SU760047A1 - Управляемый генератор случайной последовательности двоичных символов 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к области вычислительной техники и может найти применение для генерации дискретной случайной последовательности двоичных символов в ЭВМ, а также в устройствах контроля, управления и различных моделирующих установках.

Известны генераторы двоичных символов с регулируемой вероятностью появления «1» и «0» {1).Наиболее близким техническим решением к изобретению является управляемый генератор случайной последовательности двоичных символов, содержащий генератор шума, генератор периодических импульсов, потенциометр, сумматор, схему управляемой задержки, схему совпадения и инвертор. Он позволяет получить дискретную случайную последовательность двоичных символов с регулируемой вероятностью появления «1» «0» (2]. Генератор работает по принципу совпадения импульсов регулярной последовательности ч последовательности, сдвинутой относительно исходной на случайную величину.

2

Вероятность совпадения импульсов в определенном контрольном интервале зависит от среднего значения задержки и ее, дисперсии. Изменяя среднее значение задержки или величину контрольного интервала, можно регулировать вероятность совпадения и, следовательно, вероятность появления «1» («0») в выходной последовательности.

Случайных сдвиг вторичной последовательности относительно исходной обеспечиίο вается схемой регулируемой задержки, управляемой от генератора шума.

Для того, чтобы вероятность появления * выходного импульса могла изменяться от «0» до «ί», пределы изменения среднего значения должны составлять приблизитель^,5 но ±3 относительно конца контрольного интервала (6—среднеквадратичное отклонение времени задержки),

Известное устройство обладает недостаточной точностью задания вероятности.

20 Целью изобретения является повышение точности Задания вероятности.

Для достижения поставленной цели в управляемый генератор случайной последовательности двоичных символов, содер760047

жащий первый элемент И, выход которого является выходом генератора, первый вход первого элемента И соединен с выходом триггера, а второй вход первого элемента И подключён ко входу элемента задержки, к выходу гееиератора тактовых импульсов и к первому входу ключа, второй вход ' кот выходу генератора

шума, а выход ключа через элемент памя* ти соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, введены первый и второй элементы НЕ, второй и третий элементы И, выходы которых соединены со входами триггера соответственно; первые входы второго и третьего элементов И соединены с выходом элемента задержки, а вторые входы элементов И — с выходами первого и второго элементов НЕ соответственно, выход компаратора соединен со входом первого элемента НЕ, выход 'которого связан со входом второго элемента НЕ.

Блок-схема генератора показана на фиг. 1; на фиг. 2 — приведена диаграмма, поясняющая работу генератора.

Генератор содержит генератор 1 шума, генератор 2 тактового импульса, ключ 3, источник 4 опорного напряжения, элемент 5 памяти, компаратор 6, элемент НЕ 7, 8, элемент 9 задержки, элементы И 10, 11, триггер 12, элемент И 13, делитель 14 напряжения, С-фильтр 15.

Напряжение с выхода генератора 1 шума поступает на сигнальный вход ключа 3, который в момент прохождения тактового импульса от генератора 2 пропускает случайное напряжение шума (выборку) на элемент 5 памяти. Элемент 5 запоминает случайное напряжение с выхода ключа 3 до прихода следующей выборки. На выходе элемента 5 формируется ступенчатая аппроксимация напряжения шума. Значения последующей и предыдущей выборов должны быть некоррелированны в пределах всего диапазона рабочих тактовых частот, для этого необходимо, чтобы интервал корреляции был меньше минимального периода тактовых импульсов.

Сигнал с выхода элемента 5 сравнивает’ ся с постоянным регулируемым уровнем (порогом) источника 4 в компараторе 6.

Напряжение из выходе компаратора 6 в очередном тактовом интервале будет иметь высокий или низкий дискретные уровни в зависимости от того, какое из входных напряжений больше в данном интервале. Вероятность превышения порога в каждом интервале постоянна и зависит от значения регулируемого уровня 2 (фиг. 3) .

Для регулирования этой вероятности от

«0» до «1» необходимо, чтобы напряжение

порога можно было изменять в пределах от

минимального до максимального значения

шума. При минимальном значении порога

4

вероятность его превышения раина при максимальном «0».

Выходной сигнал компаратора 6 поступает на два последовательно соединенных элемента НЕ 7, 8 на выходах которых в зависимости от напряжения компаратора формируются сигналы, дискретные уровни которых соответствуют логическому «0» или «1». Состояния элементов НЕ в каждом тактовом интервале противоположны.

Таким образом, сигналы на выходах элементов НЕ 7, 8 представляют собой случайные последовательности «1» («0»), причем вероятность появления «1» («0») можно регулировать источником 4 от «0» до «1». Однако эти последовательности еще не пригодны для использования по следующей причине.

Если разница между входными напряжениями компаратора 6 превышает величину линейного участка его характеристики, то компаратор работает в режиме «включено-выключено» и его выходные уровни сигнала на выходах инверторов строго соответствуют «1» или «0». Однако поскольку напряжение шума непрерывно», существует вероятность того, что разность между напряжением шума и порогом будет меньше величины линейной зоны. В этом случае компаратор 6 работает в линейном режиме и его выходное напряжение будет принимать любое промежуточное значение. В свою очередь имеется вероятность того, что выходное напряжение компаратора попадает в линейную зону характеристики инвертора.

В этой ситуаций напряжение на выходе элемента НЕ 7 уже не будет строго соответствовать «1» или «0», а примет какоето промежуточное значение. Аналогичное положение складывается и для элементов НЕ 8 и вообще для любой последовательности цепи инвертора.

Таким образом, существует вероятность, того, что уровни сигналов на выходах инверторов не будут строго соответствовать «О» или «1», что делает такие сигналы непригодными для использования в качестве случайной последовательности двоичных сигналов. Для того, чтобы исключить промежуточные уровни, в предлагаемом устройстве производится перезапись состояний элементов НЕ 7, 8 в триггер 12. Поскольку триггер может иметь только два устойчивых состояния, возможность появления промежуточных уровней на его выходе полностью исключена.

Для перезаписи состояний выходы элементов НЕ 7, 8 опрашиваются импульсом, задержанным относительно тактового элементом 9 задержки. Опрос производился с помощью элементов И 10 и II, выходные сигналы которых устанавливают триггер 12 в <1» или «0», в зависимости от состояния элементов НЕ 7, 8 в данном тактовом ин760047

тервале. Задержка опроса необходима для того, чтобы перезапись состояний происходила после окончания переходных процессов в инверторах. Соответственно величина задержки должна превышать время переходных процессов. В то же время, величину задержки следует делать минимально возможной, чтобы как можно меньше ограничивать тактовую частоту по максимуму.

При испытании экспериментального образца генератора, требуемая величина задержки составила 1 —1,5 мкс. Эта величина значительно меньше временного интервала, который необходим в устройстве прототипа для обеспечения регулировки вероятности от «0» до «1». Постоянство уровней на выходах инверторов в момент опроса их состояния обеспечивается за счет фиксации случайного уровня шумового напряжения элементом 5 памяти. Поскольку после опроса состояние инверторов не анализируется, элемент памяти должен сохранить значение шума только до окончания импульса опроса (т. е. на 1 — 2 мкс.). Поэтому при любом уменьшении частоты тактовых импульсов не требуется увеличивать запоминающую емкость элемента памяти несмотря на то, что она может значительно разрядиться к концу тактового интервала.

Выходной сигнал триггера представляет собой случайную последовательность «1» и «0», причем вероятность «1» («0»), можно регулировать источником 4 от «0» до «1».

Как уже отмечалось, смена состояний триггера 12 может происходить только в моменты импульсов опроса, которые задержаны относительно тактовых.

Для того, чтобы получить случайную последовательность, строго синхронную с тактовыми импульсами, выход триггера 12 подключен ко входу элемента И 13, на второй вход которого подается тактовый импульс от генератора 2. При этом опрос состояния триггера тактовыми импульсом происходит до начала переходных процессов в триггере. На выходе элемента И 13 формируется выходная случайная последовательность, строго синхронная с тактовыми импульсами. Вероятность «1» («0») в этой последовательности регулируется потенциометром от «0» до «1».

Для того, чтобы обеспечить непосредственное и непрерывное измерение вероятности «1» («0»)., выходной сигнал триггера 12 подается на делитель 14 напряжения, который осуществляет деление * амплитуды импульса триггера и фиксацию уровней так, чтобы его верхний уровень был равен + 1В, а нижний 0В. Нормированные по амплитуде импульсы с выхода делителя 14 усредняются С-фильтфм 15 с большой постоянной.

Постоянная составляющая на выходе С-фильтра 15, характеризует вероятность

появления «1* («0»), и ее можно непосредственно измерять обычным вольтметром постоянного тока. Благодаря тому, что импульсы триггера 12 нормированы по амплитуде, показания вольтметра на шкале I В будут соответствовать вероятности появления «1».

Достоинством этой схемы измерения по сравнению со схемами, работающими по принципу подсчета случайных тактовых импульсов в определенном интервале, являются простота и непрерывность измерений. Кроме того, предложенная схема измерения вероятности исключает необходимость в по• следующих вычислениях.

Таким образом, предлагаемый генератор позволяет получить случайную последовательность двоичных символов, синхронную с тактовыми импульсами, и обеспечивает возможность регулирования вероятности появления «1» («0») от «0» до «1».

В отличие от известного устройства, предлагаемый генератор позволяет непосредственно измерять вероятность «1» («0») в выходной последовательности и может работать в значительно более широком диапазоне частот тактовых импульсов, причем верхняя тактовая частота определяется полосой генератора шума и длительностью переходных процессов схем, т. е. фактически . частотными возможностями примененной системы модулей.

Нижняя частота для самого генератора практически не ограничена. Ограничение имеет место только для схемы измерения вероятности, из-за конечной величины постоянной времени фильтра. Предлагаемый генератор может работать не только от местных, но и от внешних тактовых импульсов, что создает возможность синхронизации нескольких таких генераторов для получения многоразрядных случайных двоичных чисел с индивидуальной регулировкой вероятности «1» («0») по каждому разряду.

Благодаря возможности измерения вероятности «1» («0») непосредственно с выходной последовательности генератор обеспечивает выдачу сигналов с заданной вероятностью «1». («0») при расстройствах схем и уходах питающих напряжений.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Управляемый генератор случайной последовательности двоичных символов, содержащий первый элемент И, выход которого является выходом генератора, первый вход первого элемента И соединен с выходом триггера, а второй вход первого элемента И подключен ко входу элемента задержки, к выходу генератора тактовых импульсов и к первому входу ключа, второй вход которого подключен к выходу генератора шума, а выход ключа через элемент памяти соединен с первым входом компаратора.

   1

   второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности задания вероятности, генератор содержит первый и второй элементы НЕ, второй и третий элементы И, выходы которых соединены со входами триггера соответственно, первые входы второго и третьего элементов И соединены с выходами элемента задержки, а вторые входы элементов И соединены с выходами первого и второго эле760047 _г

   8 - .

   ментов НЕ соответственно, выход компаратора соединен со входом первого элемента НЕ, выход которого соединен со входом .второго элемента НЕ.