一种仿生物演化的脉冲电磁防护电路

1.本发明属电子与电气工程技术领域，涉及一种抗电磁干扰电路，具体地说，涉及可以抗脉冲电磁环境的仿生物演化电路。


背景技术：

2.近年来，随着电气化和信息化技术的发展，各种电气和电子系统或设备混叠在同一空间使用的情况愈来愈多，例如，手术室中纳秒刀对同室的其它医疗仪器的电磁干扰等。电子和电气系统或设备正以前所未有的速度向高频、高速、高精度、高可靠性、高灵敏度、高密度(小型化、大规模集成化)，大功率、小信号、复杂性等方向发展，使电磁兼容问题更加突出，对通信设备、计算机系统、医疗设备等等的安全有效性构成了巨大的挑战。
3.电磁防护的目的是采取技术手段保障电子和电气系统或设备在预定的电磁环境中生存和运行，电磁防护与电磁兼容是一个有机整体，其核心是创新和开发新的技术手段，仿生技术是其中之一。电磁防护仿生技术研究现状主要有：
4.(1)根据生物系统的耗散结构，建立冗余、容错、自适应、自组织、自复制、自修复的电磁防护的仿生理论是一种趋势，并应用于进化数字电路设计。
5.(2)简并性是神经生物系统内不同结构的元素具有相同功能或产生相同输出的能力的一种现象。已经证明简并性是工程系统鲁棒性和环境适应性的重要因素，可基于简并性设计工程系统可靠性和适应性，电子电路可以采用相同电路备份来提高电路可靠性。
6.(3)鲁棒性是指系统内部参数摄动或外界扰动，系统抵抗的能力，生物系统普遍存在。已经证明生物系统具有对电磁扰动有较高的抵抗力，在网络电磁空域(赛博空域)也具有相似的鲁棒性，可指导进化电路设计。
7.(4)神经可塑性是神经元结构、形态和功能还未达到成熟和稳定水平时，容易受环境因素的影响而产生变异的一种自然属性。神经网络与电子电路具有对等的映射，设计神经元电路。
8.不可逆电穿孔是一种采用高压电脉冲作用于细胞膜，使细胞膜产生不可逆孔洞，最终细胞凋亡。利用这种现象可以用于肿瘤消融，是“纳秒刀”的理论基础，并在临床上已经得到应用。然而，“纳秒刀”产生的高压电脉冲同一手术室中的其它医疗仪器形成电磁干扰。本发明的目的是为其它医疗仪器提供一种可以抵御脉冲电磁干扰的电磁防护电路。


技术实现要素：

9.一种仿生物演化的脉冲电磁防护电路是由加法器1、反相器1、信号节点1、跟随器1、加法器2、信号节点2、跟随器2、反相器2、信号节点3、反相器3、信号节点4、反相器4、加法器3、信号节点5、反相器5、信号节点6、跟随器3等组成。加法器1的输入与反相器1的输出、信号节点3、信号节点6连接，输出与反相器3、反相器4的输入连接；反相器1的输入与信号节点1连接，输出与加法器1的输入连接；跟随器1的输入与信号节点2连接，输出与信号节点1(3)连接；加法器2的输入与信号节点1、反相器2和反相器3的输出连接，输出与跟随器1的输入
连接；跟随器2的输入与信号节点1连接，输出与信号节点3连接；反相器2的输入与信号节点3连接，输出与加法器2的输入连接；反相器3的输入与信号节点4连接，输出与加法器2的输入连接；反相器4的输入与信号节点4连接，输出与加法器3的输入连接；加法器3的输入与信号节点3、反相器4和反相器5的输出连接；反相器5的输入与信号节点6连接，输出与加法器3的输入连接；跟随器3的输入与信号节点1连接，输出与信号节点6连接。
10.一种仿生物演化的脉冲电磁防护电路其特征是，所述的跟随器由电阻r
21
、电阻r
22
、放大器a组成，放大器a是理想运算放大器。放大器输入信号si为信号节点，这样，该跟随器的输出信号sj电位vj与输入信号si电位vi，有：
[0011][0012]
其中：跟随器放大倍数通过调整电阻r
21
(21)、电阻r
22
(22)比值r
22
/r
21
即可调整放大倍数。跟随器1、跟随器2、跟随器3的放大倍数分别为a
21
＝1、a
13
＝1.4、a
16
＝1。
[0013]
一种仿生物演化的脉冲电磁防护电路其特征是，所述的反相放大器由电阻r
31
、电阻r
32
、电阻r
33
、放大器a组成，放大器a是理想运算放大器。放大器输入信号si为信号节点，这样，该反相放大器的输出信号sj电位vj与输入信号si电位vi，有：
[0014][0015]
其中：反相放大器放大倍数通过调整电阻r
31
(31)、电阻r
32
(32)比值r
32
/r
31
即可调整放大倍数。一般地，a＝-1。反相器1、反相器2、反相器3、反相器4、反相器5的放大倍数均为-1。
[0016]
一种仿生物演化的脉冲电磁防护电路其特征是，所述的加法器由电阻r
41
、电阻r
42
、电阻r
43
、电阻r
44
、电阻r
45
、放大器a、二极管d
41
组成，放大器a是理想运算放大器。放大器输入信号si为信号节点，这样，该加法器的输出信号sj电位vj与输入信号si电位vi，有：
[0017][0018]
其中：加法器放大倍数a
ij
分别为通过调整电阻r
41
(41)、电阻r
42
(42)、电阻r
43
(43)、电阻r
44
(44)比值r
42
/r
41
、r
43
/r
41
、r
44
/r
41
即可调整放大倍数。加法器1(1)、加法器2(5)、加法器3(13)等，它们的放大倍数分别是a
12
＝0.6、a
32
＝0.5、a
42
＝2.5，a
14
＝1、a
34
＝0.5、a
64
＝2.5，a
35
＝0.5、a
45
＝3.0、a
65
＝0.5。
[0019]
二极管d
41
的负极接加法器输出，正极接地，用于实现信号节点状态为正。
[0020]
本发明的有益之处在于：
[0021]
(1)当强烈的环境脉冲电磁场干扰时，该电路可以保护电路不受电磁干扰，正常工作。
[0022]
(2)电路简单、方便、廉价，具有自适应性，实施方便。
附图说明
[0023]
图1是一种仿生物演化脉冲电磁防护电路的结构拓扑图。
[0024]
图2是电路受脉冲电场干扰时的电路状态图。
[0025]
图3是第一次演化的电路结构拓扑图。
[0026]
图4是第二次演化的电路结构拓扑图。
[0027]
图5是跟随器电路。
[0028]
图6是反相器电路。
[0029]
图7是加法器电路。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明加以详细说明。实施例1：
[0031]
参见图1，一种仿生物演化的脉冲电磁防护电路是由加法器1(1)、反相器1(2)、信号节点1(3)、跟随器1(4)、加法器2(5)、信号节点2(6)、跟随器2(7)、反相器2(8)、信号节点3(9)、反相器3(10)、信号节点4(11)、反相器4(12)、加法器3(13)、信号节点5(14)、反相器5(15)、信号节点6(16)、跟随器3(17)等组成。
[0032]
加法器1(1)的输入与反相器1(2)的输出、信号节点3(9)、信号节点6(16)连接，输出与反相器3(10)、反相器4(12)的输入连接；
[0033]
反相器1(2)的输入与信号节点1(3)连接，输出与加法器1(1)的输入连接；
[0034]
跟随器1(4)的输入与信号节点2(6)连接，输出与信号节点1(3)连接；
[0035]
加法器2(5)的输入与信号节点1(3)、反相器2(8)和反相器3(10)的输出连接，输出与跟随器1(4)的输入连接；
[0036]
跟随器2(7)的输入与信号节点1(3)连接，输出与信号节点3(9)连接；
[0037]
反相器2(8)的输入与信号节点3(9)连接，输出与加法器2(5)的输入连接；
[0038]
反相器3(10)的输入与信号节点4(11)连接，输出与加法器2(5)的输入连接；
[0039]
反相器4(12)的输入与信号节点4(11)连接，输出与加法器3(13)的输入连接；
[0040]
加法器3(13)的输入与信号节点3(9)、反相器4(12)和反相器5(15)的输出连接；
[0041]
反相器5(15)的输入与信号节点6(16)连接，输出与加法器3(13)的输入连接；
[0042]
跟随器3(17)的输入与信号节点1(3)连接，输出与信号节点6(15)连接。
[0043]
该电路由加法器和跟随器放大倍数的信号节点集合构成，信号节点代表加法器或跟随器输出的电位，称为状态，放大倍数代表了信号节点之间的交互。第i个信号节点(加法器或跟随器输入)对第j个信号节点(加法器或跟随器输出)的相互影响用放大倍数a
ij
表示。每个信号节点只有1个状态(加法器或跟随器输入或输出)，用sj表示，它由电路中加法器或跟随器放大倍数a
ij
的总和来决定，即：
[0044][0045]
仿生物演化电路的运行是每一个信号节点的状态大于0才能存活，否则，就会灭绝。
[0046]
例如，设信号节点6(16)为环境的电脉冲干扰信号，当没有该干扰信号时，其状态为0，各个信号节点的状态分别为：信号节点1(2)s1为0.5、信号节点2(6)s2为0.5、信号节点3(9)状态s3为0.6、信号节点4(11)状态s4为0.2、信号节点5(14)状态s5为0.3，参见图1，整个电路为稳定状态。
[0047]
当环境有电脉冲干扰信号，信号节点6(16)的状态s6为0.2，则根据式(1)，重新计算各信号节点的状态：s1为0.5、s2为0.5、s3为0.6、s4为-0.3、s5为0.4，参见图2。根据仿生物演化电路的运行规则，s4为负值，信号节点4(11)被灭绝，其它信号节点均存活，参见图3为第一次演化电路拓扑结构。根据式(1)，第二次重新计算各信号节点的状态：s1为0.5、s2为0.5、s3为0.6、s5为-0.5，参见图3。根据仿生物演化电路的运行规则，s5为负值，信号节点5(14)被灭绝，其它信号节点均存活，参见图4为第二次演化电路拓扑结构。这样，电脉冲干扰信号代表的信号节点6(16)的状态s6被孤立在了电路中，电路中剩余信号节点被存活，保持了电路的稳定性。实施例2：
[0048]
(1)跟随器：参见图5，跟随器由电阻r
21
(21)、电阻r
22
(22)、放大器a(23)组成，放大器a(23)是理想运算放大器，即放大器输入正相端(+)与反向端(-)电位相等、输入阻抗无穷大。放大器输入信号si与图1所示电路放大器的信号节点相同，这样，该跟随器的输出信号sj电位vj与输入信号si电位vi，有：
[0049][0050]
其中：跟随器放大倍数通过调整电阻r
21
(21)、电阻r
22
(22)比值r
22
/r
21
即可调整放大倍数。
[0051]
在图1的仿生物演化脉冲电磁防护电路中，这种跟随器有跟随器1(4)、跟随器2(7)、跟随器3(16)，它们的放大倍数分别为a
21
＝1、a
13
＝1.4、a
16
＝1。实施例3：
[0052]
(2)反相放大器：参见图6，反相放大器由电阻r
31
(31)、电阻r
32
(32)、电阻r
33
(33)、放大器a(34)组成，放大器a(34)是理想运算放大器。放大器输入信号si与图1所示电路放大器的信号节点相同。这样，该反相放大器的输出信号sj电位vj与输入信号si电位vi，有：
[0053][0054]
其中：反相放大器放大倍数通过调整电阻r
31
(31)、电阻r
32
(32)比值r
32
/r
31
即可调整放大倍数。一般地，a＝-1。
[0055]
在图1的仿生物演化脉冲电磁防护电路中，这种反相放大器有反相器1(2)、反相器2(8)、反相器3(10)、反相器4(12)、反相器5(15)等，它们的放大倍数均为-1。实施例4：
[0056]
(3)加法器：参见图7，加法器由电阻r
41
(41)、电阻r
42
(42)、电阻r
43
(43)、电阻r
44
(44)、电阻r
45
(45)、放大器a(46)、二极管d
41
(47)组成，放大器a(46)是理想运算放大器。放大器输入信号si与图1所示电路放大器的信号节点相同，这样，该加法器的输出信号sj电位vj与输入信号si电位vi，有：
[0057][0058]
其中：加法器放大倍数a
ij
分别为通过调整电阻r
41
(41)、电阻r
42
(42)、电阻r
43
(43)、电阻r
44
(44)比值r
42
/r
41
、r
43
/r
41
、r
44
/r
41
即可调整放大倍数。
[0059]
在图1的仿生物演化脉冲电磁防护电路中，这种加法器有加法器1(1)、加法器2(5)、加法器3(13)等，它们的放大倍数分别是a
12
＝0.6、a
32
＝0.5、a
42
＝2.5，a
14
＝1、a
34
＝0.5、a
64
＝2.5，a
35
＝0.5、a
45
＝3.0、a
65
＝0.5。
[0060]
二极管d
41
(47)的负极接加法器输出，正极接地，用于实现信号节点状态为正，确保电路存活。当该加法器输出状态sj电位vj为正，二极管d
41
(47)负极电位高于正极电位，为截止状态，这样，加法器输出保持不变，确保电位vj的节点状态。当该放大器输出状态sj电位vj为负，二极管d
41
(47)负极电位低于正极电位，为导通状态，这样，加法器输出电位被钳制为vj＝0，该信号节点为0状态，加法器被灭绝。