擴展模擬計算機設備的制作方法
【專利摘要】一種擴展模擬計算機包括具有多個面的導電材料。所述面中的至少一個與電接地隔離，并且至少一個另外面電接地。多個導電引腳布置在導電體內。至少一個電壓傳感器布置在導電體內靠近與電接地隔離的至少一個面。
【專利說明】擴展模擬計算機設備
[0001] 優先權申明
[0002] 本申請要求2012年3月5日提交的題為"Extended Analog Computer Apparatus (擴展模擬計算機設備）"的美國臨時專利申請第61/606, 741號的優先權。本申 請還要求2012年8月6日提交的題為"Extended Analog Computer Apparatus (擴展模擬 計算機設備）"的美國臨時專利申請第61/680, 077號的優先權。
【技術領域】
[0003] 本公開總體涉及計算設備，更具體地涉及擴展模擬計算設備。
【背景技術】
[0004] 現代社會中，計算機用于各種各樣的應用。在行話中，術語"計算機"已與數字計算 機同義。數字計算機對離散數據（通常為二進制數據）執行數學運算，并且產生離散輸出。 二進制數據由多個"位"形成，所述"位"可以取通常表示為通/斷（on/off)或數值"1"和 "〇"的兩個值中的一個。數字計算機在算法上使用軟件處理二進制數據，以使得單一數字 計算設備能夠執行各種基于不同的算法的計算。數字計算機可以使用各種形式的數模轉換 器，以生成模擬輸出如視覺圖形、聲音和其它電磁信號。
[0005] 盡管數字計算機眾所周知，但是計算機不一定是數字計算機。在更廣泛的定義中， 術語"計算機"指的是可以重新配置以解決多個問題的任何物理對象。亦即，計算機可以對 于許多不同的"問題"產生"答案"。數字計算機使用一種或更多種算法產生問題的答案，算 法是最終產生問題的答案的一系列單獨計算。模擬計算機是另一種類型的計算機，其在物 理上配置成基于特定的輸入而不使用數字計算機一步一步的算法產生"答案"。在模擬計算 機的一個已知的例子中，運算放大器（OpAmp)配置在電路中使用兩個輸入電壓產生輸出電 壓。輸出電壓表示簡單計算如兩個輸入電壓的加、減或乘的"答案"。在數字計算機對數據 的離散值進行操作時，模擬OpAmp理論上可以接受OpAmp電路的實際工作范圍內無限數量 的不同的電壓電平。在示例模擬計算機中，組件配置和物理法則（在這種情況下法則控制 電流如何流過物理OpAmp設備）確定問題的答案。模擬計算機的重新配置可以產生不同問 題的答案。
[0006] 數字計算機和模擬計算機都有優點和缺點。經典的數字計算機通過加載軟件并且 執行軟件中的算法來自身快速重新配置以回答新問題。然而，對于數字計算機某些類型的 問題難以在合理的時間量內來解決。例如，用包括偏微分方程和常微分方程的復雜的數學 公式建模的物理仿真。復雜的仿真通常可以包括隨機元素，其基于本質上觀察的隨機性以 隨機過程建模。盡管數字計算機可以在算法上進行仿真，但是包括大量個人數字計算機共 同運行的數字計算機，甚至超級計算機的性能在模擬某些現象時往往無效。在一些情況下， 模擬計算機可以比數字計算機更有效地執行復雜物理仿真的等效計算。模擬計算機可以包 括利用在數字計算機中通常采用的偽算法更容易地對隨機過程建模的固有的隨機元素。然 而，模擬計算機可能必須是不合理的復雜以執行復雜的仿真。此外，傳統的模擬計算機不能 容易地重新配置以解答多種類型的問題或問題的變化。例如，配置執行仿真的傳統模擬計 算機可以包括將大量的電子組件組合接線成預定構造以解決特定的問題。
[0007] 擴展模擬計算機（EAC)兼具模擬計算機和數字計算機的優點。現有的EAC包括導 電材料如通常用于包裝電子儀器的防靜電導電泡沫或凝膠以及兩個或更多個導電體或接 合于導電材料的"引腳"。每個引腳可以充當電流的輸入（源）或輸出（匯）。電流通過導 電材料從輸入引腳流到輸出引腳。在典型的實施方式中，許多引腳布置在導電體和外部控 制器（其可以是數字計算機）中，并且選擇性地施加電信號到一些引腳作為源，然后監視流 到一個或更多個匯引腳的相應電流。引腳的空間取向和施加到源引腳的所選電信號通過導 電材料產生穩恒電流密度流形。源引腳的選擇性激活和匯引腳的監視使包括微分方程和分 段線性函數的廣泛的數學關系能夠建模。不同于傳統的模擬計算機，EAC通過使用機電或 固態開關選擇源引腳和匯引腳的不同布置來快速重新配置。
[0008] 盡管EAC可以快速執行各種任務，但是在信號處理領域以及更一般的處理時變的 輸入信號的領域中，現有的EAC設計有局限性。例如，自適應信號濾波在濾波動態地變化以 從電磁信號中去除噪聲的信號處理中是常規任務。通常情況下，電磁信號和噪聲隨時間變 化，亦即，輸入信號的值隨時間而改變。在傳統的EAC中，電流在EAC的導電材料內的源極 與漏極之間流動時，時變輸入信號產生波動。因此，當EAC產生解決方案時，EAC內的電流 密度流形變化，從而導致一種不穩定的輸出。因而，傳統的EAC在處理包括自適應濾波應用 的時變輸入信號時往往無效。因此，改善能夠處理時變輸入的EAC是有益的。
【發明內容】
[0009] 本發明描述了一種以不同于現有EAC的模式操作的電勢模式EAC。與電勢模式EAC 的區別在于電流源和匯是輸入，并且在空間內的多個位置處的電勢測量是輸出。由于電流 源具有有效無限的輸出阻抗，并且電勢測量意味著具有有效無限的輸入阻抗的測量點，所 以通過每個輸入電流源產生的電勢分布彼此獨立。每個源/匯和電壓監視點之間的關系， 即一個或更多個輸入與每個輸出點之間的耦合權重彼此獨立。因而，附加輸入僅增加了被 解的數學表達式的復雜性，而不影響其它輸入。
[0010] 在一個實施方式中，已經開發了處理時變輸入信號的擴展模擬計算機。擴展模擬 計算機包括：形成有多個面的導電材料，多個面中的至少一個與電接地隔離；接地導體，其 電連接至導電材料的多個面中的另一面；布置在導電材料內的多個導電引腳，多個導電引 腳中的每一個被配置成將電流輸入到導電材料中；以及定位在導電材料內的至少一個電壓 傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1是配置成濾波電信號的擴展模擬計算機（EAC)的示意圖。
[0012] 圖2是在導電材料內的電流源和電流匯之間的電荷電勢圖。
[0013] 圖3是示出來自導電材料的電隔離面的電信號的反射的圖。
[0014] 圖4A是球形的輸入引腳的視圖。
[0015] 圖4B是圓盤形的輸入引腳的視圖。
[0016] 圖4C是圓柱形的輸入引腳的側視圖和俯視圖。
[0017] 圖5是在模擬處理器中使用的導電材料的各種尺寸和相應的電荷電勢分布不意 圖。
[0018] 圖6是在不同尺寸的各向同性導電材料的歸一化增益頻率曲線圖。
[0019] 圖7是有限輸入響應（FIR)濾波器和實現FIR濾波器的圖1中的EAC中的相應參 考組件的示意圖。
[0020] 圖8A是配置成濾波輸入信號的模擬處理器的示意圖。
[0021] 圖8B是配置成濾波輸入信號的模擬處理器的另一結構的示意圖。
[0022] 圖8C是配置成濾波輸入信號的模擬處理器的另一結構的示意圖。
[0023] 圖9是示出了使用有限脈沖響應（FIR)濾波器以從信號濾波噪聲的圖8A的模擬 處理器生成的噪聲輸入信號和三個輸出信號的信號曲線圖。
[0024] 圖10A是示出了由圖1的EAC的匹配濾波器生成的帶有30%噪聲電平的神經電輸 入信號和經濾波輸出信號的信號曲線圖。
[0025] 圖10B是示出了由圖1的EAC的匹配濾波器生成的帶有50%噪聲電平的神經電輸 入信號和經濾波輸出信號的信號曲線圖。
[0026] 圖10C是示出了由圖1的EAC的匹配濾波器生成的帶有75%噪聲電平的神經電輸 入信號和經濾波輸出信號的信號曲線圖。
[0027] 圖11是配置成用作FIR和無限脈沖響應（IIR)濾波器的EAC的示意圖。
[0028] 圖12是與模擬濾波器響應相比較，利用圖11的EAC實現的FIR-IIR濾波器的脈 沖響應的曲線圖。
[0029] 圖13是與模擬濾波器響應相比較，圖11的FIR-IIR濾波器的伯德幅度和相位圖。
[0030] 圖14是用來濾波電信號數據以匹配SFAP信號的一組模板。
[0031] 圖15是用于檢測EAC的SFAP信號的輸入的隨機布置不意圖。
[0032] 圖16是示出使用EAC記錄數據的信號檢測和神經單纖維動作電勢（SFAP)信號的 一組曲線圖。
[0033] 圖17是使用匹配濾波器的配置成信號檢測的EAC的實施方式的照片。
[0034] 圖18是示出了 EAC至SFAP脈沖信號的預測響應和圖17的EAC的實際響應的曲 線圖。
[0035] 圖19是示出了有限元模型（FEM)仿真的濾波器至SFAP脈沖信號的響應和圖17 的EAC的實際響應的曲線圖。
[0036] 圖20是示出神經電圖（ENG)信號和數字信號處理器（DSP)的響應以及圖17的 EAC至ENG信號的一組曲線圖。
[0037] 圖21是在匹配濾波器結果中的頻率動作電勢的曲線圖。
[0038] 圖22是示出了包括單位SFAP脈沖的未濾波的ENG數據和EAC的DSP仿真生成的 經濾波信號的曲線圖。
[0039] 圖23是示出了包括單位SFAP脈沖的未濾波的ENG數據、使用現有數字信號處理 器實現的濾波器生成的信號和圖17的EAC生成的經濾波信號的曲線圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面的描述和附圖對本文所公開的系統和方法的環境以及系統和方法的細節提 供了一般理解。在附圖中，相同的附圖標記始終用于表示相同的元件。
[0041] 圖1示出了包括擴展模擬計算機（EAC) 102的信號處理系統100。系統100包括 輸入信號源104、配置成在系統100中進行自適應濾波操作的EAC 102和輸出信號生成器 144。輸入信號源104接收時變電信號。在一個不例中，輸入信號源104是與人類神經系統 中的神經脈沖對應的電信號。然而，輸入信號可以是任何時變電磁信號。在一些實施方式 中，輸入信號源104生成源輸入信號的放大輸出。在一個實施方式中，輸出信號生成器144 是電壓控制電流源（VCCS)。輸出信號生成器在由EAC 102生成的輸出電壓信號的控制下產 生輸出電流。如下所述，在一種配置中，EAC生成了對應于輸入信號源104的噪聲輸入信號 的經濾波電壓信號，并且輸出信號生成器生成了相應的經濾波輸出電流信號。
[0042] EAC 102包括多個模擬采樣以及保持緩沖器108、控制器112、輸入交換機結構 116、模擬處理器120和輸出多路復用器142。采樣以及保持緩沖器生成來自輸入源104的 輸入信號的一系列時延版本。在一系列配置中，采樣以及保持緩沖器108生成多個遞增的 輸入信號的時延版本。并入EAC內的采樣以及保持緩沖器的數量與用于通過EAC 102實現 的濾波器的抽頭的數量有關。例如，當EAC 102配置為具有N個抽頭的濾波器時，EAC使用 總共N-1個采樣以及保持緩沖器，一個采樣以及保持緩沖器用于N-1個延遲信號中的每一 個，而剩余的信號緩沖器則是到濾波器的非延遲輸入。
[0043] 模擬處理器120包括導電材料124、輸入引腳128、電壓傳感器132、電接地面138 和電隔離面140。導電聚合物泡沫124形成圖1中的導電材料，但是也可以使用包括凝膠或 導電性流體的許多其它導電材料。在一個實施方式中，導電材料124具有每米約1西門子 (S/m)的電導率〇。在立方結構中，導電材料124是各向同性導體。亦即，導電材料124的 電導率基本相同而與電流在導電材料124中的流向無關。聚合物泡沫124以通常具有六個 面和預定的寬度（X)、長度（Υ)和高度（Ζ)的立方體形狀形成。在一個實施方式中，聚合物 泡沫124以每個寬度、長度和高度均接近一米的立方體塊形成。
[0044] 導電材料124的電接地面138可以連接至為電子通過導電材料124流到地面136 提供了統一路徑的導電箔、板或其它導體。電接地面138形成電流邊界，這在數學上建模 為紐曼邊界條件。如圖2所示，使電流從電流源128傳播到匯128'的電荷電勢在邊界220 的任一側基本對稱。在現有技術的模擬處理器中，第二引腳128'用作電流的匯。因為EAC 102不測量電流磁通，整條線220代表接地平面，在圖2所示的右手側的電荷電勢基本保持 不變的情況下，電流流到接地。EAC 102測量一個或更多個輸入引腳128周圍的電荷電勢。
[0045] 在簡單的實施方式中，模擬處理器120被實現為在所有面都接地的導電材料124 的表面上或體積內的一組電流源點和電勢檢測點。在圖1的示例中，然而，導電材料124中 的至少一面140與電接地隔離。電隔離（或絕緣）面140可以暴露于空氣或用電絕緣體覆 蓋。如圖3所示，電隔離面140將電流反射回導電材料124。當輸入引腳128定位成靠近于 面140時，反射的輸入信號增大在距輸入引腳預定距離處的輸入引腳周圍的電荷電勢。當 兩個或更多個電隔離面在角落處接合時，電信號的多次反射產生電荷電勢更大的增長。在 一些配置中，由于輸入信號的反射，輸入引腳128或電壓傳感器132定位成接近至少一個電 隔離面140增加了模擬處理器120的效率。
[0046] 在模擬處理器120中，電壓傳感器132定位成靠近導電材料124的絕緣面140。絕 緣面140有效地用作沿著X軸平分一個"虛構的"立方體積的絕緣平面。從正常注入到注入 點流經的表面的任何源的電流密度徑向流向邊界。利用平分所有的輸入/輸出點位于的平 面上的空間的絕緣體將空間分割成兩半來將電流分布平分為兩個空間。兩個空間中每個都 有一半的總電流，但兩個空間中的每個空間內的電流密度和電勢的分布不會改變。這是因 為，沒有任何電流密度在平分面內橫穿過體積。這意味著，利用一半電流保持在每一半的空 間內相同的電勢分布，并且在模擬處理器120內不需要導電材料124的"虛構的"第二半。 對于直線或立方容積導體，沿著X軸、Y軸和Z軸的正交平面對稱地平分空間。如果這些平 面中的每一個都定義為絕緣體，那么導電材料124所需要的體積減小，而不改變空間內的 電流密度分布或電勢分布。
[0047] 由于平分體積的對稱性，在導電材料的立方體124的角落處的電流磁通與位于體 積為導電立方體124的8倍大的立方體積中心處的電流磁通相比實際上沒有變化。在角落 處接合的三個電隔離面140使位于該角落的電壓傳感器132的靈敏度有效地增加到八倍。 沿著立方體124的邊緣定位在兩個電隔離面140之間的電壓傳感器132的有效靈敏度和定 位在靠近一個電隔離面140的電壓傳感器的有效靈敏度分別增加到四倍和二倍。因而，減 少了放大輸入信號的需要，導電材料124可以占據較小的體積，并且EAC 102在操作期間消 耗更少的電能。
[0048] 輸入引腳128在導電泡沫134中以三維網格圖案布置。在圖1中，與一系列堆疊 立方體的頂點相似，輸入引腳128彼此等距離隔開。在可替代實施方式中，輸入引腳128布 置不同，并且不一定等距離隔開。例如，引腳布置在從電壓傳感器132外延伸出的多條徑向 線中。輸入引腳128以靠近電壓傳感器132的更致密的結構布置，并且隨著距電壓傳感器 的距離增加，輸入引腳128以越來越大的間隔隔開。在可替代實施方式中，導電材料124由 導電材料片形成，并且輸入引腳128和電壓傳感器132在片材上以二維結構而不是圖1的 三維結構布置。
[0049] 輸入引腳128中的每一個由導電體--通常是金屬一一形成，具有電連接至輸入 交換機結構116的絕緣電引線。每個輸入引腳的尺寸和形狀影響電流從輸入引腳128輻射 通過導電材料124的方式。在圖4A中，球狀導體304輻射的電流在所有方向相等。球狀導 體304以類似的方式操作無限小的點光源的發射極。在圖4B中，盤狀引腳312發射的電流 在二維平面的所有方向相等。模擬處理器120使用盤狀輸入引腳128。在圖4C中，輸入引 腳316具有圓柱狀。圓柱狀輸入引腳316發射垂直于圓柱體的縱向軸線的電流。在一些三 維模擬處理器中，圓柱狀的輸入引腳基本上沿著模擬處理器中的導電材料的所有的長度、 寬度或高度延伸。
[0050] 在系統100的操作期間，EAC 102內的控制器112有選擇地將輸入信號從采樣以及 保持緩沖器108施加到輸入引腳128。在圖1的實施方式中，控制器112是包括一個或更多 個數字微控制器、中央處理單元、現場可編程門陣列（FPGA)、專用集成電路（ASIC)等的數 字計算機。控制器112利用輸入交換機結構116使輸入信號路由到所選擇的輸入引腳128。 輸入交換機結構116是將每個采樣以及保持緩沖器108的輸出電連接至輸出引腳128中的 一個的機電開關裝置或固態開關裝置。在一些實施方式中，輸入交換機結構116可以同時 將單個輸入信號電連接至多個輸入引腳128。控制器112還選擇電壓傳感器132之一的輸 出以利用輸出多路復用器142輸出到信號生成器144。控制器112還監視電壓傳感器132 中的至少一個的輸出，這可以用于反饋以利用輸入交換機結構116改變所選擇的輸入引腳 128。
[0051] 模擬處理器120不同于在現有EAC中使用的模擬處理器。首先，引腳128只用作 用于輸入信號的輸入端，而不是配置作為輸入端或輸出端。未被選擇用作信號的輸入端的 引腳128配置有高阻抗，并且電壓傳感器132也對電信號呈現出高阻抗。基本上導電材料 124中的所有電信號都通過電接地136而不是通過匯引腳引出。處理器120的另一個區別 在于導電材料124中的至少一面與接地136隔離。例如，在處理器120中，面140未連接至 電接地136。隨著輸入信號傳播通過導電材料，電隔離面往往反射輸入信號的一部分。另一 區別在于，電壓傳感器132參照在導電材料124內產生的電荷電勢流形而不是參照與在源 引腳和匯引腳之間流動的電流對應的電流流形來測量模擬處理器120的輸出。
[0052] 在可替代結構中，導電材料124形成有不均勻的尺寸。例如，導電材料124的高度 可以小于導電材料的長度和寬度以減少EAC的物理尺寸。圖5示出了當長度和寬度保持不 變時，隨著導電材料124的高度的減小，示例性輸入引腳128周圍的電荷電勢的變化。隨著 電各向同性的導電材料的厚度變化，發現圖5的濾波器增益是不同的。各向異性矩陣式補 償了變化。在下面列出的矩陣中描述的修改后的各向異性介質補償了濾波器增益的厚度影 響。這個補償使得能夠使用導電材料的薄片設計濾波器功能。當導電材料124的尺寸不均 勻時，針對立方體形狀，可以形成具有各向異性導電性而不是各向同性導電性的導電材料。 例如，當參考材料的寬度（X)和長度（Y)使導電材料的高度（Z)或厚度改變到t倍時，則導 電材料124分別具有針對X軸、Y軸和Z軸中的每一個的三個電導率值σ χ、％和σζ。總 電導率使用以下等式定義
【權利要求】
1. 一種擴展模擬計算機，包括： 形成有多個面的導電材料，所述多個面中的至少一個與電接地隔離； 接地導體，其電連接至所述導電材料的所述多個面中的另一個； 布置在所述導電材料內的多個導電引腳，所述多個導電引腳中的每一個被配置成將電 流輸入到所述導電材料中；以及 定位在所述導電材料內的至少一個電壓傳感器，所述電壓傳感器被配置成生成電壓信 號，所述電壓信號對應于來自所述多個導電引腳中的每一個的電流在所述導電材料中產生 的電荷電勢。
2. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，其中，所述導電材料是基本上各向同性的 導電體。
3. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，其中，所述導電材料形成有預定的長度、寬 度和高度，并且高度小于長度和寬度。
4. 根據權利要求3所述的擴展模擬計算機，其中，所述導電材料是各向異性的導電體， 與通過所述導電材料的長度和寬度的另外電導率相比，所述各向異性的導電體具有較低的 通過所述導電材料的高度的電導率。
5. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，所述多個導電引腳中的至少一個導電引腳 是圓盤狀。
6. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，所述多個導電引腳中的至少一個導電引腳 是球狀。
7. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，所述多個導電引腳中的至少一個導電引腳 是圓柱狀。
8. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，其中，所述導電材料是具有每米約1西門子 的電導率的導電泡沫。
9. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，所述多個導電引腳在所述導電材料中以相 鄰導電引腳之間基本等距離間隔的方式布置。
10. 根據權利要求9所述的擴展模擬計算機，所述多個導電引腳在所述導電材料中以 基本均勻的三維網格的方式布置。
11. 根據權利要求9所述的擴展模擬計算機，所述多個導電引腳在所述導電材料中以 基本均勻的二維網格的方式布置。
12. 根據權利要求1所述的擴展模擬計算機，還包括： 控制器，其操作地連接至所述多個導電引腳、所述至少一個電壓傳感器和輸入電流源， 所述控制器還配置成： 將所述輸入電流源選擇性地連接至所述多個導電引腳中的至少一個導電引腳； 利用所述至少一個電壓傳感器檢測輸出電壓信號；并且 參考所檢測到的輸出電壓信號生成輸出電信號。
13. 根據權利要求12所述的擴展模擬計算機，其中，所述控制器將電信號的源連接至 所述至少一個導電引腳，以根據所述電信號生成有限輸入響應濾波信號，所述有限輸入響 應濾波信號由所述輸出電壓傳感器檢測。
14. 根據權利要求12所述的擴展模擬計算機，還包括： 電壓電流轉換器，其配置成參考所述輸出電信號的電壓產生另外電輸入電流；并且 所述控制器還配置成： 將所述多個導電引腳中的至少另一引腳選擇性地連接至所述電壓電流轉換器，來接收 其它輸入電流以根據所述電信號生成無限輸入響應濾波信號。
15. 根據權利要求14所述的擴展模擬計算機，所述控制器還配置成： 將輸入電信號的源選擇性地連接至所述多個導電引腳中的至少一個導電引腳； 將所述多個導電引腳中的至少另一引腳選擇性地連接至所述電壓電流轉換器以形成 匹配濾波器； 利用所述匹配濾波器來對所述輸入電信號進行濾波；并且 識別與所述匹配濾波器的形狀對應的輸出電信號中的尖峰。
16. 根據權利要求15所述的擴展模擬計算機，其中，所述輸入電信號是包括單纖維動 作電勢（SFAP)的神經活動的電神經信號，并且所述匹配濾波器匹配所述SFAP中的尖峰。
17. 根據權利要求13所述的擴展模擬計算機，其中，所述電信號是時變電信號。
【文檔編號】G01R19/00GK104272320SQ201380023804
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年3月5日 優先權日:2012年3月5日
【發明者】義田憲, 布賴斯·漢博, 喬少宇, 穆勒·索利曼 申請人:印第安納大學研究與技術公司