Оптоэлектронное вычислительное устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных Советский патент 1991 года по МПК G06F3/00 

И {обретение относится к вычислительной технике, а именно к оптоэлектронным про- ueci орам, предназначенным для решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет решения задач математической физики в i рехмерной iеометрии.

На фиг. 1 приведена схема модуля уст-г ройства; на фиг. 2 - фрагмент сопряжения фоторезисторных элементов оптоэлек- гронных сеточных операционных блоков мозаичной и сотовой структур, схема фото- ре чисторного элемента и схема блока задания параметров.

Устройство содержит К модулей, каждый us которых моделирует распределение двухмерного поля моделируемых функций для одного из пространственных сечений. Каждый модчль устройства содержит оптоэлек- гронный сеточный операционный блок I мо- 1ИИЧЧОЙ структуры, оптоэлектронный сеточный операционный блок 2 сотовой структуры, узел 3 задания значений узловых функций, узел 4 интерфейса, узел 5 управления, узел 6 памяти, мультиплексор 7, мнслоканальный измерительный блок 8, узел 9 задания значений межузловых функций, узел 1(Г опорных потенциалов, входы-выходы 11 уст- ройства.

Узлы 3, 7 и 9 выполнены на управляе- мыч резисторах (фоторезисторах) 12 и на управляемых ключах (фотодиодах) 13. Фо- торезчсторнын элемент оптоэлектронных сеточных операционных блоков содержит фото- резисторный слой 14, прозрачную диэлектрическую подложку 15, прозрачный токо- пронолящий слой 16, слой 17 электрооптического материала и слой 18 резистивного материала.

В соответствии с оптоэлектронным ис- полнением, управляемые резисторы 12 являются он тронами, если узел 4 выполнен на управляемых делителях напряжения, либо фоторезисторамн, если узел 4 - телевизионный монитор, светоизлучающнй экран которого освещает рабочую поверхность этих фоторезисторов. Мультиплексор И содержит управляемые ключи 13, которые являются

0

5

5

30 35 п

45

50 5

оптронами (при этом узел 4 - дешифратор), либо фотодиодами (при этом узел 4 - телевизионный монитор). Узел 5 управления может быть реализован в виде микропроцессора.

Каждый модуль устройства содержит два типа оптоэлектронны.х сеточных операционных блоков: сеточный операционный блок мозаичной структуры и сеточный операцн онный блок сотовой структуры, при этом возможны различные варианты исполнения самого модуля. В соответствии с первым вариантом модуль выполнен из одного сеточного операционного блока мозаичной структуры и сопряженного с ним одного сеточного операционного блока сотовой структуры, при этом устройство набрано из К таких модулей. При «открытых граничных ус ловгях добавляется еще од и ч сеточный операционной блок сотовой отрукг /ры, а при «закрытых г раничных условиях добавляется один сеточный операционный блок мозаичной структуры. В соответствии с вторым вариантом возможен также набор устройства из модулей, при котором каждый модуль состоит из двух операционных блоков мозаичной структуры, между которыми помещен операционный блок сотовой структуры.

Сеточный операционный блок мозаичной струюуры выполнен в виде М маичного набора многоугольных оптоэлектронных э.,6 ментов, фоторезисториые слои которых сое- динены между собой в примыкающих друг к другу вершинах и имеются контактные вы воды для соединения с контактными выводами сеточных операционных блоков г тсвой конструкции, которые тоже г-очключены к точкам соединения вершин фоторезисторных слоев элементов таких операционные, блоков.

Сеточный операционный блок сотовой структуры может быть выполнен как цельная конструкция с напылением фою- резисторных, электрооптических и печистив- ных слоев на каркас-подложку сотовой структуры из диэлектрического материала, либо эю может быть сборная конструкции, когда каждый узел сотового операционного iблока изготовлен отдельно и из таких узлоп

разной формы набрана сотовая конструкция сеточного операционного блока.

Микропроцессор 5 служит для управления работой мультиплексора 7, блока 8, обработки измеряемых данных и записи их в узел 6 с последующей перезаписью в буфер внешней ЦВМ.

Устройство предназначено для решения дифференциальных уравнений в частных производных

1 $4 Ф + Ч . Ч1- f б х„ (4) Ч ™i

0

где rj моделируемая пространственно

распределенная функция; 41 - коэффициент уравнения; f - функция источника; х, пространственная координата; i -- индекс раз мерности.

В результате применения дискретно-непрерывной аппроксимации к исходному урав нению получено следующее приближение

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к опто- электронным процессорам, предназначенным для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей

У У

н

fxM 1

+

11, № + S ,

.х/бх;-.1-

Уравнение (2) описывает распределение моделируемых переменных ф. т| f в каждой из трех моделируемых плоскостей , Х|Хз, XjX.i, и в каждой многоугольной зоне (конечном элементе), которые образуют моделируемые пространственные плоскости.

В пределах каждого конечного элемента моделируется непрерывное распределение моделируемой функции, при этом решение,

получаемое для каждого такого элемента,

dtf-,

Ц/. ЈЈ. Ј. V dx

Хлд-r)

где дискретные координаты точек сопряжения рядом расположенных конечных элементов

Если границы соседних MHOI путодытых элементов не сопряжены и эгн элементы име ют только одну общую точку сопряжения с соседним элементом, опенки приближения определяется соотношением

А А,ЛМ„(41

где ЛИ,характерный г eoverpn кч-кий параметр конечного элемента, которым была заменена многоугольная зона моделируемого пространства; А, - параметр фоючлектро- проводных и электрооптическич свойств оп- тоэлектронного фоторе «исторно о элемента.

По мере увеличения точек сопряжения конечных элементов точность решения будет возрастать

Параметры фотоэлектропронодных и электрооптических свглктн определяются из сравнения уравнения (2) с уравнением (Г)), описывающим расиреде нчше M ie.-inpvio ших потенциалов п опте, irh i ронном фоторезист ори ом AT eменте

а, ,/ «з v-i з ,| a, % V f3j

%.. i

i -п.

(5)

tx.V iJ I. M. где (filудельная ii« K4 |ч

фогоре UK i opiioi о слоя, i. члп. г рооптическ,1Я чарак терист IIK.I г с, iii-пня про15

20

25

соответствует решению уравнения (I), точ ность соответствия будет определяться точностью задания граничных условий - условий сопряжения между такими конечными элементами.

Сопряжение осуществляется в нескольких точках, например в вершинах, примыкающих друг к другу конечных элементов и по смежным границам элементов. Граничные условия в этом случае имеют вид

(3)

5

0

0

5

водимости фотор знгторноги слгя в зависимости от изменения величины учравлякчдего потенциала I i; х , у координата; MO.IH

MHOI оут ильного i ro чтемент.1 H,iy|:n каН дого конечного элемента коор щтатное поле непрерывно, для моделнр ем й прмстр- н- ственной плоскости оно тоже неттр Ч ывно, но претерпевает ра (рьш на смежных тр.ншцач Выбор масштабных коэффициентов m,- f/V; ni, ,; m/---f С/,,(И)

позволяет получить следующие соотношения подобия:

(),-- 1лл|-, ит;.

F L;-/R/; R, I m,,i

где U/ -- величина потенциала .пи «ал. ыия , значения функции источника, R( величина сопротивления токо «ад.чющего резистора учла 3. При задании расп| еделенной |кчо- проводности опт гроншн о ((ююре не - торного элемента в э.м ктрооигическом с.-joe 17 оптоэ.тектронного ())ого;чмнсго)ного мента формируется поле управляющих опгп ческих сигналов, причем .т iipe. u . ieiifie on тнческих сигналов авнснг от приложепно о к этому элекфооптнчеекому с.ю поля управляющих потенциалом, которое ( шдается Е ре i ист и в ном слое 18 cm i i м ющ и м подбором управляющих погенцил.тч

Распределение в PCIHCTHMHOM слое I ,s mi тоэлектронного фогор мнс т орнот о 1 :емен т ,i иотенциалон, форми| у ющих коле оптических

ЧФ1В.1ЯЮ1НИЛ с И на нов, описывается урав in ни м 1аплас a

Э

з,

Г t 4 f p | И ,(8)

7

i ic |i .тельная проводимость резистивно to i. in 18 g проводимость элекгрооптн

1 г4 КОГО СЛОЯ 1 7

Заданием соответствующих величин ум равляклцнх потенциалов, приложенных в К х неоши ах оптоэпектронных фоторезисторных к VRHI он формируется требуемое поле элек тричееких потенция юв

Изменение свойств моделируемой среды

мгжно с достаточной степенью точности за

iтадкой функцией, которая на ма

i интервалах хороню линеаризуется и мо

irr Гм1 л качана на резиетивном слое с по

южной цельной электропроводностью

При постоянном значении коэффициен i i для одного элемента в соответствии с условием (7) ч соотношением , при «морением значении характеристики (3 за- LV я оип чковые значения потенциатов 1 в каждую К ю вершину элемента

При переменных значениях величин ко лЬ } чюнта i} за 1ют( я значения управпяю uuix HI -еьциалов ил с хлветствующие зна ченням коэффициентов i)1 в точках приложе 1 ия ю-пегсгч ющих потенциалов при этом ( oiu о т , ici TpOHHor о фогоре не н пк i ч соответет с уравне м юм 8) п анав uih тется поле потенциалов, iii iBVkHnee прсетранстьенному распре делению величины

Характепистики фоторезисторного слоя и . ч ктрооптическо о слоя подвержены старе 1ию и кроме тою имеют существенный разорос параметров поэтому при задании зма1епни межузловой проводимое; и фото резне торною с юя iipeiy смотрены корректи гювка и учет лих факторов Таюя про i i1 ti ос ущес твл чете я следующим образом -iiiaoicM в i оответствии с условиями по i ь ) значения управляющих POTCHL,на и и IJ затем произвоаится измерение Р ичи( ы Mt i- чзловой проводимости PO, onpeae- чет л исг,(нное значение характеристики р i 1Я измеряемого элемента и, если оно отли чается от нача 1ыюго, то заносится в &ппе область памяти В соответствии с mi i нот м значением производится пере- рае iei величин управляющих потенциалов, lare производная повторное измерение (; и сравнение с заданным значением рт, при овпа (ении этих значений происходит переход к проверке и корректировке парамет- I о i следующего элемента Если значения за данных и измеренных величин после первой итерации не совпадают, то процедура за ia пня 1еж; иовон проводимости повторяется 3 аание значений узловых функций про ч звтится IK5 ана TPI ичнчму оритму, если в качестве т око ылающих резисторов нспользу

ютсн фоторезисторы, если в качестве токозадакнцич резисторов используются смг-) кот,оуправлнемые резисторы, то такой nfio iu не iребуется

При решении нелинейных зат.ач коррек

тировка и изменение управляющих иотенциа лов ocvmti тв 1яются на каждом maie penie чия ее 14 изменения моте функ ций и коэффициентов существенны, при этом

в поле зачания значении узповых и меж узловь х ф нкций производится процесс ре тения и госпсдующая пошаговая оСрабг г ка резутьтатов решения

Таьим образом предлагаемое устрой ,н позвопя г рппать трехмерные зааачи MIT

м тиче1 кои фшики, причем решение егся одновременно в ви ie нспре; i шнь х м ц функций в трех взаимно i.cpnen дику ярных сопряженных пл х костя

20

Формула «юиретечич

0

Оптоэлектромное вь)истиге. ое грг м сгво птя оешения дифферент i 1ьны , нений в частных ироизвоишх содерж пне.1 первый оптоэлектронныи сеточный операциU, онный б юк мозаичной структуры первый блок задания параметров, многокаиа ный измерительный блок, первый опгоэле трон ныи сеточный операционный б чж чой гручт пы чпполнен в ниче моз тки раз м щеннмх на тоской k п.,грическ i r м

0 те экн рччсеких нзатипов in ibp фок )езиС- то| ных т ментов ка к ччотрну г го

Ит ИЗ ()( 1 ирезчсТОрРОГО U ОН rial ее МНОГО

на диэлектр чи кую одложк , причем ри мык ющие одна к друюи вершины фг о резне ирных элементов электпичес ч соеди 5 пени межтл собой н образуют ijoi се точ ки первою опгоэлектронною сеточш оп рационно и мозаичной ст) м ры, а г.ч смежным границам фогорезистор MJX элемен тов размет 1ы точечные тектро i еремы i ки, Kf горые как и эпекгрическ1 « вь ходы узловых точек 1ервою о|1гоэлектро о се TO4hiit) r псрацпонног о блока мозаичной

CTfWKTyp i ЯВЛЯЮТСЯ ТЧрВОЙ Гру ППОЙ РЫлОП J .

это о оптоэ ектрон,юго еточно о опер а ч ион ного блока мозаичной стр.ктуры ч подклю

5 чень. соответствечно к входам пююканп ь- ц( о измерительного бтока и ПООТРГ ген но к выходам первого бюка i.u ai i Ttia метров, от гичимщсвсч трм, что цс pci члирения функциональных РОЗМО/КНОСТО| сг. ройетва за гчет решения задзч sa- eMarn

0 ческ )н физики в Tpe MejiHo-i п ометрн i но содержит со втор ю по (К,4 П и ОРТО элекгронный сеточный операционный ок мозаичнои структуры lie К чисто г,ро странственных сечении, К on i элeк pOrПlЫx сеч очных опера и ионных блок гтовой cTfivx

Ь туры С ВТОрОГО ПО (К f I t И б.НЖ rl Н |Я

параметров причем в аждый фошрезиио ный элеме IT из которых вычолненм IKITO этектрг ч if OIK рацион ше олпки озаич

ной и сотовой структур, введены слой диэлектрическою материала, с.юй прозрачного токопроводящего материала, слой электрооптическою материала и слой резнстигзного материала, все эти слои нанесете после- довательно на фоторсшсгорный слой и повторяют форму фоторсзисторных элементов, при этом оптоэлектрониый сеточный операционный блок сотовой структуры выполнен в виде матрицы сотовых злогз, каждый и которых обра-юна н расположенными п различных плоскостях н примыкающими ipyr к другу одной стороной этекгричсски изолированными многослойными огпо- лекгрон- ными элементами, примыкающие одна к дру

ГОЙ ВерШИНЫ фот ОреЗНСТОрНЫХ С.101.В 1 ИХ

элементов соединены между собой и обра «у ют узловые точки оптоэлсктропно о ( егоч ного операционного блока сотовой структу- ры, управляющие входы операционных б токов сотооон и мозаичной Li) под ключены к вершинам резне гивных - ie- ментов этих операционных блоков, при том

Ю

0

0

каждый блок задания параметров содержит группу узлов задания значений межузлогзых функций и группу злов задания значений узловых функций, причем обе группы тих уз лов выполнены на управляемых резисторах, управляющие входы которых подключены к входам режима устройства, которые через мноюканальный измерительный блок подключены к выходам оптоэлектронных сеточных операционных блоков, образованным соединением узловых точек оптоэлектронных сеточных операционных блоков сотовой и мо заичнон структур, эти выходы соединены с выходами учлов задания значений узловых функций, в которых через управляемые резисторы эти выходы соединены с источником опорною потенциала, гтравляющие входы огпозлектронных сеточных операционных блоков сотовой и мозаичной структур под ключены к выходам узлов для задания зна- чений межу зловых функций, п которых через управляемые резисторы эти выходы соединены с источником опорного потенциала

, 5

0

ч л-I

1Р

i

11

5

5

d

v

L/1