета, вторая группа выходов которого соединена со вторым входом коммутатора, информационные выходы которого соединены с соответствующими входами второго.дешифратора, выходы которого
796855.
Составитель Л» Грирорьян-Чтенц ,Редактор М. Дылын Техред М.Табакович Корректор Н. Шзыдкая
° вю
В.аказ 9771/67 Тираж 754 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул Проектная, 4 подключены к соответствукв им входам второго цифроаналогового преобразователя, управляниций выход коммутатора соединен со входом блока управления.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М., "Энергия", 1972, с.91, 2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2457807/18-24, . кл. G 06 F 15/36, 1977.
