УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙРОПОДОБНЫХ КОЛЕБАНИЙ С ВОЗБУДИМЫМ И АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫМ РЕЖИМАМИ И ПРИНЦИП ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2023 года по МПК H03B21/00 G06G7/00 

Краткое описание технологии

В работах по изучению нейронных сетей показано, что нейроны связаны через синапсы с помощью импульсных сигналов, которые действуют через некоторое время после возбуждения тела нейрона. А сети, состоящие из таких нейронов, обычно используют разные возбуждающие и ингибирующие синапсы с соответствующими нейротрансмиттерами. Поэтому, используя знания о базовых принципах работы нейронов и их сетей, стало возможным применять осцилляторы в качестве нейроподобных элементов и использовать их при построении искусственных нейронных сетей. На данный момент такие сети широко изучаются как теоретически, так и экспериментально в связи с их важностью для понимания нейронных сетей мозга

Генераторы нейроподобных колебаний, реализованные в виде аналоговых электронных устройств, продолжают сохранять актуальное значение в группе указанных генераторов, выполненных на цифровой, аналоговой и смешанной основе в связи со спецификой эксплуатационных свойств, присущих рассматриваемому в настоящей заявке виду генераторов и заключающихся в повышенной эффективности (более высокой производительности) аналоговых генераторов, объединенных в сетевые ансамбли (см. статью на англ. яз. автора Indiveri G. «Siliconneurons».- Scholarpedia. 2008, V. 3, №3. p. 1887).

Известен патент на полезную модель №158122, заявка: 2015124651/08, дата приоритета 23.06.2015, патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (RU), недостатком данной полезной модели является то, невозможность реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы.

Структура устройства для генерации нейроподобных колебаний с возбудимым и автоколебательным режимом включает в себя 4 основных функциональных блока: блок опорного генератора (I), блок фазового дискриминатора (II), блок генератора, управляемого напряжением (III) и блок фильтрации (IV).

В основе устройства лежит принцип работы системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с полосовым RC-CR фильтром. Применение такого типа фильтра позволяет получить в системе колебания различной сложности, качественно похожие на динамику мембранного потенциала биологического нейрона.

Основной отличительной особенность данного устройства является применение в цепи RC-CR фильтра дополнительной петли управления, что в свою очередь позволяет реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы ФАПЧ с полосовым фильтром. На фиг.1 Функциональная схема устройства для генерации нейроподобных колебаний с возбудимым и автоколебательным режимом.

Устройство для генерации нейроподобныхколебаний представляет собой: блок опорного генератора (I), основная функциональная задача которого генерация опорного сигнала определенной частоты для работы системы фазовой автоподстройки, а также, трансляция этого сигнала на первый вход фазового дискриминатора. Данный блок представляется собой генератор прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды и имеет возможность точной подстройки частоты путем изменения его параметров. Кроме того, данный генератор имеет стабилизацию частоты, что позволяет сохранить частотные параметры устройства в заданных пределах в случае теплового или шумового воздействия. Перестройка по частоте необходима для управления режимами генерации системы. Второй блок - блок фазового дискриминатора (II), основная функциональная задача данного блока генерация сигнала мгновенной разности фаз опорного генератора и генератора, управляемого напряжением, а также дальнейшая трансляция этого сигнала на вход блока фильтрации. Данный блок построен на основе стандартного элемента базовой логики «исключающее ИЛИ» и имеет два сравнительных входа. Такой элемент был выбран за основу данного блока в связи с тем, что он работает по схеме вычисления исключающей разности между двумя сигналами разных логических уровней, позволяющей получить информацию о разности фаз двух сравниваемых сигналов прямоугольной формы, поступающих на его входы. Следующий блок - блок генератора, управляемого напряжением (III), основная функциональная задача данного блока генерация сигнала прямоугольной формы с фиксированной амплитудой и частотой на прямую зависящей от амплитуды напряжения на его управляющем входе, а также трансляция данного сигнала на второй вход фазового дискриминатора.Данный блок построен на базе стандартного RC генератора, управляемого напряжением. Данный генератор имеет возможность настройки центральной частоты генерации, путем установки верхнего и нижнего порога частоты генерации. Кроме того, генератор имеет линейную характеристику управляющего сигнала с отрицательным наклоном, что в свою очередь позволяет организовать корректную работу системы ФАПЧ.Данный генератор был выбран за основу этого блока в связиспростотой проектирования на базе него устройства для генерации нейроподобных колебаний. А также устройство включает в себя блок фильтрации (IV), представляющий собой специализированный фильтр, построенный на базе полосового фильтра второгопорядка и имеющий возможность автоматического управления параметром пропускания в зависимости от проходящего через него сигнала. Данный блок предназначен для преобразования гармонического сигнала управления, поступающего с выхода фазового дискриминатора, к виду колебаний специальной формы, поступающих на вход генератора, управляемого напряжением, необходимых для корректной работы всего устройства.Функциональная схема блока фильтрации представлена на фиг. 2. Она включает в себя 8 основных функциональных блоков: 4 блока буферных усилителей А1-А4, блок фильтра нижних частот 6, блок фильтра верхних частот 7, блок равноценного смесителя 8, блок электронного ключа с триггерным управлением 5 и 9.

Блоки буферных усилителей предназначены для согласования по импедансу остальных блоков функциональной схемы фильтра, а также, для приведения среднего уровня сигнала к уровню необходимому для корректной работы устройства. блоки фильтров нижних и верхних частот образуют полосой фильтр первого порядка, который необходим для приведения сигнала управления к виду необходимому для корректной работы устройства.

Блок электронного ключа с триггерным управлением необходим для создания обхода блока фильтра верхних частот и создания возможности подмешивания постоянной составляющей сигнала управления на выход блока фильтра.

Блок равноценного смесителя необходим для выполнения операции равного смешивания сигала с выхода фильтра верхних частот и сигнала с выхода блока электронного ключа.

Принцип работы блока фильтрации заключается в следующем: на вход 10 функциональной схемы (фигура 2) поступает гармонический сигнал частотной расстройки с выхода фазового дискриминатора, далее данный сигнал проходит через буферный усилитель A1 в котором происходит развязка по импедансу выхода ФД от входа фильтра нижних частот, что позволяет снизить общий уровень шума и время переходных процессов в системе. С выхода A1 сигнал поступает на вход фильтра нижних частот 6, в котором происходит отсечение высокочастотной составляющей сигнала, а также его сглаживание. Блок 6 имеет возможность перестройки по частоте, что в свою очередь позволяет менять частотный диапазон пропускания фильтра и степень сглаживания сигнала. С выхода 6 сигнал поступает на вход второго буферного усилителя A2, который необходим для ограничения влияния работы фильтра нижних частот на фильтр верхних, что в свою очередь позволяет не допустить возникновения обратной волны в следствии высокого выходного сопротивления 6 и низкого входного сопротивления 7, тем самым повысить общую стабильность схемы во время работы. Далее сигнал с выхода A2 поступает на вход фильтра верхних частот 7, а также параллельно на цепь управления триггера электронного ключа и на входную контактную группу самого электронного ключа. При прохождении сигнала через 7 происходит отсечение низкочастотной и постоянной составляющей, тем самым формируется необходимый сигнал управления для корректной работы устройства в режиме генерации. Блок 7 имеет возможность перестройки по частоте, что в свою очередь позволяет менять частотный диапазон пропускания фильтра. При прохождении сигнала через цепь управления от A4 к 5, происходит его сравнение с установленным в триггере Шмитта5 верхним порогом и в случае превышения порога триггер переходит из состояния логического «0» в состояние логической «1», тем самым замыкая электронный ключ 9. В этом случае сигнал с выхода A2 проходит не только через фильтр 7, но и в обход, пропуская низкочастотную и постоянную составляющую, тем самым формируя необходимый сигнал управления для корректной работы устройства в режиме синхронизации. Если 5 изначально находился в состоянии логической «1», то происходит сравнение сигнала с выхода буферного усилителя A2 с нижним порогом переключения. В случае пересечения сигналом этого порога происходит переключения 5 из состояния логической «1» в логический «0» и электронный ключ размыкается, а сигнал проходит только через цепь фильтра верхних частот. С выхода фильтра 7 и электронного ключа 9 сигнал поступает на равноценные входы смесителя 8, где происходит окончательное формирование сигнала управления для реализации, как режима генерации, так и режима синхронизации. С выхода 8 сигнал поступает на буферный усилитель A3, который выполняет задачу согласования выхода блока фильтрации и управляющего входа генератора, управляемого напряжением. С выхода A3 сигнал управления через выход блока фильтрации 11 поступает на вход генератора, управляемого напряжением.

Изобретение относится к области радиотехники и нелинейной динамики. Может использоваться в радиотехнических устройствах и системах связи. Кроме того, может использоваться для исследований в области нейродинамики и создания нейроподобных вычислительных систем. Технический результат – обеспечение возможности реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с полосовым фильтром. Для этого в основе устройства лежит принцип работы системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с полосовым RC-CR-фильтром. Применение такого типа фильтра позволяет получить в системе колебания различной сложности, качественно похожие на динамику мембранного потенциала биологического нейрона. Основной отличительной особенностью данного устройства является применение в цепи RC-CR-фильтра дополнительной петли управления, что в свою очередь позволяет реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор нейроподобных колебаний, выполненный на основе аналогового формирования и генерирования импульсных автоколебаний с их формой и частотными характеристиками их чередования, моделирующими колебательную динамику нейронов, предлагаемый генератор содержит: блок опорного генератора, позволяющий точно подстраивать частоты путем изменения его параметров и стабилизировать частоты; блок фазового дискриминатора, выполняющий задачу генерации сигнала мгновенной разности фаз опорного генератора и генератора, управляющего напряжением и транслирующего данный сигнал на вход блока фильтрации, указанный блок фильтрации включает последовательно соединенные первый буферный усилитель А1, фильтр низких частот, второй буферный усилитель А2, фильтр высоких частот, блок смесителя, третий буферный усилитель А3, выход которого является выходом фильтра и подключен к входу блока генератора, управляемого напряжением, при этом вход первого буферного усилителя А1 является входом фильтра, выход второго буферного усилителя А2 подключен ко входу четвертого буферного усилителя А4, выход которого подключен к триггеру Шмитта, выход которого через ключ подключен к блоку смесителя, при этом ключ также подключен к выходу второго буферного усилителя А2, блок генератора, управляемого напряжением, выполняющий задачу генерации сигнала прямоугольной формы с фиксированной амплитудой и частотой, напрямую зависящей от амплитуды напряжения на его управляющем входе и трансляции данного сигнала на второй вход фазового дискриминатора, отличающийся тем, что применение в цепи RC-CR-фильтра дополнительной петли управления позволяет реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы.

2. Генератор нейроподобных колебаний по п.1, отличающийся тем, что блок фильтрации представляет собой фильтр, построенный на базе полосового фильтра второго порядка.

3. Генератор нейроподобных колебаний по п.1, отличающийся тем, что блок фильтрации характеризуется возможностью автоматического управления параметром пропускания в зависимости от проходящего через него сигнала и предназначен для преобразования гармонического сигнала управления, поступающего с выхода фазового дискриминатора, поступающих на вход генератора, управляемого напряжением.

4. Генератор нейроподобных колебаний по п.1, отличающийся тем, что блок опорного генератора позволяет сохранить частотные параметры устройства в заданных пределах в случае теплового или шумового воздействия.