Адаптивный статистический анализатор

 

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советски н

Социалистические

Республик (i ti 877564 (61 ) Допол н ител ьн ое к а вт. с вид- ну (22)Заявлено 08.02.80 (21) 2902164/18-24 (51)M. Кл.

G 06 F !5/36 с присоединением заявки,%

Геоудоротинный комнтет

CCCP (23) Приоритет—

Опубликовано 30 ° 10.8! . Бюллетень pfe 4p

Дата опубликования описания 30.10,81 яо делам нзобретеннй к открытнй (53) УДК 681.3Ф

: 519. 2 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В. Д. Гусев, О. Е. Шведенко и А. А. (71) Заявитель

Специальное конструкторское бюро "Ви (54) АДАПТИВНЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к специализированным средствам цифровой вычислительной техники и может использоваться для статистического анализа случайных процессов в различных областях техники, и в частности, при вибрационном

5 контроле и диагностике машин и устройств.

Известно устройство, выполняющее цифровое измерение законов распределес 10 ния вероятностей путем подсчета числа попаданий значений входных сигналов в соответствующий коридор (класс), определяемый нижним и верхним граничными уровнями, причем каждый такой уровень является верхним для нижнего

15 класса и нижним для верхнего смежного класса. Каждому классу становится в соответствие свой счетчик или интегратор, в котором формируется выходная

20 дискрета гистограмм вероятностей. Объем выборки сигнала задается заранее -и равен целой степени двойки. В общем случае количество импульсов, соответствующее объему выборки, распределяет" ся по классам(счетчикам) пропорционально форме кривой распределения, и почти всегда бывает так, что в каж" дый счетчик попадает хотя бы по одному импульсу. В общей совокупности счетчиков имеется хотя бы один, содержащий наименьшее число импульсов (минимальный код) (1) .

Объем каждого счетчика берется не меньше объема выборки сигналов на случай, если все импульсы выборки поступают в один класс (как например, при измерении прямоугольных импульсов постоянной амплитуды). Это приводит к тому, что гистограмма распределения случайного сигнала имеет вид вырожденной кривой, растянутой вдоль оси Х и со слабо обозначенным экстремумом.

Особенность ее в том, что разность между максимальным и минимальным значениями мала в сравнении с наибольшим числом, которое можно накопить в счет. чике, а поэтому указанные устройства

Цель изобретения — упрощение устройства при многоканальном анализе.

Указанная цель достигается тем, что анализатор содержит два оперативных запоминающих, устройства, блок запоминания минимального кода, регистр сдвига, источник единичного напряжения, сумматор, регистр переноса и переключатель, первый информационный вход которого соединен со входом анализатора, второй ийформационный вход

55

8775 не дают большой разрешающей < пособности °

Этого недостатка можно избежать в адаптивных статистических анализаторах, которые накапливают в канальных счетчиках не абсолютные значения дискрет, а разности между соответствующей абсолютной дискретой и минимальным кодом гистограммы. При этом минимальный код измеряется и запоминается отдельным блоком. Кривая, формируемая в канальных счетчиках такого анализатора хотя бы в одной точке соприкасается с осью Х, в связи с чем при накоплении информации разрешающая способность измерения неуклонно возрастает до максимума. Для восстановления абсолютных значений гистограммы достаточно просуммировать ее разностные значения (содержимое счетчиков) с минимальным кодом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является адаптивный статистический анализатор, содержащий многоканальный амплитудный селектор, канальные счетчики, счетчик объема выборки, блок, фиксации момента окончания выборки, блок управления, блок формирования границ равновероятных интервалов, квантователь по времени, блок подсчета селектированных импульсов и генерации корректирующего импульса. Здесь, как и в обычных ана-. лизаторах, происходит накопление информации в счетчиках (21.

Реализация памяти на счетчиках является недостатком анализатора и.имФет смыл лишь при малом числе классов, на которые разбивается рабочий диапазон сигналов, Для вибрационной диагностики машин, когда указанное число классов достигает сотен, такая память оказывается неприемлемой. Введение адаптивного принципа измерения имеет смысл именно при большом числе классов, когда объем каждого счетчика и их число становятся соразмерными, 64 4 подключен к первому выходу счетчика объема выборки, управляющий вход переключателя соединен с первым выходом блока управления, а выход — сс входом регистра сдвига, выход которого подключен к .адресным входам оперативных запоминающих устройств, выход первого оперативного запоминающего устройства соединен с выходом второго оперативного запоминающего устройства, первым входом сумматора, информационным входом блока запоминания минимального кода, информационным входом первого оперативного запоминающего устройства и первым .выходом анализатора, вход разрешения записи и считывания первого оперативного запоминающего устройства и первый управляющий вход блока запоминания минимального кода подключены ко второму выходу блока управления, вход выбора питания первого оперативного запоминающего устройства и второй управляющий вход блока запоминания минимального кода соединены с первым выходом блока управления, третий выход которого подключен ко входу выбора питания второго оперативного запоминающего устройства, информационный вход которого соединен с выходом регистра переноса, информационный вход котороге подключен к первому выходу сумматора; второй выход сумматора соединен с первым входом блока управления, второй вход которого подключен ко второму выходу счетчика объема выборки, четвертый выход блока управления соединен со вторыми входами счетчика объема выборки и регистра переноса, пятый выход блока управления подключен к третьему вхору счетчика объема выборки, выход блока запоминания минимального кода соединен со входом блока фиксации момента окончания выборки и вторым входом сумматора, третий вход которого подключен к выходу истоиника единичного напряжения, первый выход блока фиксации момента окончания выборки соединен с первым входом блока управления, а второй выход — со вторым выходом анализатора.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 — схема блока управления; на фиг. 3 — схема блока фиксации момента окончания выборки; на фиг. 4 — схема блока запоминания минимального кода.

Адаптивный статистический анализатор включает блок 1 управления, счет, 5 8775 чик 2 объема выборки, блок 3 фиксации момента окончания выборки, переключатель 4, регистр 5 сдвига, первое 6 и второе 7 оперативные запоминающие устройства, блок 8 запоминания минимального кода, сумматор 9, регистр 10 переноса, источник 11 единичного напряжения, первый вход 12 блока управления, второй вход 13 блока 1 управления, второй вход 13 блока ) управления, первый выход 14 блока 1 управления, второй выход 15 блока ) управления, третий выход 16 блока 1 управления, четвертый выход 17 блока 1 управления, пятый выход 18 блока ) управления.

Блок 1 управления содержит двухразрядный двоичный счетчик 19, инверсный .20 и прямой 21 выходы первого разряда счетчика 19, инверсный 22 и прямой 23 выход второго разряда счетчика 19, элементы ИЛИ 24-26, элементы И 27-29, триггер 30, одновибратор 31, источник

32 тактовых импульсов.

Блок 3 фиксации момента окончания выборки включает накапливающий сумматор 33, вход 34 контрольного кода компаратора 35.

Блок 8 запоминания минимального ко.да включает нуль-орган 36, регистр 37 с параллельными 0-входами занесения.

Оперативные запоминающие устройства 6 и 7 могут быть выполнены на боль.. ших интегральных схемах РУ-4, серии

К 505, имеющих адресные, информационные входы и выходы выбора питания и

35 разрешения записи или считывания. !

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчик 19 блока Г управления сброшен" в нуле- 4О вое состояние, при котором на выходах

21 и 23 существует нулевой уровень напряжения, а на выходах 20 и 22— единичный уровень. Триггер 30 находит-. ся также в нулевом состоянии, в соот- 45 ветствии с чем на прямом выходе триггера 30 определения режима держится ноль, а на элемент 28 поступает разрешающий единичный потенциал. В исходном состоянии нулевым потенциалом с первого выхода 14 блока 1 управления переключатель 4 соединяет вход устройства с регистром 5 .сдвига, а.ре гистр 37 блока 8 запоминания минимального кода устанавливается в максималь55 но значащее состояние (но поскольку выходы регистра 37 берутся с инверсных, плеч его триггеров, то на выходе блока 8 коц равен нулю) . Нулевым по1

b4 6 тенциалом ло первому выходу !4 ОЗУ 6 устанавливается в состояние "Не выбрано, т. е, отключается от общей схемы устройства.

С четвертого выхода 17 блока l управления выдаются сннхроимпульсы,.сопровождающие поступление кодов входного сигнала на вход устройства. При этом период сопровождения начинается тактовой паузой (т. е. нулевым потенциалом), в течение которой код сигнала через регистр 5 сдвига подается на адресные входы ОЗУ 6 и 7. Регистр

5 сдвига выполняет роль селектора.

Пусть разрядность входных кодов равна 12, а число классов анализа — 5)2, т. е. номер класса выражается 9-разрядным кодом. Для определения номера класса, которому соответствует данный входной код, достаточно отбросить три его младших разряда (т. е. сдвинуть входной код на 3 разряда в сторону младших) .

С третьего выхода 16 блока 1 управления на управляющий вход ОЗУ 7 поступают импульсы, идентичные тактов вым импульсам сопровождения с четвертого выхода 17 блока 1 управления, которые также начинаются тактовой паузой. Тактовая пауза (нулевой потенЦиал) задает ОЗУ 7 режим считывания..

По коду номера класса, поданного на адресные шины ОЗУ 7,.вызывается .содер" жимое соответствующей ячейки и подается на первый вход сумматора 9. На второй вход сумматора 9 падается нулевая комбинация с выхода блока 8, а на вход переноса от источника 1! единичного напряжения — единичный потенциал. В итоге, на выходе сумматора 9, а следовательно на выходе регистра 10 переноса образуется код на единицу больший, чем вызванный из ОЗУ 7. При окончании тактовой паузы и появлении тактового импульса сопровождения в регистр 10 записывается новый код дискреты; ОЗУ 7 переводится в режим запиI си, в связи с чем новый код дискреты записывается по тому же адресу класса, поступая с выхода регистра 10 на. информационный вход ОЗУ 7, а .в счетчике 2 объема выборки код числа поступлений увеличивается на единицу, С началом очередного тактового периода сопровождения на вход устройства подается новый код входного сигнала и весь процесс повторяется. Этот режим обработки входного сигнала про;. должается до переполнения счетчика 2

64 8

На четвертом выходе 17 блока 1 тактовые импульсы существуют постоянно. соответствии с ними счетчик 2 выдаетЗ5 последовательность чисел от нуля до максимума. Эти числа проходят на адресные входы ОЗУ 6 и 7, в результате чего содержимое ОЗУ 7 переписывается в ОЗУ 6 по тем же адресам . В процессе перезаписи гистограммы ее дискреты параллельно анализируются блоком 8 запоминания минимального кода. На нуль-орган 36 подается нулевой код (в начале перезаписи) с инверсных выходов

45 регистра 37 и код текущей дискреты перезаписываемой гистограммы. 1(од дискреты инвертируется по входу нульоргана, и поэтому фактически сравниваются прямые коды, начиная с макси50 мального, при этом достигается нужный режим функционирования: как только код дискреты оказывается меньше записанного в регистре 37, нуль-орган вырабатывает импульс на вход синхронизации регистра 37 и тот запоминает

55 новое, меньшее значение.

По окончании перезаписи гистограм-, мы счетчик 2 вырабатывает, импульс пе7 8775 объема выборки. По импульсу переполнения счетчика 2 (счетчик при этом и 61 сбрасывается в ноль|, принятому на второй вход 13 блока 1 управления, на его первом выходе 14 появляется единичный потенциал . Это происходит вследствие срабатывания счетчика 19, фиксирующего в своем первом разряде единицу: на выходе 21 появляется единица, которая и проходит через элемент ИЛИ 26 на первый выход 14 блока

) управления, а на выходе 20 появляется "ноль", который запрещает прохождение импульсов через элемент И 27 и элемент ИЛИ 25 на третий выход 16 блока 1 ° Единица на выходе 14 изменяет состояние переключателя 4, подсоединяя регистр 5 сдвига к выходу счетчика 2, задает ОЗУ 6 режим "Выбрано", подсоединяя его к схеме устройства, и разрешает работу регистра 37 схемы

8 запоминания минимального кода. На ! третьем выходе 16 блока 1 появляется постоянный .нулевой потенциал, устанавливающий ОЗУ 7 в р жим считывания. На втором выходе 15 блока 1 возникает единичный потенциал, пропущенный элементом И 28 с выхода 21. Этот единичный потенциал устанавливает ОЗУ 6 в режим ..записи и разблокировывает

30 вход синхронизации регистра 37 блока 8.

1 ренолнения на второй вход 13 блока 1 (при этом счетчик 2 вновь сбрасывается в"ноль), в результате чего второй 15 и третий 16 выходы блока 1 изменяют свои потенциалы на противоположные.

Действительно„ во втором разряде счетчика 19 записывается единица, а первый его разряд обнуляется, при этом единичный потенциал появляется на выходах 20 и 23, а на выходах 21 и 22 устанавливается ноль. Единичный потенциал выхода 23 проходит через элемент

ИЛИ 25 непосредственно на третий выход 15, а элемент И 28 запирается нулем выхода 21, тем самым обнуляя второй выход 15 блока 1 управления. На других выходах блока l изменений не происходит.

Появившийся на третьем выходе 16 постоянный единичный потенциал устанавливает ОЗУ 7 в режим записи, а нулевой потенциал на втором выходе 15 переводит ОЗУ 6 в режим считывания и блокирует вход синхронизации регистра

37, вследствие чего регистр 37 удерживает минимальный код от первой перезаписи гистограммы. При переборе счетником 2 последовательных комбинаций от нуля до максимума происходит обратная перезапись массива чисел гистограммы из ОЗУ 6 в ОЗУ 7. Но в ОЗУ 7 записываются разности вызываемых из

ОЗУ 6 дискрет и минимального кода, Действительно, вызываемое из ОЗУ 6 число

1 подается на вход ОЗУ 7 через сумматор

9 где оно суммируется с инверсным значением минимального кода и единицей младшего разряда, что идентично вычитанию. Это можно показать следующим е образом: если сумматор (а значит и числа) п-разрядный, причем, К вЂ” код дискреты, а (К,„.„), — минимальный код, то их разность А записывается так: А = К вЂ” (К „ ) . Если к этому выражению добавить вес старшего, неохватываемого сумматором разряда

Yl

1h+„° 2, то выражение не изменяется, т. е.

A = K„— (К „.„)„+ 1 Р, но добавленный вес можно выразить

2" = (К!.). + (К1.) +

+ 1 20 что при подставке в выражение для А дает

К,+ (К „„), +

При обратной перезаписи минимальный код из регистра 37 блока 8 однократ77564 10 счетчика 19 единицу. В результате оба разряда счетчика 19 оказываются в единичном состоянии. Одновременно этот импульс устанавливает в единичное состояние триггер 30 и Сбрасывает в ноль счетчик 2, который тут же начинает счет с начала. Это и есть режим выдачи результата измерений из

ОЗУ 6. Состояние считывания из ОЗУ 6

tp задается нулем по второму выходу 15 с выхода элемента И 28, запертого, в этот момент нулевым плечом триггера 30, Дополнительным результатом измерений является .содержимое блока 3 — накопленный за все циклы минимальный код.

Процесс измерения заканчивается также в том случае,. если блок 3 набирает максимально возможное значение рань- . ше, чем переполняется сумматор 9. Это происходит, например, при измерении равновероятного распределения. Максимально возможное значение задается контрольным кодом по входу 34 компаратора 35. Если текущий код с выхода сумматора 33 превышает контрольный или сравнивается с ним, компаратор 35 вырабатывает сигнал, который подается в блок 1 управления на вход одновибратора 31, в результате чего блок 1 останавливает процесс измерения и выдает результат из ОЗУ 6 в том же порядке, как и в случае сигнала от сумматора.

Признаком режима выдачи результата измерения из устройства является нали1 чие единичного потенциала на прямом. выходе триггера 30.

Окончание режима выдачи сопровождается переполнением счетчика 2 ° Импульс переполнения приходит на второй вход 13 блока 1 и засчитывается счет40 чиком 19, который при этом переполняется (так как оба его разряда в единичном состоянии) и сбрасывается в

II н ноль. Одновременно импульс переполнения счетчика 2 возвращает в нулевое

45 состояние триггер 30 ° Устройство приходит в исходное состояние и готово к принятию и обработке нового массива входных данных.

В каком-то цикле обработки Входного массива в сумматоре 9 при добавлении единицы к вызванному коду дискреты (это будет дискрета наиболее. интенсивного накопления) наступает переполнение. Сигнал. переполнения поступает на первый вход 12 блока 1 управления, в соответствии с чем блок 1 останавливает процесс измерения и выдает результат на ОЗУ 6 на выход устройства. Это происходит следующим образом. Одновибратор 31 срабатывает, выдавая импульс, который проходит элемент ИЛИ 24 и добавляет к содержимому

Формула изобретения

55 но добавляется к содержимому блока 3 фиксации момента окончания выборки.

В блок 3 минимальный код поступает в прямом виде, так как подается на инверсный вход. Подаваемый на вход блока 3 код преобразуется инверсным входом. в прямой и добавляется к содержимому сумматора 33, накопленному ранее.

С выхода сумматора 33 снимается общий результирующий Минимальный код гисто- граммы. Одновременно компаратор 35 сравнивает текущий минимальный код с контрольным кодом, подаваемым по входу 34 компаратора.

По окончании обратной перезаписи в

ОЗУ 6 зафиксирован результат последнего цикла обработки входного сигнала, так как считывание информации из ОЗУ происходит без ее разрушения, а в

ОЗУ 7 тот же результат, но с коррекцией на возврат гистограммы к оси Х.

По окончании обратной перезаписи, о чем свидетельствует очередной импульс переполнения счетчика 2 объема выборки, устройство возвращается в исходное состояние, и все повторяется сначала для очередного массива входных чисел.

Обратная перезапись гистограммы выполняется при наличии единицы во втором (старшем разряде счетчика 19 и "нуля — в .первом (младшем) разряде

/ счетчика 19. Именно это сочетание выделяется элементом 29 И, который пропускает через себя импульс перепол.нения счетчика 2. А так как элемент

И 29 своим выходом подключен ко входу установки в ноль счетчика 19, то счетчик 19 и устанавливается в исходное состояние, задавая исходное состояние всему устройству. Каждый импульс переполнения счетчика 2, прошедший на вход 13 блока 1, подтверждает нулевое состояние триггера 30.

1. Адаптивный статистический анализатор, содержащий блок управления, счетчик объема выборки и блок фиксации момента окончания выборки, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с це,лью упрощения, он содержит два опера8?7564 тивных запоминающих устройства, блок запоминания минимального кода, регистр сдвига, источник единичного напряжения, сумматор, регистр переноса и переключатель, первый информационный вход которого соединен со входом анализатора, второй информационный вход подключен к первому выходу счетчика объема выборки, управляющий вход переключателя соединен с первым выходом )0 блока управления, а выход — со входом регистра сдвига, выход которого подключен к адресным входам первого и второго оперативных запоминающих устройств, выход первого оперативного запоминающего устройства соединен с выходом второго оперативного запоминающего устройства, первым входом сумматора, информационным входом блока запоминания минимального кода, информа- дО ционным входом первого оперативного запоминающего устройства и первым выходом анализатора, вход разрешения записи и считывания первого оперативного запоминающего устройства и первый управляющий вход блока запоминания минимального кода подключены ко второму выходу блока управления, вход выбора питания первого оперативного запоминающего устройства и второй управляющий вход блока запоминания минимального кода соединены с первым выходом блока управления, третий выход которого подключен ко входу выбора питания второго .оперативного запоминающего устрой35 ства, информационный вход которого соединен с выходом регистра переноса, информационный вход которого подклю- чен к первому выходу сумматора, второй выход сумматора соединен с первым входом блока управления, второй вход

40 которого подключен ко второму выходу счетчика объема выборки, четвертый выход блока управления соединен со вторыми входами .счетчика объема выборки и регистра переноса, пятый выход блока управления подключен к третьему входу счетчика объема выборки, выход блока запоминания минимального кода соединен со входом блока фиксации момента окончания выборки и вторым вхо--50 дом сумматора, третий вход которого подключен к выходу источника единичного напряжения, первый выход блока фиксации момента окончания выборки соединен с первым входом блока управления, а второй выход — со вторым выходом анализатора.

12

2. Анализатор по и. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что блок управления содержит двухразрядный двоичный счетчик, три элемента ИЛИ, три элемента И, источник тактовых импульсов, триггер и одновибратор, вход которого соединен с первым входом блока управления, а выход подключен к первому входу триггера и первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен со вторым входом блока управления и вторыми входами триггера и первого элемента И, а выход первого элемента ИЛИ .подключен к информационному входу двухрезрядного двоичного счетчика, управляющий вход которого соединен с выходом. первого элемента

И, инверсный выход первого разряда счетчика подключен к первым входам: первого и третьего элементов И, прямой выход первого .1раэряда счетчика соединен со вторыми входами второго элемента И и второго элемента ИЛИ, инверсный выход второго разряда счетчика подключен к третьему входу третьего элемента И, а прямой выход второго разряда счетчика соединен с третьим входом первого элемента И, вторым входом третьего элемента ИЛИ и первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому выходу блока управления, инверсный выход триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого подключен ко второму выходу блока управления, выход источника тактовых импульсов соединен со вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу третьего ,элемента ИЛИ, выход третьего. элеменга ИЛИ соединен с третьим выходом блока управления, четвертый выход блока управления подключен к выходу источника тактовых импульсов, а пятый выход блока управления соединен с выходом одновибратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мирский Г. Я ..Аппаратурное определение характеристик случайных процессор. М., "Энергия", 1972, с. 280- 334.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 458832, кл. 6 06 F 15/36, 1972 (прототип).

877564

Тираж 748 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по депам изобретений и открытий

))3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 96)7/74

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

Составитель В. Фукалов

Редактор В. Петраш Техред Ж.Кастелевич Корректор В. Бутяга