Устройство для исследования потоков пересечений

 

358705

ОйИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6oios Советскив

Социалистическил

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 28.VII.1970 (№ 1471803!18-24) с .присоединением заявки J¹

Приоритет

Опубликовано 03.Х1.1972. Бюллетень ¹ 34

Дата опубликования описания 25.XII.1972

М. Кл. G 06g 7!52

Комитет ао делам изобретений и открытий ори Совете Министров

СССР

УДК 681.333:519.2(088.8) ;.- - ° °В. А. Добрыдень с) J(i gqQ t L г1. "ъ

Украинский заочный политехнический институт

Автор изобретения

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ ПЕРЕСЕЧЕНИЙ

Предлагаемое устройство относится к области цифровой измерительной техники и предназначено для автоматического измерения ряда характеристик потоков пересечений исследуемым случайным процессом заданной функции (в простейшем случае — фиксированного уровня).

В настоящее время различнь|е ха рактеристики указанных потоков все более широко и спользуются в различных областях науки и техники: в теории надежности, радиотехники, теории автоматического утправления, медицине и др.

Среди этих характеристик наиболее полными и важными являются:

1) Распределение вероятностей числа пересече ний С случайным процессом X(t) заданной функции Y(t) e течение времени Т, а также числа U выходов X(t) за Y(t) и числа входов процесса X(t) под функции Y(t).

2) Условные распределения величин С», U» и Д» »при условии, что отсчет интервала T начинается е момент: .а) пересечения функции Y(t); б) .выхода за функцию Y(t) (пересечения снизу в верх); в) .входа под функцию Y (t) (пересечения сверху вниз);

2 г) пересечения функции Z(t) (Z(t) — задаваемая функция, не равная Y(t), в простейшем случае — некоторый уровень Zo); д) выхода за Z(t);

5 е) входа под Z(t);

dX ж) пересечения процессом V= — функции

Y(t) (или Z(t), причем в случае Y(t) =0—

10 в момент экстремума X(t); з) выхода V за Y(t) (или Z(t); и) входа V под Y(t) (или Z(t).

3. Распределение вероятностей величин С„, U,- и Д, — чисел пересечений (выходов, вхо15 дов) процессом V (t) функции Y (t) — безусловное и при условиях, перечисленных,в и. 2.

В настоящее время перечисленные характеристики обычно стремятся получить теоретически на основании известных функций раС20 пределения ординаты X(t) и его корреляционной функции, Получение большинства полезных характеристик при этом невозможно, а многие из них удается определить лишь грубо прибли25 женно путем громоздких вычислений, причем оольшую погрешность вносит идеализация исходных экспериментально полученных функций (плотности распределения ординат, спектральной плотности и корреляционной

30 функции). Для измерения этих функций су358705 шествуют весьма совершенные автоматические устройства.

Устройства, позволяющие автоматически измерять все перечисленные выше характеристики потоков пересечений, в настоящее время отсутствуют, решение многих важных задач теории и практики практически невозможно.

Целью изобретения является сокращение затрат времени и труда на измерение ха рактеристик потоков пересечений и повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена упрощенная схема лредложенного устройства; на фиг. 2 — его полная схема; фиг. 3 и 4 иллюстрируют различные режимы работы устройства.

Устройство показанное на фиг. 1, содержит нуль-орган 1; генератор функций 2; логические элементы «ИЛИ» 8, 4; коммутатор 5, ключи б, 7; счетчики им пульсов 8, 9; блок памяти 10, сумматор 11, блок управления 12, логический элемент «И» 18, триггер 14, генератор пусковых импульсов 15, элементы задержки им пульсов 1б, 17 и инвертор 18 (ло,гический элемент «НЕ») .

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Нуль-орган 1 генерирует им пульс на одном из выходов (будем, называть его первым ари выходе X(t) за функцию У(/), подаваемую на один из его входов с выхода генератора функций 2, и на втором выходе — при входе

X(t) аод Y(t).

Генератор функций 2 при отсутствии на его управляющем входе высокого поте н циала поддерживает на выходе сигнал Y(0) = Yp, а с момента подачи высокого потенциала генерирует заданную функцию Y(t) (в простейшем случае — фиксированный уровень) .

Любой из входов (только один одновременно) коммутатора 5 может быть соединен с рабочим входом ключа б.

Ключи б и 7 пропускают импульсы с рабочего входа на выход только при наличии высокого потенциала на их управляющих входах.

Счетчики импульсов 8 и 9 имеют кроме счетного входа входы сброса и снабжены цифровыми индикаторами, указывающими содержимое счетчика.

Блок памяти 10 может быть вы полнен на ферритовых сердечниках, Его работой управляет блок управления 12, формирующий после поступления имлульса на его .вход четыре сдвинутых,во времени выходных управляющих им пульса (по одному на тс ажды и выход) .

Первый импульс (им пульс считывания), формируемый на первой .выходной шине блока 12, соединенной со входом считывания блока памяти 10, приводит к передаче содержимого ячейки, адресом которой служит число, зафиксированное в это время на счетчике

8, в су,мматор 11.

15 го г5

З0

4

Второй импульс (им пульс сложения), формируемый на втором выходе блока 12, соединенном со счетным входом счетчика 9 и со входом сумматора 11, увеличивает содержимое того и другого на единицу.

Третий управляющий импульс (импульс записи), формируемый на третьем выходе блока 12, является командой для запоминания содержимого сумматора 11 в ячейке, адресом которой служит число на счетчике 8.

Четвертый импульс (им пульс продолжения) формируется на четвертом выходе блока 12, соединенном со входом логического элемента

«ИЛИ».

Блок управления может быть вы полHpн, на пример, в виде последовательно го соединения элементов задержки импульсов с формиро вателями после каждого элемента.

Логический элемент «И» 18 — коммутируемый, и каждый из его входов, число, которых равно числу разрядов счетчика 9, может быть соединен либо с единичным, либо с нулевым выходом триггера соответствующего разряда, т. е. должной коммутацией можно обеспечить появление высокого потенциала на выходе элемента 18 (его срабаты вание) при лю бом наперед заданном состоянии счетчика 9.

Генератор пусковых им пульсов 15 может быть выполнен, например, в виде кнопочки с формирователем, т. е. после каждого нажатия кно пки он генерирует один иипульс.

Элементы задержки 1б и 17 имеют регулируемое время задержки.

В схеме использованы известные элементы, Устройство (фиг. 1) позволяет измерять только безусловные распределения величин

С, U и Д (см. фиг. 3, a).

Схема работает следующим образом.

Пусть исследуется распределение вероятностей числа С пересечений процессом X(t) функции У(/) в течение времени Т, причем требуется проанализировать К отрезков inpo. цесса Х(/) длительностью Т (интервалов) (процедуру анализа каждого интервала будем называть циклом), В исходном состоянии (после включения питания) триггер 14 находится в единичном состоянии, при этом ключ б закрыт, генератор функции 2 выдает сигнал Уо, ячейки блока памяти 10 очищены.

Время задержки элемента 1б устана вливают равным Т, а время задержки элемента.

17 — превосходящим .время корреляции .исследуемого процесса (для выполнения условия независимости чисел пересечений в различных анализируемых интервалах).

Элемент 18 коммутируют так, чтобы он сраоатывал при достижении содержимым счетчика 9 числа А. При помощи коммутатора 5 соединяют рабочий вход ключа б с выходом элемента «ИЛИ» 8.

Схема запускается в работу импульсом с выхода генератора 15. Этот им пульс устанавливает .в исходное (нулевое) состояние счетчики 8 и 9 и, проходя через элемент задерж358705

5 ки 17 и открытый ключ 7, опрокидывает триггер 14 в нулевое состояние. При этом открывается ключ б и импульсы с выхода элемента 8 «ИЛИ», возникающие в моменты пересечения исследуемым процессом .функ- 5 ции У(/), которую генерирует с момента открытия ключа б генератор 2, поступают на счетный вход счетчика 8.

Через время Т после открывания ключа б появляется импульс на выходе элемента за- 10 держки lб. Этот импульс возвращает триггер

14 в единичное состоя ние (ключ б закрывается) и запускает блок у правления 12.

Благодаря работе блока 12 в ячейку бло- 15 ка памяти 10, соответствующую числу пересечений, зафиксированному за время Т счетчиком 8, записывается единица.

Кроме того единица фиксируется .на счетчике 9. Им пульс продолжения с четвертого 20 выхода блока 12, проходя через элемент

«ИЛИ» 4, сбрасывает счетчик 8 в нуль и спустя время задержки элемента 17, поступает через открытый (если К 1) ключ 7, аналогично пусковому импульсу. 25

Начинается новый цикл.

Очевидно, что в результате работы схемы в блоке памяти формируется гистограмма (фиг. 4) распределения вероятностей С в некотором масштабе. Действительно, в т-й 30 ячейке образуется число л, равное числу появлений в течение Т равно т,пересечений.

О писанная работа схемы продолжается до тех пор, .пока число на счетчике 9, равное числу проведенных, циклов, не достигнет в 35 очередном цикле значения К.

При этом срабатывает элемент «И» 18, следовательно, исчезает высокий потенциал на выходе инвертора 18, и ключ 7 закрывается, благодаря чему импульс продолжения не 40 проходит на входы триггера 14 и элемента задержки lб. Схема остается в этом состоянии. Появление высокого потенциала .на выходе элемента 13 в совокупности с единичным состоянием триггера 14 может быть исполь- 45 зовано для индикации окончания работы схемы (например, зажигания индикаторной лампочки).

Если требуется исследовать не поток пересечений, а поток выходов или входов, доста- 50 точно с помощью коммутатора 5 соединить рабочий вход ключа б соответственно с первым или вторым выходом нуль-органа 1.

Устройство, .показанное на фиг. 1, не позво- 55 ляет однако измерять условные распределения и исследовать потоки пересечения заданной функции производной процесса Ъ (/) ..

Кроме того, в этом устройстве возможны ошибки измерения, обусловленные следую- 60 щими,причинами:

1) при выборе большого значения Т число пересечений (выходов, входов) в некоторых интервалах может превышать емкость счетчика 8; 65

2) при,выборе большого К некоторые числа n„, могут превышать емкость ячеек блока памяти 10 (см. фиг. 4).

В устройстве, показанном на фиг. 2, эти недостатки устранены.

Оно содержит элементы 1 — 18, идентичные элементам схемы на фиг. 1, за исключением ключей б и 7 которые в схеме на фиг 2 имеют по два управляющих входа, так что импульс проходит через такой ключ только ,при наличии высокого потенциала на обоих управляющих входах одновременно. Такой ключ может быть получен, например, если у правляющие шины соединить со входами логического элемента «И», выход которото соединен с управляющим входом обычного ключа. С целью у прощения на фиг. 2 такое дробление элементов,не используется. Кроме того устройство на фиг. 2 содержит: коммутаторы 19 — 21; дифференцирующий блок, нуль-орган 28, генератор функций 24, логические элементы «ИЛИ» 25, 2б, ключи 27 — 30, триггеры 81 — 83, логические элементы «И»

84, 85, инверторы 85, 37 и элемент задержки импульсов 88.

Коммутаторы 19 и 20 идентичны коммутатору 5. Коммутатор 21 позволяет соединить любой свой вход (только один одновременно) с рабочим входом ключа 7. Нуль орган 23 идентичен нуль-органу 1, а генератор функции Х 24 — генератору функций 2, и управляется аналогично триггером 81.

Ключ 27 идентичен ключам б и 7 (в схеме на фиг. 2).

Логические элементы «И» 84 и 85 вы полнены коммутируемыми аналогично элементу

13. Элемент задержки 88 имеет малое фиксированное время задержки.

Устройство (фиг. 2) работает следующим образ,ом.

Пусть решается предыдущая задача — измерение безусловного распределения вероятностей С за время Т путем анализа К интервалов, процесса X (/) длительностью Т.

Для этого кроме описанных для схемы фиг. 1 операций .нужно с помощью коммутатора 19 соединить вход нуль-органа 1 с шиной входного сигнала и с помощью коммутатора 21 (рабочий вход ключа 7) с выходом элемента 17.

Элемент «И» 34 коммутируется TBIK, чтобы он срабатывал при достижении содержимым счетчика 8 заданного числа М (используемое число ячеек памяти блока 10), а элемент «И»

35 — так, что бы он срабатывал при достижении содержимым сумматора 11 заданного числа Л (используемая емкость ячеек блока памяти 10).

Исходное состояние элементов 1 — 18 то же, что и в схеме на фиг. 1, триггеры 31 — 33 находятся в единичном состоянии, т, е. ключ 7 закрыт по одному из управляющих входов (от триггера 81) и открыт по второму, так как высокий потенциал отсутствует на всех входах элемента «ИЛИ» 2б.

358705

Это сочетание состояний триггеров схемы служит признаком готовности ее к раооте (например, зажигается соответству.ющая индикаторная лампочка).

Пусковой импульс с выхода генератора 15, не изменяя состояния триггеров 82, 88, устанавливает в нуль счетчик 9, а также, пройдя через элемент задержки 88, элемент «ИЛИ»

4 и открытый ключ 80, устанавливает в нуль счетчик 8.

Этот же импульс поступает с выхода элемента 4 на нулевой вход триггера 31, и спустя время задержки элемента 17 через коммутатор 21 и открывшийся .после срабатывания триггера 81 ключ 7 — на нулевой вход триггера 14 и на вход элемента задержки 16, Кроме того, с выхода ключа 7 этот импульс, поступает на единичный вход триггера 31, после прохода этого импульса ключ

7 закрывается.

Пока число на счетчике 8 меньше числа М, потенциал на выходе элемента «И» 84 отсутствует, т. е. ключ 27 закрыт, а ключ 6 открыт по входу от элемента «НЕ» 86, и схема работает аналогично схеме,на фиг. 1.

Если в некотором цикле очередной импульс, прошедший через ключ б, сделает содержимое счетчика 8 равным М, срабатывает элемент 84, при этом ключ 27 открывается, а ключ б закрывается. Если до окончания текущего интервала Т с выхода коммутатора

5 ипульс не поступает, схема продолжает работу как обычно, т. е. в момент окончания

T опрокидывается триггер 14 и запускается блок у правления. Если до окончания T с выхода коммутатора 5 поступит еще хотя бы один импульс (это означает, что распределение таково, что число импульсов M+i имеет не нулевую вероятность, т. е. при отсутствии ограничений следовало бы поместить единицу в ячейку с номером M+i (фиг. 4, а) здесь (— число импульсов, поступивших с выхода коммутатора 5 после закрытия ключа б и открытия ключа 27) первый из них .попадает через открытый ключ 27 на нулевой вход триггера 32, благодаря срабатыванию которого появляется высокий потенциал на выходе элемента «ИЛИ» 26, т, е. на выходе элемента «НЕ» он исчезает, и ключ 7 закрывается по этому входу.

Теперь после окончания Т единица добавляется в ячейку с номером М, и схема останавливается, так KBK импульс продолжения не проходит через ключ 7.

Цифровой индикатор счетчика 9 указывает при этом номер цикла, в котором произошло переполнение счетчика 8.

Сочетание нулевого состояния триггера 82 и единичного состояния триггеров 14, 31 и 88 служит признаком переполнения счетчика 8.

После очистки ячеек блока памяти 10 (например, при выводе данных) схема может быть вновь запущена в работу импульсом с выхода генератора пуско вых импульсов 15.

5 о

25 зо

8

Рассмотрим работу элементов, предотвращающих переполнение сумматора 11.

Пока содержимое всех ячеек памяти n (N (т= 1, 2 ..., М), высокий потенциал на выходе элемента «И» 85 отсутствует, поэтому ключ 28 открыт, а ключ 29 закрыт, и схема работает аналогично схеме на фиг. 1.

Как только после некоторого цикла оказывается, что п„,=N, элемент «И» 85 срабатывает, ключ 28 закрывается, ключ 29 открывается, но в этом цикле переполнение еще не на сту п ает.

Если до окончания измерения (в течение оставшихся циклов) еди ни ца в m-ю ячейку не добавляется, схема работает как схема на фи.г. 1.

Если же на счетчике 8 снова оказывается число т, .когда m-я ячейка уже заполнен а (фиг. 4, б), импульс сложения в этом цикле. попадает не на сумматор 11 (ключ 28 закрыт), а на нулевой вход триггера 88, что приводит к закрьпванию ключа 80 и ключа 7 по входу от элемента 18.

При этом импульс продолжения не сбрасывает в .нуль счетчик 8 (ключ 80 закрыт) и не проходит через ключ 7, т. е. устройство не раоотает. Индикатор счетчика 8 у казывает при этом номер переполнившейся ячейки, а счетчик 9 — номер цикла, в котором это переполнение произошло.

Сочетание единичного состояния триггеров

14, 81 и 82 и нулевого состояния триггера 88 служит признаком переполнения ячейки памяти.

Возможность изменять число У обеспечив" ет, н а пример, изменение числа используемых разрядов ячеек памяти, что необходимо, в частности, для cOI;IBcOIBBIHHB схемы с различными устройствами приема данных измерений (цифропсчать, построители графиков, Ц1 М и т. 3.).

Этой же цели служит возможность ограничивать число используемых ячеек памяти.

С,щест венно, что наличие регулируемых М и N позволяет полуавтоматически (получать ряд дополнительных характеристик пото ков пересечений. Можно,,на пример, измерить распределение числа интервалов, предшествующих первому интервалу, в котором число пеоесечений превосходит число M и т. д.

Рассмотрим работу элементов, обеспечивающих изменение условных распределений, т. е. должный выбор начала отсчета интервалов длительностью Т.

С помощью коммутатора 20 один из входов нуль-органа 28 может быть соединен либо с шиной процесса X(t), либо с выходом ди фференцирующего устройства 22. Генератор функций 24 генерирует функцию Z(t) аналогично тому, как генератор 2 — функцию Y(t).

В зависимости от состояний коммутаторов

20 и 21 импульсы на ра бочий вход ключа 7 поступают при выполнении любого из условий, перечисленных в п. 2 на стр. 2 (фиг.

3, б), 358705

Пусть, например, требуется вы полнить условие ж. С помощью коммутатора 20 вход нуль-ортана 23 соединяют с выходом дифференцирутощего блока 22, а с помощью коммутатора 21 рабочий вход ключа 7 соединяют с выходом элемента «ИЛИ» 25, Тогда после подачи, пускового импульса с,выхода генератора 15 (или:после импульса продолжения) ключ 7 открывается, но триггер 14 остается в единичном состоянии (т. е. ключ

6 — закрыт до момента, когда процесс U(t) пересечет Z(t).

Им пульс, возникающий при этом,на выходе элемента «ИЛИ» 25, проходит через ключ 7, закрыв его после себя опрокидыванием триггера 81. При этом начинается отсчет интервала Т в момент, удовлетворяющий условию пункта яс.

Если с помощью коммутатора 19 соединить вход нуль-органа .19 с выходом дифференцирующего устройства 22, можно аналогично измерить все описанные характеристики произ водной процесса U(t).

Вывод данных из блока памяти устройства может осуществляться любым из известных способ oia.

Важно отметить, что если процесс X(t) не может быть исследован непосредственно (например, сверхвысокочастотные шумы или инфранизкочастотные процессы; сейсм|ограммы и т. п.), предложенное устройство может быть эффективно использовано при анализе его записи, воспроизводимой в форме напряжения в удобном масштабе времени, напримерр ооцилл отр ам мы, з а писи самопишущих приборов и т. д.

Предмет изобретения

t. Устройство для исследования потоков пересечений, содержащее нуль-орган, соединенный с источником входного сигнала и с генератором функций, коммутатор, первую и вторую схему «ИЛИ», первый ключ, соединенный со входом генератора функций и с одним из входов триггера, один из входов которого связан со вторым ключом не|посредственно, а второй — через первый элемент задержки, генератор импульсов, пер вый и второй счетчики, один из которых соединен с многовходовой схемой «И», а другой подключен к блоку памяти, соединенному с блоком управления, связанным с сумматором, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени измерений при повышении их точности, в нем выходы нуль-,органа подключены ко входам первой схемы «ИЛИ» и к коммутатору, третий вход которого соединен с выходом первой схемы «ИЛИ»; выход коммутатора подключен к первому ключу, соединенному со вторым счетчиком; выход первого элемента задержки подключен к блоку управления, 5

ЗО

60 соединенному с блоком памяти, подключенным к сумматору, со входом первого счетчика и со входом второй схемы «ИЛИ», второй вход которой подключен к генератору им пульсов и ко входу первого счетчика; выход многовходовой схемы «И» подключен через инвертор ко входу второго ключа, второй вход которого через второй элемент задержки соединен с выходом второй схемы

<ИЛИ» и со входом второго счетчика.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью получения оценок условных распределений для процесса и его производной и предотвращения погрешностей при переполнении второго счетчика, оно содержит второй, третий и четвертый коммутаторы, дифференцирующий блок, второй нуль-орган, второй генератор функций, третью и четвертую схемы «ИЛИ», третий, четвертый, пятый и шестой ключи, второй, третий и четвертый триггеры, вторую и третью многовходовые схемы «И», второй и третий инверторы, и третий элемент задержки; причем вход устройспва подключен ко входу дифференцирующего блока и через второй и третий коммутаторы соответственно к первому и второму нуль-органам, вто рьте входы которых соединены с выходом дифференцирующего блока; второй нуль-орган соединен вторым входом со вторым генератором функций, подключенным ко второму триггеру, а выходами связан с третьей схемой «ИЛИ» и со входами четвертого коммутатооа, другие входы которого подключены ко входам и выходу первой схемы «ИЛИ», к выходу третьей схемы «ИЛИ» и ко второму элементу задержки; выход четвертого коммутатора соединен с0 вторым ключом, связанным с выходом второго триггера, iBxоды IKOTOpOTQ подключены к выходам второй схемы «ИЛИ» и четвертого ключа; выход четвертой схемы «ИЛИ» подключен к;первому инвертору, а ее входы соединены с выходом, первой схемы «И» и с первыми выходами третьего и четвертого тр иггеров, вторые входы которых подключены к генер атору им пульсов, а первые соответственно к выходам третьего и пятого ключей: входы третьего ключа соедине ньт с выходом первого триггера, первого коммутатора и второй схемы «И», соединенной с разрядными выходами второго с|четчика и подключен. ой выходом через второй инвертор ко входу первого ключа; выход сумматора через третью схему «И», третий инвертор и четвертый ключ соединен с его управляющим входом; входы пятого ключа соединены с выходом блока управления и третьей схемы «И»; входы шестого ключа соединены со вторым вы. одом четвертого триггера и со второй схемой «ИЛИ», а его, выход подключен к второму счетчику; третий элемент задержки соединен выходом со второй схемой «ИЛИ», а входом с генератором им пульсов.