SU970361A2 - Генератор случайных импульсов - Google Patents

Description

(54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ИМПУЛЬСОВ

1

Изобретение относитс  к вычислительной технике и может быть использовано при решении задач статистического и веро тностного моделировани .

По основному авт. св. № 779995 известен генератор случайных импульсов, содержащий источник пуассоновского потока импульсов и управл емый им генератор случайных двоичных разр дов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнени , счетчик импульсов исходного и пуассоновсного потока импульсов, счетчик импульсов на выходе блока сравнени , делитель, первый и второй входы которого соединены с выходами счетчиков, и блок сравнени , вход которого соединен с выходом делител , а выход - с вторым входом управл емого генератора случайных двоичных разр дов 1.

Недостатком известного генератора случайных импульсов  вл етс  то, что он обладает малым диапазоном регулировани  значени  параметра выходного потока импульсов . Этот недостаток обусловлен трудност ми формировани  устойчивых режимов работы генератора случайных двоичных разр дов , при которых обеспечиваетс  заданна 

случайность по влени  цифры 1 или О на выходе генератора.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей генератора путем увеличени  диапазона измерени  параметра

5 распределени  выходного потока импульсов .

Дл  достижени  поставленной цели в генератор случайных импульсов дополнительно введены два элемента И, блок пам ти,

,Q третий блок сравнени , третий, четвертый и п тый счетчики, два генератора импульсов и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу первого блока сравнени , а выход элемента НЕ соединен с первым выходом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого генератора импульсов , вход которого  вл етс  вторым входом генератора, выход первого элемента И соединен со счетным входом третьего счетчика, выход которого соединен с первым входом

-,Q второго элемента И, второй вход которого объединен с входом элемента НЕ, а выход второго элемента И соединен с установочным входом третьего счетчика и информационным входом блока пам ти, выход которого соединен с первым входом третьего блока

ораимеиин, второй вход которого подключен к выходу четвертого счетчика, счетный вход которого подключен к выходу второго генератора импульсов, вход которого  вл етс  третьим входом генератора, выход третьего блока сравнени   вл етс  выходом генера;:ipa и соединен с установочным входом HCTFicpToro счетчика и со счетным входом п того счетчика, выход которого соединен с адресным входом блока пам ти.

Принцип работы предлагаемого устpoiKTRa основан на таком преобразовании исходного потока импульсов, когда промежутки между импульсами исходного источника пуассоновского потока импульсов увеличиваетс  во столько же раз, во сколько раз интервал между импульсами второго генератора периодических импульсов превышает соответствующий интервал первого генератора периодических импульсов.

На фиг. 1 приведена блок-схема генератора; фиг. 2 - диаграмма его работы.

Генератор случайных импульсов содержит источник 1 пуассоновского потока импульсов и управл емый им генератор 2 случайных двоичных разр дов, выходы котоpi- ix подключены соответственно к первому и второму входам первого блока 3 сравнени , первый счетчик 4 импульсов исходного пуассоновского потока импульсов, второй счетчик 5 импульсов на выходе блока сравнени , дс.жтель 6, первый и второй входы которого соединены с выходами счетчиков, BTopoii блок 7 сравнени , первый вход которого соединен с выходом делител  6, а вы.ход - с вторым входом управл емого генератора 2 случайных двоичных разр дов, члемеит НЕ 8, первый 9 и второй 10 генерато| )Ь периодических импульсов, первый элемент И 11, второй элемент И 12, третий 13, четвертый 14 и п тый 15 счетчики, третий блок 16 сравнени  и блок 17 пам ти, причем выход первого блока 3 сравнени  через второй вход первого элемента И 12 подключен к первому входу блока 17, а также через элемент НЕ 8, первый вход первого элемента И 11, второй вход которого соединен с )дом первого генератора 9 периодических импульсов, вход которого  вл етс  ВТОрым входом устройства, первый вход третьего счетчика 13, первый вход второго элемента И 12, выход которого соединен с вторым входом третьего счетчика 13, блок 3 подключен к первому входу блока 17 пам ти, выход мчпрого подключен к первому входу третье111 (VioKa 16 сравнени , второй вход которого чреч первый вход четвертого счетчика 14 ,:олклк)чен к выходу второго генератора 10 (риодических импульсов, вход которого  в .iiiMCM гретьим входом устройства, а выход оетьпч) блока 16 сравнени ,  вл ющийс  .I 1ом устройства, соединен с вторым ()м четвертого счетчика 14 и через п V 15 - с вторым входом блока 17

Элемент НЕ 8 служит дл  получени  пр моугольного импульса, длительность которого равна интервалу между импульсами , поступающими с выхода первого элемента HI 11. Первый генератор периодических импульсов вырабатывает последовательность импульсов пренебрежимо малой в сравнении с импульсами с выхода генератора 10 длительности с регулируемым рассто нием между импульсами, равным Т. Первый элемент И II необходим дл  преобразовани  этой последовательности импульсов и случайного по длительности импульса, поступающего с выхода элемента НЕ 8, в случайное число импульсов, равное T/Ti, где Т - случайна  длительность импульса на выходе элемента НЕ; л - символ случайной величины.

Второй элемент И 12 необходим дл  выдачи в блок 17 пам ти показаний третьего счетчика 13 в моменты по влени  сигнала на выходе первого блока сравнени  3. Третий счетчик 13 выполн ет операцию счета импульсов и служит дл  подсчета случайногочисла Т/Т и.мпульсов, поступающих на его вход с выхода первого элемента И 11. В счетчике предусмотрена возможность установки его из любого состо ни  в начальное под воздействием установочного сигнала поступающего на его второй вход.

Блок 17 пам ти представл ет собой запоминающее устройство адресного типа, в котором запоминающие  чейки имеют определенный номер (адрес), по которому производитс  обращение. Первый вход блока запоминани  - записывающий. Через этот вход в блок запоминани  поступает последовательность случайных чисел, каждое из которых соответствует случайному интервалу между импульсами в потоке импульсов, поступающих с выхода второго элемента И. Через второй вход блока запоминани  поступает сигнал обращени , соответствующий но.меру (адресу)  чейки, в которой находитс  число с данным адресом. При этом на выходе блока запоминани  в соответствии с сигналами обращени  последовательно друг за друго.м воспроизвод тс  записанные ранее числа.

Второй генератор 10 периодических импульсов вырабатывает последовательность импульсов пренебрежимо малой длительности с регулируемым рассто нием между и.мпульсами длительностью .

Четвертый счетчик 14 су1ужит дл  подсчета случайного числа и /Ti импульсов, поступающих на его вход с выхода второго генератора периодических импульсов. В счетчике предусмотрена возможность установки его из любого состо ни  в начальное под воздействием установочного сигнала, поступающего на второй вход.

Третий блок 16 сравнени  необходим дл  формировани  вы.ходного сигнала в момент , когда число импульсов, вырабатываемых иервым генератором иориодишчких импульсов за врем , равное промежутку между импульсами с выхода источника пуассоновского потока импульсов, становитс  равным числу импульсов, вырабатываемых вторым генератором периодических импульсов .

П тый счетчик 15  вл етс  счетчиком команд. В начальном состо нии на выходе счетчика установлена команда на извлечение ,,j блока запоминани  числа по адресу первой  чейки. Команды на обращение к второй и последующим  чейкам формируютс  по мере поступлени  на вход счетчика первого и последующих импульсов с выхода устройства .

Генератор работает следующим образом.

В исходном положении счетчики приведены в начальное состо ние, а интервалы между импульсами обоих генераторов периодических импульсов подобраны так, чтобы Tg

TI.

При включении устройства запускаютс  оба генератора 9 и 10 периодических импульсов , а источник 1 формирует пуассоновский поток импульсов, которые поступают на первые входы первого блока 3 сравнени  и генератора 2 сучайных двоичных разр дов. С приходом на вход генератора 2 каждого импульса с заданными веро тност ми и ( ) на второй вход блока 3 сравнени  выдаютс  сигналы, соответствующие двоичным цифрам 1 или 0. При поступлении на вход первого блока 3 сравнени  цифры 1 следующий импульс источника 1 проходит в выходной поток, а при поступлении цифры О - не проходит. Одновременно импульсы исходного и выходного потоков поступают на счетчики 4 и 5 соответственно и накапливаютс  в них в виде чисел n(t) и m(t). С выходов счетчиков текущие значени  n(t) и m(t) поступают на входы делител  6, который непрерывно вычисл ет величину отнощени  ш (t)/n(t) Р, т. е. статистическое значение Р веро тности Р, с которой генератор 2 случайных двоичных разр дов фактически формирует цифру 1. Значение Р с выхода делител  6 поступает на вход второго блока 7 сравнени , в котором сравниваетс  с заданным значением . Когда Р и совпадают, управл ющий сигнал на выходе блока 7 сравнени  исчезает (не по вл етс ), что свидетельствует о стабилизации интенсивности потока импульсов на выходе первого блока 3 сравнени . При уходе параметров источника 1 и генератора 2 от номинальных значений на выходе второго блока 7 сравнени  формируетс  сигнал, измен ющий настройку генератора 2 таким образом, чтобы обеспечить равенство Р -Рзад Таким образом, на выходе первого блока 3 сравнени  формируетс  пуассоновский поток импульсов со стабилизированной интенсивностью где Д. - интенсивность (параметр) потока

импульсов, вырабатываемых источником 1 пуассоновского потока импульсов.

На фиг. 2а показана последовательность случайных по моментам по влени  импульсов , вырабатываемых источником 1 пуассоновского потока импульсов, а на фиг. 26 - фрагмент потока импульсов со стабилизированной интенсивностью Д, ЛоРа,ад , формируемого на выходе первого блока 3 сравнени . С выхода первого блока 3 сравнени  импульсы поступают на первый вход

0 элемента НЕ 8, на выходе которого формируютс  импульсы (фиг. 2в), длительности которых равны интервалам между импульсами на выходе первого блока 3 сравнени .

На второй вход элемента И 11 с выхо5 да первого генератора 9 периодических импульсов непрерывно поступают импульсы с регулируемым рассто нием между ними , равным TI (фиг. 2г). В результате на выходе первого элемента И 11 формируют0 с  последовательности импульсов, причем число импульсов в каждой из этих последовательностей случайно и равно Т/Т, где Т- случайна  длительность импульса на выходе элемента НЕ 8. Импульсы с выхода первого элемента И 11 поступают на

5 первый вход третьего счетчика 13, который выполн ет операцию счета импульсов. Показани  третьего счетчика в виде чисел поступают на первый вход второго элемента И 12, и в моменты прихода на его второй

0 ( разрещающий) вход импульсов с выхода первого блока 3 сравнени  подаютс  на первый (записывающий) вход блока запоминани  и на второй (установочный) в.ход третьего счетчика 13. В результате третий счетчик 13 каждым сигналом с выхода пер5 вого элемента И 11 возвращаетс  в начальное состо ние, что при непрерывно работающем первом генераторе периодических импульсов обеспечивает через промежутки времени TI , Т2, Tj и т. д. запись в блоке 17 пам ти cooJвeтcтвyющиx этим промежут0 кам чисел ц/Т; ; /Ti; Tj/Ti и т. д. Указанные числа на диаграмме фиг. 2д, иллюстрирующей временную структуру сигналов на первом входе блока запоминани , условно представлены импульсами пренебре5 жимо малой длительности, амплитуды которых пропорциональны числу импульсов первого генератора, укладывающихс  в интервалы времени,равные т,;L2 Л,--В исходном состо нии на второй (считывающий ) вход.блока 17 пам ти с выхода счетчика 15 команд подаетс  сигнал обращени , соответствующий адресу  чейки, в которую записываетс  первое число. Поэтому как только в блоке запоминани  будет записано первое число, оно немедленно считываетс  и подаетс  на первый вход блока 16 сравнени .

Включа сь одновременно с первым генератором 9, второй генератор 10 периодических импульсов вырабатывает импульсы с регулируемым рассто нием между ними длительностью Т2 TI (фиг. 2е). Эти импульсы поступают на вход четвертого счетчика 14, подсчитываютс  им и в виде чисел выдаютс  на второй вход блока 16 сравнени , на первый вход которого подано число, поступившее в блок 17 пам ти. В блоке 16 сравнени  происходит сравнение первого числа, равного I/TI , поступившего из блока 17 пам ти, с подсчит 1ваемым четвертым счетчиком 14 числом bj/T импульсов, поступившим на его вход с выхода второго генератора периодических импульсов, где i-j - врем , отсчитываемое от начала включени  устройства. Когда число импульсов, вырабатываемых генератором 10 и периодических импульсов за врем  1, становитс  равным числу Т,/Т импульсов, поступившему из блока запоминани , т. е. на выходе блока 16 сравнени  вырабатывает с  первый импульс выходного потока импуль сов. Из выражени  (1) следует, что этот импульс возникает через врем  л, То после включени  устройства (фиг. 2ж). С выхода блока 16 сравнени  этот импульс поступает на второй установочный вход четвертого счетчика 14 и переводит его в начальное (нулевое) состо ние, подготавлива  тем самым его к формированию второго импульса выходного потока импульсов. Одновременно первый импульс выходного потока импульсов поступает на вход п того счетчика 15, формиру  на его выходе команду На обращение по второй  чейке блока запоминани , где хранитс  число 2/Ti, поступившее к этому моменту времени в блок 17 пам ти (фиг. 2д, ж). Под воздействием этой команды число Tj/Ti направл етс  на первый вход блока 16 сравнени , на второй вход которого с выхода четвертого счетчи а 14 подаетс  подсчитываемое им число tj/T2 импульсов, вырабатываемых вторым генератором 10 периодических импульсов , начина  от момента формировани  первого импульса выходного потока. Спуст  некоторое случайное врем  tj после прохождени  первого импульса выходного потока, когда второй генератор периодических импульсов выработает такое число УТ импульсов , при котором обеспечиваетс  равенство на выходе блока 16 сравнени  формируетс  второй импульс выходного потока импульсов . Из выражени  (2) следует, что этот импульс возникает через врем  - Tz-i u,. после прохождени  первого импульса выходного потока импульсов (фиг. 2 ж). Одновременно с выхода блока 16 сравнени  второй импульс выходного потока импульсов поступает на второй установочный вход четвертого счетчика 14, перевод  его в начальное (нулевое) состо ние, и на вход п того счетчика 15, формиру  на его выходе команду на обрашение к третьей  чейке блока пам ти, где хранитс  число , , поступившее к этому моменту времени в блок 17 пам ти. В дальнейшем весь описанный выше цикл работы устройства повтор етс  и на его выходе формируетс  поток импульсов, фрагмент которого приведен на фиг. 2 ж. Как известно, интенсивность (параметр) потока импульсов На выходе первого блока 3 сравнени  равна Л и статистически может быть оценена следуюш.им образом: - I оРзад т() где T - среднее врем  между им пульсами потока импульсов на выходе первого блока3сравнени  (фиг. 26); 1 -измеренный интервал между i-ым и (1+1)-ым импульсами; п - число наблюденных интервалов между импульсами в потоках импульсов на входе первого блока 3 сравнени  и выходе второго генератора 10 периодических импульсов. С другой стороны, неизвестна  интенсивность (параметр) А потока импульсов на выходе устройства в приведенных выше терминах может быть оценена аналогичным образом:. j :,,() где U . Cj - среднее врем  между им°пульсами потока импульсов на выходе устройства (фиг. 2 ж). Из выражений (3), (4) и приведенных выше H3BecjHbix формул дл  средних значений I и Т следует, что .,- Подстановка полученной зависимости (6) в формулу (5) приводит к следующему результату: ,1 , г -(7) Приравнива  полученные из формул (5) и (7) выражени  дл  Т , получим -- РЗЭД откуда , ) р Т, л АП г,.

Из формулы (8) следует, что интенсивность (параметр) А выходного потока импульсов практически в любых пределах может измен тьс  не только путем изменени  значени  , вводимого в блок 7 сравнени , но и путем подбора отношени  Т,/Т2 периодов импульсов, вырабатываемых генераторами 9 и 10 периодических импульсов .

В качестве генераторов 9 и 10 могут использоватьс , например, блокинг-генераторы , так как они генерируют кратковременные импульсы, близкие по форме к пр моугольным . Частота F и периодичность Т следовани  этих импульсов могут быть подсчитаны по формулам:

F Т - RC.

Поэтому частоту и периодичность импульсов обычно регулируют, измен   на входах генераторов (Вх. 2 и Вх. 3), например, величину сопротивлени  R, через которое происходит разр д конденсатора С, обеспечива  тем самым установку заданных значений TI и Т2.

Дл  обеспечени  устойчивой и точной работы устройства периодичность Tj следовани  импульсов на выходе генератора 9 подбирают из услови  Tj J-, где l/.i,,- среднее значение интервала между импульсами , вырабатываемыми источником 1 пуассоновского потока импульсов.

При установке на входах генераторов 9 и 10 одинаковой периодичности вырабатываемых ими импульсов TI Т2, на вход устройства беспреп тственно проход т импульсы с выхода первого блока 3 сравнени , из которых формируетс  выходной поток импульсов с интенсивностью (параметром) Л оРзад-В этом случае работа устройства аналогична работе прототипа, что вытекает из формулы (8), котора  при Tj Т также преобразуетс  к виду A Aj-Pj .

При необходимости, например, с помощью амплитудного ограничител , выходной поток импульсов может быть преобразован в поток одинаковых по амплитуде импульсов , случайных по моментам их по влени  (фиг. 2з).

Продолжительность работы устройства определ етс  числом  чеек блока запоминани , в которых накапливаютс  импульсы выхода блока 3 сравнени .

Таким , изобретение позвол ет при неизменной точности расширить диапазон регулировани  интенсивности (параметра ) выходного потока импульсов за счет подбора отношени  Т, /Tj, что непосредственно вытекает из формулы (8). Указанное обсто тельство особенно важно при моделировании потоков редких событий, например, потоков отказов высоконадежных технических устройств. Современные генераторы периодических импульсов обладают высокой стабильностью выходных характеристик, поэтому отношение TI /Т не нуждаетс  в стабилизации и может плавно регулироватьс  в диапазоне от 1 до 0.

В предлагаемом генераторе случайных импульсов осуществл етс  двухступенчатое регулирование интенсивности (параметра) выходного потока импульсов. Вначале осуществл етс  стохастическое прореживание исходного пуассоновского (простейшего) потока импульсов и производитс  стабилизаци  его интенсивности (параметра) в соответствии со значением установленным на входе блока 7 сравнени  (на первом входе стройства). Однако возможности регулировани  интенсивности (параметра) выходного потока импульсов путем изменеНин настройки генератора случайных двоичных разр дов ограничена, поэтому дальнейшее уменьшение интенсивности (параметра) выходного потока импульсов осуществл етс  за счет детерминированного разрежени 

простейшего потока и.мпульсов, подвергнутого стохастическому прореживанию и последующей стабилизации. Детерминированное разрежение осуществл етс  путем установки соотношени  периодичности импульсов 0 Ti/T2 1, вырабатываемых генераторами 9 и 10 периодических импульсов.

Кроме того, при установке на входе блока 7 сравнени  значени  1 в предлагаемом устройстве осуществл етс  лишь детерминированное разрежение потока имQ пульсов, поступающих с выхода источника 1 пуассоновского потока импульсов. В этом случае выражение дл  интенсивности (параметра ) выходного потока импульсов может быть получено из выражени  (8) при

1, откуда

зад

Л - АО -;

(9)

Приче.м, как это следует из формул (8) и (9), изменение интенсивности (параметра) выходного потока путем детерминорованного разрежени  осуществл етс  плавно за счет подбора соотношени  Ti/T2, что обеспечивает высокую точность моделировани  исследуемых процессов.

Кроме того, устройство позвол ет генерировать не только пуассоновские (простейшие ) потоки импульсов случайных только по моментам их по влени  и последовательности чисел (фиг. 2 ж),Jaк как через случайные моменты времени т,, - У,стррйс,;гво генерирует случайные числа -, , -, ..., распределенные по экспоненциаль ному закону. Действительно, так как интервалы между импульсами на выходе первого блока 3 сравнени  распределены по экспоненциаль

Ному закону с плотностью

)

а из условий (2) и (3) следует, что , то случайна  величина 7  вл етс  функцией

олrJTТ

случайного аргумента п, откуда - li, орл (п) 9,, (пТ, ) Т| , следовательно

cf.(n) AT,

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Генератор случайных импульсов по авт. св. № 779995, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей путем увеличени  диапазона измерени  параметра распределени  потока импульсов , он содержит два элемента И, блок пам ти, третий блок сравнени , третий, четвертый и п тый счетчики, два генератора импульсов и элемент НЕ, вход которого подключен к выходу первого блока сравнени , а выход элемента НЕ соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого генератора импульсов, вход которого  вл етс  вторым входом генератора, выход первого элемента

   И соединен со счетным входом третьего счетчика , выход которого соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с входом элемента НЕ, а выход второго элемента И соединен с установочным входом третьего счетчика и информационным входом блока пам ти, выход которого соединен с первым входом третьего блока сравнени , второй вход которого подключен к выходу четвертого счетчика,

   счетный вход которого подключен к выходу второго генератора импульсов, вход которого  вл етс  третьим входом генератора, выход третьего блока сравнени   вл етс  выходом генератора и соединен с установочным входом п того счетчика, выход которого соединен с адресным входом блока пам ти .

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР

   № 779995, кл. G 06 F 7/58, 1980 (прототип ) .