扩展模拟计算机设备的制作方法

扩展模拟计算机设备的制作方法
【专利摘要】一种扩展模拟计算机包括具有多个面的导电材料。所述面中的至少一个与电接地隔离，并且至少一个另外面电接地。多个导电引脚布置在导电体内。至少一个电压传感器布置在导电体内靠近与电接地隔离的至少一个面。
【专利说明】扩展模拟计算机设备
[0001] 优先权申明
[0002] 本申请要求2012年3月5日提交的题为"Extended Analog Computer Apparatus (扩展模拟计算机设备）"的美国临时专利申请第61/606, 741号的优先权。本申 请还要求2012年8月6日提交的题为"Extended Analog Computer Apparatus (扩展模拟 计算机设备）"的美国临时专利申请第61/680, 077号的优先权。

【技术领域】
[0003] 本公开总体涉及计算设备，更具体地涉及扩展模拟计算设备。

【背景技术】
[0004] 现代社会中，计算机用于各种各样的应用。在行话中，术语"计算机"已与数字计算 机同义。数字计算机对离散数据（通常为二进制数据）执行数学运算，并且产生离散输出。 二进制数据由多个"位"形成，所述"位"可以取通常表示为通/断（on/off)或数值"1"和 "〇"的两个值中的一个。数字计算机在算法上使用软件处理二进制数据，以使得单一数字 计算设备能够执行各种基于不同的算法的计算。数字计算机可以使用各种形式的数模转换 器，以生成模拟输出如视觉图形、声音和其它电磁信号。
[0005] 尽管数字计算机众所周知，但是计算机不一定是数字计算机。在更广泛的定义中， 术语"计算机"指的是可以重新配置以解决多个问题的任何物理对象。亦即，计算机可以对 于许多不同的"问题"产生"答案"。数字计算机使用一种或更多种算法产生问题的答案，算 法是最终产生问题的答案的一系列单独计算。模拟计算机是另一种类型的计算机，其在物 理上配置成基于特定的输入而不使用数字计算机一步一步的算法产生"答案"。在模拟计算 机的一个已知的例子中，运算放大器（OpAmp)配置在电路中使用两个输入电压产生输出电 压。输出电压表示简单计算如两个输入电压的加、减或乘的"答案"。在数字计算机对数据 的离散值进行操作时，模拟OpAmp理论上可以接受OpAmp电路的实际工作范围内无限数量 的不同的电压电平。在示例模拟计算机中，组件配置和物理法则（在这种情况下法则控制 电流如何流过物理OpAmp设备）确定问题的答案。模拟计算机的重新配置可以产生不同问 题的答案。
[0006] 数字计算机和模拟计算机都有优点和缺点。经典的数字计算机通过加载软件并且 执行软件中的算法来自身快速重新配置以回答新问题。然而，对于数字计算机某些类型的 问题难以在合理的时间量内来解决。例如，用包括偏微分方程和常微分方程的复杂的数学 公式建模的物理仿真。复杂的仿真通常可以包括随机元素，其基于本质上观察的随机性以 随机过程建模。尽管数字计算机可以在算法上进行仿真，但是包括大量个人数字计算机共 同运行的数字计算机，甚至超级计算机的性能在模拟某些现象时往往无效。在一些情况下， 模拟计算机可以比数字计算机更有效地执行复杂物理仿真的等效计算。模拟计算机可以包 括利用在数字计算机中通常采用的伪算法更容易地对随机过程建模的固有的随机元素。然 而，模拟计算机可能必须是不合理的复杂以执行复杂的仿真。此外，传统的模拟计算机不能 容易地重新配置以解答多种类型的问题或问题的变化。例如，配置执行仿真的传统模拟计 算机可以包括将大量的电子组件组合接线成预定构造以解决特定的问题。
[0007] 扩展模拟计算机（EAC)兼具模拟计算机和数字计算机的优点。现有的EAC包括导 电材料如通常用于包装电子仪器的防静电导电泡沫或凝胶以及两个或更多个导电体或接 合于导电材料的"引脚"。每个引脚可以充当电流的输入（源）或输出（汇）。电流通过导 电材料从输入引脚流到输出引脚。在典型的实施方式中，许多引脚布置在导电体和外部控 制器（其可以是数字计算机）中，并且选择性地施加电信号到一些引脚作为源，然后监视流 到一个或更多个汇引脚的相应电流。引脚的空间取向和施加到源引脚的所选电信号通过导 电材料产生稳恒电流密度流形。源引脚的选择性激活和汇引脚的监视使包括微分方程和分 段线性函数的广泛的数学关系能够建模。不同于传统的模拟计算机，EAC通过使用机电或 固态开关选择源引脚和汇引脚的不同布置来快速重新配置。
[0008] 尽管EAC可以快速执行各种任务，但是在信号处理领域以及更一般的处理时变的 输入信号的领域中，现有的EAC设计有局限性。例如，自适应信号滤波在滤波动态地变化以 从电磁信号中去除噪声的信号处理中是常规任务。通常情况下，电磁信号和噪声随时间变 化，亦即，输入信号的值随时间而改变。在传统的EAC中，电流在EAC的导电材料内的源极 与漏极之间流动时，时变输入信号产生波动。因此，当EAC产生解决方案时，EAC内的电流 密度流形变化，从而导致一种不稳定的输出。因而，传统的EAC在处理包括自适应滤波应用 的时变输入信号时往往无效。因此，改善能够处理时变输入的EAC是有益的。


【发明内容】

[0009] 本发明描述了一种以不同于现有EAC的模式操作的电势模式EAC。与电势模式EAC 的区别在于电流源和汇是输入，并且在空间内的多个位置处的电势测量是输出。由于电流 源具有有效无限的输出阻抗，并且电势测量意味着具有有效无限的输入阻抗的测量点，所 以通过每个输入电流源产生的电势分布彼此独立。每个源/汇和电压监视点之间的关系， 即一个或更多个输入与每个输出点之间的耦合权重彼此独立。因而，附加输入仅增加了被 解的数学表达式的复杂性，而不影响其它输入。
[0010] 在一个实施方式中，已经开发了处理时变输入信号的扩展模拟计算机。扩展模拟 计算机包括：形成有多个面的导电材料，多个面中的至少一个与电接地隔离；接地导体，其 电连接至导电材料的多个面中的另一面；布置在导电材料内的多个导电引脚，多个导电引 脚中的每一个被配置成将电流输入到导电材料中；以及定位在导电材料内的至少一个电压 传感器。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 图1是配置成滤波电信号的扩展模拟计算机（EAC)的示意图。
[0012] 图2是在导电材料内的电流源和电流汇之间的电荷电势图。
[0013] 图3是示出来自导电材料的电隔离面的电信号的反射的图。
[0014] 图4A是球形的输入引脚的视图。
[0015] 图4B是圆盘形的输入引脚的视图。
[0016] 图4C是圆柱形的输入引脚的侧视图和俯视图。
[0017] 图5是在模拟处理器中使用的导电材料的各种尺寸和相应的电荷电势分布不意 图。
[0018] 图6是在不同尺寸的各向同性导电材料的归一化增益频率曲线图。
[0019] 图7是有限输入响应（FIR)滤波器和实现FIR滤波器的图1中的EAC中的相应参 考组件的示意图。
[0020] 图8A是配置成滤波输入信号的模拟处理器的示意图。
[0021] 图8B是配置成滤波输入信号的模拟处理器的另一结构的示意图。
[0022] 图8C是配置成滤波输入信号的模拟处理器的另一结构的示意图。
[0023] 图9是示出了使用有限脉冲响应（FIR)滤波器以从信号滤波噪声的图8A的模拟 处理器生成的噪声输入信号和三个输出信号的信号曲线图。
[0024] 图10A是示出了由图1的EAC的匹配滤波器生成的带有30%噪声电平的神经电输 入信号和经滤波输出信号的信号曲线图。
[0025] 图10B是示出了由图1的EAC的匹配滤波器生成的带有50%噪声电平的神经电输 入信号和经滤波输出信号的信号曲线图。
[0026] 图10C是示出了由图1的EAC的匹配滤波器生成的带有75%噪声电平的神经电输 入信号和经滤波输出信号的信号曲线图。
[0027] 图11是配置成用作FIR和无限脉冲响应（IIR)滤波器的EAC的示意图。
[0028] 图12是与模拟滤波器响应相比较，利用图11的EAC实现的FIR-IIR滤波器的脉 冲响应的曲线图。
[0029] 图13是与模拟滤波器响应相比较，图11的FIR-IIR滤波器的伯德幅度和相位图。
[0030] 图14是用来滤波电信号数据以匹配SFAP信号的一组模板。
[0031] 图15是用于检测EAC的SFAP信号的输入的随机布置不意图。
[0032] 图16是示出使用EAC记录数据的信号检测和神经单纤维动作电势（SFAP)信号的 一组曲线图。
[0033] 图17是使用匹配滤波器的配置成信号检测的EAC的实施方式的照片。
[0034] 图18是示出了 EAC至SFAP脉冲信号的预测响应和图17的EAC的实际响应的曲 线图。
[0035] 图19是示出了有限元模型（FEM)仿真的滤波器至SFAP脉冲信号的响应和图17 的EAC的实际响应的曲线图。
[0036] 图20是示出神经电图（ENG)信号和数字信号处理器（DSP)的响应以及图17的 EAC至ENG信号的一组曲线图。
[0037] 图21是在匹配滤波器结果中的频率动作电势的曲线图。
[0038] 图22是示出了包括单位SFAP脉冲的未滤波的ENG数据和EAC的DSP仿真生成的 经滤波信号的曲线图。
[0039] 图23是示出了包括单位SFAP脉冲的未滤波的ENG数据、使用现有数字信号处理 器实现的滤波器生成的信号和图17的EAC生成的经滤波信号的曲线图。

【具体实施方式】
[0040] 下面的描述和附图对本文所公开的系统和方法的环境以及系统和方法的细节提 供了一般理解。在附图中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件。
[0041] 图1示出了包括扩展模拟计算机（EAC) 102的信号处理系统100。系统100包括 输入信号源104、配置成在系统100中进行自适应滤波操作的EAC 102和输出信号生成器 144。输入信号源104接收时变电信号。在一个不例中，输入信号源104是与人类神经系统 中的神经脉冲对应的电信号。然而，输入信号可以是任何时变电磁信号。在一些实施方式 中，输入信号源104生成源输入信号的放大输出。在一个实施方式中，输出信号生成器144 是电压控制电流源（VCCS)。输出信号生成器在由EAC 102生成的输出电压信号的控制下产 生输出电流。如下所述，在一种配置中，EAC生成了对应于输入信号源104的噪声输入信号 的经滤波电压信号，并且输出信号生成器生成了相应的经滤波输出电流信号。
[0042] EAC 102包括多个模拟采样以及保持缓冲器108、控制器112、输入交换机结构 116、模拟处理器120和输出多路复用器142。采样以及保持缓冲器生成来自输入源104的 输入信号的一系列时延版本。在一系列配置中，采样以及保持缓冲器108生成多个递增的 输入信号的时延版本。并入EAC内的采样以及保持缓冲器的数量与用于通过EAC 102实现 的滤波器的抽头的数量有关。例如，当EAC 102配置为具有N个抽头的滤波器时，EAC使用 总共N-1个采样以及保持缓冲器，一个采样以及保持缓冲器用于N-1个延迟信号中的每一 个，而剩余的信号缓冲器则是到滤波器的非延迟输入。
[0043] 模拟处理器120包括导电材料124、输入引脚128、电压传感器132、电接地面138 和电隔离面140。导电聚合物泡沫124形成图1中的导电材料，但是也可以使用包括凝胶或 导电性流体的许多其它导电材料。在一个实施方式中，导电材料124具有每米约1西门子 (S/m)的电导率〇。在立方结构中，导电材料124是各向同性导体。亦即，导电材料124的 电导率基本相同而与电流在导电材料124中的流向无关。聚合物泡沫124以通常具有六个 面和预定的宽度（X)、长度（Υ)和高度（Ζ)的立方体形状形成。在一个实施方式中，聚合物 泡沫124以每个宽度、长度和高度均接近一米的立方体块形成。
[0044] 导电材料124的电接地面138可以连接至为电子通过导电材料124流到地面136 提供了统一路径的导电箔、板或其它导体。电接地面138形成电流边界，这在数学上建模 为纽曼边界条件。如图2所示，使电流从电流源128传播到汇128'的电荷电势在边界220 的任一侧基本对称。在现有技术的模拟处理器中，第二引脚128'用作电流的汇。因为EAC 102不测量电流磁通，整条线220代表接地平面，在图2所示的右手侧的电荷电势基本保持 不变的情况下，电流流到接地。EAC 102测量一个或更多个输入引脚128周围的电荷电势。
[0045] 在简单的实施方式中，模拟处理器120被实现为在所有面都接地的导电材料124 的表面上或体积内的一组电流源点和电势检测点。在图1的示例中，然而，导电材料124中 的至少一面140与电接地隔离。电隔离（或绝缘）面140可以暴露于空气或用电绝缘体覆 盖。如图3所示，电隔离面140将电流反射回导电材料124。当输入引脚128定位成靠近于 面140时，反射的输入信号增大在距输入引脚预定距离处的输入引脚周围的电荷电势。当 两个或更多个电隔离面在角落处接合时，电信号的多次反射产生电荷电势更大的增长。在 一些配置中，由于输入信号的反射，输入引脚128或电压传感器132定位成接近至少一个电 隔离面140增加了模拟处理器120的效率。
[0046] 在模拟处理器120中，电压传感器132定位成靠近导电材料124的绝缘面140。绝 缘面140有效地用作沿着X轴平分一个"虚构的"立方体积的绝缘平面。从正常注入到注入 点流经的表面的任何源的电流密度径向流向边界。利用平分所有的输入/输出点位于的平 面上的空间的绝缘体将空间分割成两半来将电流分布平分为两个空间。两个空间中每个都 有一半的总电流，但两个空间中的每个空间内的电流密度和电势的分布不会改变。这是因 为，没有任何电流密度在平分面内横穿过体积。这意味着，利用一半电流保持在每一半的空 间内相同的电势分布，并且在模拟处理器120内不需要导电材料124的"虚构的"第二半。 对于直线或立方容积导体，沿着X轴、Y轴和Z轴的正交平面对称地平分空间。如果这些平 面中的每一个都定义为绝缘体，那么导电材料124所需要的体积减小，而不改变空间内的 电流密度分布或电势分布。
[0047] 由于平分体积的对称性，在导电材料的立方体124的角落处的电流磁通与位于体 积为导电立方体124的8倍大的立方体积中心处的电流磁通相比实际上没有变化。在角落 处接合的三个电隔离面140使位于该角落的电压传感器132的灵敏度有效地增加到八倍。 沿着立方体124的边缘定位在两个电隔离面140之间的电压传感器132的有效灵敏度和定 位在靠近一个电隔离面140的电压传感器的有效灵敏度分别增加到四倍和二倍。因而，减 少了放大输入信号的需要，导电材料124可以占据较小的体积，并且EAC 102在操作期间消 耗更少的电能。
[0048] 输入引脚128在导电泡沫134中以三维网格图案布置。在图1中，与一系列堆叠 立方体的顶点相似，输入引脚128彼此等距离隔开。在可替代实施方式中，输入引脚128布 置不同，并且不一定等距离隔开。例如，引脚布置在从电压传感器132外延伸出的多条径向 线中。输入引脚128以靠近电压传感器132的更致密的结构布置，并且随着距电压传感器 的距离增加，输入引脚128以越来越大的间隔隔开。在可替代实施方式中，导电材料124由 导电材料片形成，并且输入引脚128和电压传感器132在片材上以二维结构而不是图1的 三维结构布置。
[0049] 输入引脚128中的每一个由导电体--通常是金属一一形成，具有电连接至输入 交换机结构116的绝缘电引线。每个输入引脚的尺寸和形状影响电流从输入引脚128辐射 通过导电材料124的方式。在图4A中，球状导体304辐射的电流在所有方向相等。球状导 体304以类似的方式操作无限小的点光源的发射极。在图4B中，盘状引脚312发射的电流 在二维平面的所有方向相等。模拟处理器120使用盘状输入引脚128。在图4C中，输入引 脚316具有圆柱状。圆柱状输入引脚316发射垂直于圆柱体的纵向轴线的电流。在一些三 维模拟处理器中，圆柱状的输入引脚基本上沿着模拟处理器中的导电材料的所有的长度、 宽度或高度延伸。
[0050] 在系统100的操作期间，EAC 102内的控制器112有选择地将输入信号从采样以及 保持缓冲器108施加到输入引脚128。在图1的实施方式中，控制器112是包括一个或更多 个数字微控制器、中央处理单元、现场可编程门阵列（FPGA)、专用集成电路（ASIC)等的数 字计算机。控制器112利用输入交换机结构116使输入信号路由到所选择的输入引脚128。 输入交换机结构116是将每个采样以及保持缓冲器108的输出电连接至输出引脚128中的 一个的机电开关装置或固态开关装置。在一些实施方式中，输入交换机结构116可以同时 将单个输入信号电连接至多个输入引脚128。控制器112还选择电压传感器132之一的输 出以利用输出多路复用器142输出到信号生成器144。控制器112还监视电压传感器132 中的至少一个的输出，这可以用于反馈以利用输入交换机结构116改变所选择的输入引脚 128。
[0051] 模拟处理器120不同于在现有EAC中使用的模拟处理器。首先，引脚128只用作 用于输入信号的输入端，而不是配置作为输入端或输出端。未被选择用作信号的输入端的 引脚128配置有高阻抗，并且电压传感器132也对电信号呈现出高阻抗。基本上导电材料 124中的所有电信号都通过电接地136而不是通过汇引脚引出。处理器120的另一个区别 在于导电材料124中的至少一面与接地136隔离。例如，在处理器120中，面140未连接至 电接地136。随着输入信号传播通过导电材料，电隔离面往往反射输入信号的一部分。另一 区别在于，电压传感器132参照在导电材料124内产生的电荷电势流形而不是参照与在源 引脚和汇引脚之间流动的电流对应的电流流形来测量模拟处理器120的输出。
[0052] 在可替代结构中，导电材料124形成有不均匀的尺寸。例如，导电材料124的高度 可以小于导电材料的长度和宽度以减少EAC的物理尺寸。图5示出了当长度和宽度保持不 变时，随着导电材料124的高度的减小，示例性输入引脚128周围的电荷电势的变化。随着 电各向同性的导电材料的厚度变化，发现图5的滤波器增益是不同的。各向异性矩阵式补 偿了变化。在下面列出的矩阵中描述的修改后的各向异性介质补偿了滤波器增益的厚度影 响。这个补偿使得能够使用导电材料的薄片设计滤波器功能。当导电材料124的尺寸不均 匀时，针对立方体形状，可以形成具有各向异性导电性而不是各向同性导电性的导电材料。 例如，当参考材料的宽度（X)和长度（Y)使导电材料的高度（Z)或厚度改变到t倍时，则导 电材料124分别具有针对X轴、Y轴和Z轴中的每一个的三个电导率值σ χ、％和σζ。总 电导率使用以下等式定义

【权利要求】
1. 一种扩展模拟计算机，包括： 形成有多个面的导电材料，所述多个面中的至少一个与电接地隔离； 接地导体，其电连接至所述导电材料的所述多个面中的另一个； 布置在所述导电材料内的多个导电引脚，所述多个导电引脚中的每一个被配置成将电 流输入到所述导电材料中；以及 定位在所述导电材料内的至少一个电压传感器，所述电压传感器被配置成生成电压信 号，所述电压信号对应于来自所述多个导电引脚中的每一个的电流在所述导电材料中产生 的电荷电势。
2. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，其中，所述导电材料是基本上各向同性的 导电体。
3. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，其中，所述导电材料形成有预定的长度、宽 度和高度，并且高度小于长度和宽度。
4. 根据权利要求3所述的扩展模拟计算机，其中，所述导电材料是各向异性的导电体， 与通过所述导电材料的长度和宽度的另外电导率相比，所述各向异性的导电体具有较低的 通过所述导电材料的高度的电导率。
5. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，所述多个导电引脚中的至少一个导电引脚 是圆盘状。
6. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，所述多个导电引脚中的至少一个导电引脚 是球状。
7. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，所述多个导电引脚中的至少一个导电引脚 是圆柱状。
8. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，其中，所述导电材料是具有每米约1西门子 的电导率的导电泡沫。
9. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，所述多个导电引脚在所述导电材料中以相 邻导电引脚之间基本等距离间隔的方式布置。
10. 根据权利要求9所述的扩展模拟计算机，所述多个导电引脚在所述导电材料中以 基本均匀的三维网格的方式布置。
11. 根据权利要求9所述的扩展模拟计算机，所述多个导电引脚在所述导电材料中以 基本均匀的二维网格的方式布置。
12. 根据权利要求1所述的扩展模拟计算机，还包括： 控制器，其操作地连接至所述多个导电引脚、所述至少一个电压传感器和输入电流源， 所述控制器还配置成： 将所述输入电流源选择性地连接至所述多个导电引脚中的至少一个导电引脚； 利用所述至少一个电压传感器检测输出电压信号；并且 参考所检测到的输出电压信号生成输出电信号。
13. 根据权利要求12所述的扩展模拟计算机，其中，所述控制器将电信号的源连接至 所述至少一个导电引脚，以根据所述电信号生成有限输入响应滤波信号，所述有限输入响 应滤波信号由所述输出电压传感器检测。
14. 根据权利要求12所述的扩展模拟计算机，还包括： 电压电流转换器，其配置成参考所述输出电信号的电压产生另外电输入电流；并且 所述控制器还配置成： 将所述多个导电引脚中的至少另一引脚选择性地连接至所述电压电流转换器，来接收 其它输入电流以根据所述电信号生成无限输入响应滤波信号。
15. 根据权利要求14所述的扩展模拟计算机，所述控制器还配置成： 将输入电信号的源选择性地连接至所述多个导电引脚中的至少一个导电引脚； 将所述多个导电引脚中的至少另一引脚选择性地连接至所述电压电流转换器以形成 匹配滤波器； 利用所述匹配滤波器来对所述输入电信号进行滤波；并且 识别与所述匹配滤波器的形状对应的输出电信号中的尖峰。
16. 根据权利要求15所述的扩展模拟计算机，其中，所述输入电信号是包括单纤维动 作电势（SFAP)的神经活动的电神经信号，并且所述匹配滤波器匹配所述SFAP中的尖峰。
17. 根据权利要求13所述的扩展模拟计算机，其中，所述电信号是时变电信号。
【文档编号】G01R19/00GK104272320SQ201380023804
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月5日 优先权日:2012年3月5日
【发明者】义田宪, 布赖斯·汉博, 乔少宇, 穆勒·索利曼 申请人:印第安纳大学研究与技术公司