Устройство для оценки параметров распределения времени запаздывания возникновения разряда

Предлагаемое техническое решение относится к индикаторной технике и может быть использовано при исследовании характеристик газоразрядных матричных индикаторов.
Известны устройства для оценки параметров газоразрядных индикаторов, которые позволяют измерить (зарегистрировать) случайные значения времени запаздывания зажигания элементов отображения, занести эти значения в память компьютера и затем вычислить необходимые характеристики (Свиязов А.А., Солдатов В.В. Автоматизированные устройства научных исследований параметров газоразрядных знакосинтезирующих индикаторов постоянного тока. Вестник РГРТУ, Выпуск 24, Рязань. 2008 г.; Свиязов А.А., Солдатов В.В. Экспериментальные исследования факторов, влияющих на параметры газоразрядных индикаторных панелей. Вестник РГРТУ, Выпуск 27, Рязань. 2009 г.). Так как число измерений, необходимых для построения плотности распределения, обратно пропорционально кубу погрешности ее определения (Орлов Ю.Н. Оптимальное разбиение гистограммы для оценивания выборочной плотности функции распределения нестационарного временного ряда // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2013. №14. 26 с. URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2013-14) и может составлять несколько тысяч, то для реализации этих устройств требуется компьютер, а громоздкая статистическая обработка результатов измерений увеличивает время исследований. Это является недостатками аналогов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для оценки параметров распределения времени запаздывания возникновения разряда (С.И. Лаврентьев, Шестеркин А.Н. Устройство для определения плотностей определения времени запаздывания зажигания элементов отображения газоразрядных индикаторов. Электронная техника, Серия 4 - Электровакуумные и газоразрядные приборы, Выпуск 3(98), 1983 г., прототип), содержащее блок памяти, регистр, сумматор, блок управления, формирователь единичного кода и счетчик, выходы которого соединены с адресными входами блока памяти, его входы данных подключены к выходам сумматора, входы которого соединены с выходами регистра и формирователя единичного кода. Выходы блока памяти соединены с выходом устройства и информационными входами регистра, первый и второй выходы блока управления соединены соответственно с управляющим входом регистра и входом записи данных блока памяти, информационные и синхронизирующий входы счетчика и синхронизирующий вход блока управления соединены с входами устройства.
Построение плотности распределения в этом устройстве производится в темпе измерений (поступления данных от измерительного устройства), однако для определения числовых характеристик найденные числа попаданий случайных значений в каждый дифференциальный коридор (хотя и меньшее число значений по сравнению с аналогами, так как при построении гистограммы уже проведена обработка данных) необходимо дополнительно обработать. В частности, для оценки математического ожидания времени запаздывания возникновения разряда  при использовании традиционного метода максимального правдоподобия следует воспользоваться формулой:
i
i
где N - число измерений (объем выборки), n - число случайных значений, занесенных в i-й дифференциальный коридор (i=1, 2, …, k), τ - значение времени запаздывания возникновения разряда, соответствующе i-му дифференциальному коридору, k - число коридоров.
Таким образом, для оценки числовых значений времени запаздывания возникновения разряда традиционным способом прототип необходимо дополнить достаточно сложным вычислительным устройством, которое обеспечит реализацию формулы (1), что существенно усложняет устройство и увеличивает время исследований.
ср
Для экспоненциального распределения, которое в большинстве случаев можно использовать для описания распределения времени запаздывания возникновения разряда газоразрядных индикаторов (Шестеркин А.Н. Определение надежности отображения информации на газоразрядных матричных индикаторах. Вестник РГРТУ. Вып. 39. Часть 2. Рязань. 2012), плотность распределения ƒ(τ)=λ ехр(-λ⋅τ). Здесь τ - случайная величина (время запаздывания возникновения разряда), λ - интенсивность зажигания, равная , m - математическое ожидание времени запаздывания зажигания, равное τ. Очевидно, при τ=0 ƒ(0)=λ, т.е. для оценки интенсивности зажигания элемента отображения достаточно определить значение плотности распределения при t=0. Для экспериментальной оценки плотности распределения - гистограмме - начальное значение соответствует относительной частоте попадания случайной величины в первый дифференциальный коридор. Так как это значение зависит от ширины (числа) дифференциальных коридоров, то найденную относительную частоту следует скорректировать на ширину дифференциального коридора. Таким образом, оценку среднего времени запаздывания  (интенсивности) зажигания можно вычислить на основе первого значения гистограммы и она равна
1
1
Здесь n - число значений, попавших в первый дифференциальный коридор; Δ - ширина дифференциального коридора, равная разности между максимальным и минимальным значениями измеряемого времени запаздывания, деленой на число дифференциальных коридоров k. При проведении исследований число дифференциальных коридоров и их ширину определяют на основе предполагаемого диапазона изменения и требуемой точности построения гистограммы (объема выборки). Эти параметры выбирают перед началом исследований, следовательно, для вычислений оценки по формуле (2) необходимо определить лишь n.
Очевидно, что вычисление числовых оценок среднего времени запаздывания возникновения разряда по формуле (2) существенно проще, а, следовательно, и быстрее, чем по формуле (1).
Время запаздывания возникновения разряда элементов отображения в разных режимах работы, например, при автономном возбуждении и при «подсвете» горящими или горевшими ранее элементами, существенно отличается, поэтому при проведении исследований для блока измерений устанавливают некоторый диапазон изменения времени запаздывания, что эквивалентно установке некоторого масштаба, в котором регистрируются результаты измерений. Таким образом, для получения абсолютных числовых оценок следует учитывать этот масштаб.
Цель предлагаемого изобретения - уменьшение времени вычисления числовых оценок времени запаздывания возникновения разряда элементов отображения газоразрядных индикаторов. С этой целью в устройство дополнительно включен блок вычислений и индикации, информационные входы которого подключены к выходам блока памяти, третий выход блока управления подключен к входам установки кода счетчика, управляющие входы устройства соединены с входом выбора режима блока управления, установки нуля блока памяти, а также входами установки коэффициентов блока вычислений и индикации, который реализует формулу .
Функциональная схема устройства оценки параметров распределения времени запаздывания возникновения разряда представлена на фиг. Устройство содержит блок памяти 1, регистр 2, сумматор 3, блок управления 4, формирователь единичного кода 5, счетчик 6 и блок вычислений и индикации 7.
Устройство работает в двух режимах: измерения-регистрации времени запаздывания разряда (построения гистограммы) и вычисления оценок числовых характеристик случайных значений времени запаздывания (среднего значения или интенсивности зажигания).
Режим построения гистограммы. Выбор режима работы осуществляется сигналом, поступающим на вход выбора режима блока управления 4. Перед началом построения гистограммы все ячейки блока памяти 1 устанавливаются в состояние «0». Входной код, поступающий на информационные входы счетчика 6 и соответствующий случайному измеренному времени запаздывания зажигания, синхронизирующим импульсом, сопровождающим входной код, записывается в счетчик 6. Синхронизирующий импульс также поступает и на синхронизирующий вход блока управления 4, который определяет последовательность работы узлов устройства. Выходной код счетчика 6, поступающий на адресные входы блока памяти 1, обеспечивает выбор его ячеек, соответствующих входному коду. Код блока памяти 1, хранящийся по выбранному адресу, поступает на информационные входы регистра 2. Синхронизирующий импульс также поступает и на синхронизирующий вход блока управления 4, который определяет последовательность работы узлов устройства. После окончания процессов записи входного кода в счетчик 1, установки адреса, формирования выходного кода блока памяти 1 и установки его на информационных входах регистра 2 сигналом с первого выхода блока управления 4 выходной код блока памяти 1 записывается в регистр 2. Сумматор 3 складывает текущее значение выходного кода блока памяти 1, записанное в регистр 2 с единичным кодом формирователя 5, т.е. на выходе сумматора 3 формируется увеличенное на единицу значение выходного кода блока памяти 1, по адресу, определяемому входным кодом. Выходной код сумматора 3 поступает на входы данных блока памяти 1 и после завершения переходных процессов выходным сигналом со второго выхода блока управления 4 этот код записывается по тому же адресу в блок памяти 1. Таким образом, выходной код блока памяти 1, по адресу соответствующему входному коду, будет увеличен на единицу.
Такой цикл работы устройства будет повторяться при поступлении каждого очередного значения входного кода и сопровождающего его синхронизирующего импульса. Очевидно, по окончании измерений, т.е. после поступления на вход устройства N входных кодов по каждому адресу в блоке памяти 1 будет записано значение кода, соответствующее числу появлений соответствующего входного кода, т.е. будет сформирована гистограмма.
Режим вычисления оценок. При отсутствии управляющего сигнала на входе выбора режима блока управления 4 устройство работает в режиме вычисления числовых оценок времени запаздывания возникновения разряда. Для оценки числовых характеристик по формуле (2), счетчик 5 следует установить в состояние, соответствующее первому дифференциальному коридору, т.е. 000…01. При этом выходной код блока памяти 1 будет равен числу попаданий случайных значений в этот дифференциальный коридор. Кроме того на входах установки коэффициентов блока вычислений и индикации 7 необходимо установить ширину дифференциального коридора и объем выборки, которые заранее известны. На основе этих значений блок 7 определит и отобразит найденные значения.
Достоверность вычисления числовых оценок времени запаздывания зажигания предлагаемого устройства проверялась путем статистического моделирования. Для этого генерировался массив случайных значений, элементы которого соответствовали экспоненциальному распределению, формировалась гистограмма и по формуле (2) вычислялась оценка среднего значения. Исследования проводились при различных временах запаздывания зажигания, объемах выборки и числах дифференциальных коридоров. В частности, при среднем времени запаздывания зажигания 50 мкс, объеме выборки - 2000, числе дифференциальных коридоров - 50 и повторении процесса моделирования 50 раз оценка среднего значения изменялась от 47.2 до 55.1 мкс (средние значение 52.2 мкс) т.е., максимальная погрешность определения оценки составляла около 10%. Незначительное превышение оценок по сравнению с истинными значениями обусловлено тем, что в первый дифференциальный коридор попадают не только значения, соответствующие нулевому значению плотности распределения, но и меньшие. При увеличении объема выборки до 10000 элементов и числа дифференциальных коридоров до 100 оценка среднего значения составляла 50.85 мкс.
Таким образом, предлагаемое устройство для оценки параметров распределения времени запаздывания возникновения разряда обеспечивает существенно более простое и более быстрое вычисление числовых оценок времени запаздывания возникновения разряда элементов отображения газоразрядных индикаторов при достаточно высокой точности.