Dijital sistem tabanlı programlanabilir memristör emülatör devre tasarımı
Design of a digital system based programmable memristor emulator
Yazar: MUSTAFA ASIM KARA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DİNÇER GÖKCEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Emülatör = Emulator

Özet:
Teorisi 1970'li yıllara dayanan fakat fiziksel uygulaması 2008 yılında HP (Hewlett Packard) mühendisleri tarafından duyurulan memristör, dördüncü temel pasif devre elemanı olarak tanımlanmaktadır. Akı ile yük arasındaki ilişkinin bir devre elemanı ile tanımı ilk olarak memristör ile gerçekleştirilmiştir. Memristörün akım-gerilim karakteristiği incelendiğinde ise doğrusal olmayan bir davranış sergilediği görülmektedir. Diğer bir önemli özelliği ise üzerine uygulanan gerilime göre direnç değerinin değişmesi ve uygulanan gerilim kaldırıldığında bile aldığı son direnç değerini korumasıdır. Fiziksel olarak nano boyutlarda bir cihaz olan memristörün gösterdiği bu özellikler sayesinde, kalıcı hafıza yapıları, nöromorfik devreler, dijital kapılar, kaos devreleri ve osilatör devreleri gibi geniş bir uygulama alanı bulunmaktadır. Memristör araştırmalarının yaygın olarak devam etmesinin yanında üretimsel bazı nedenlerden dolayı ticari olarak kolaylıkla ulaşılabilir seviyede değildir. Bu tez kapsamında HP memristör modelini gerçek ortam uygulamalarında gözlemleyebilmek adına dijital sistem tabanlı memristör emülatör devresi üzerinde çalışılmıştır. Emülatör devresinde mikrodenetleyici ve dijital potansiyometreden oluşan bir yapı kullanılmıştır. Memristör davranışlarını gözlemleyebilmek ve gerçek ortamda yapılacak çalışmalarda test ölçütü olarak kullanabilmek adına memristör emülatörü ilk olarak MATLAB Simulink ortamında tasarlanmıştır. Memristör emülatörü benzetim ortamında fonksiyon bloğu ve potansiyometre elemanı kullanılarak gerçek ortama yakın bir şekilde ele alınmış ve davranışları gözlemlenmiştir. Benzetim çalışmalarını takiben donanım seviyesinde memristör emülatörünün tasarım ve üretimi gerçekleşmiştir. Gerçek ortamda yapılan testlerde memristör emülatörüne farklı sinyal girişleri uygulanmış ve benzetim ortamından alınan sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Tasarlanan emülatör devresi daha sonra memristör tabanlı kare dalga osilatörü devresinde kullanılmıştır. Sonuç olarak, çalışmalar tasarlanan programlanabilir memristör emülatörünün gerçek zamanlı uygulamalarda başarıyla çalıştığını göstermektedir.

Abstract:
The theory of memristor dates back to the 1970s, but its first physical application was announced by HP (Hewlett Packard) engineers in 2008. Memristor is widely defined as the fourth basic passive circuit element since it realizes the relationship between the flux and the charge. Memristor exhibits non-linear behavior when its current-voltage characteristic is examined. Another crucial feature is that the resistance value changes according to the applied voltage and maintains the last resistance value even if the applied voltage is removed. Thanks to these features of the memristor, which is a physically nano-sized device, it has a wide range of applications such as non-volatile memory structures, neuromorphic circuits, digital gates, chaos circuits and oscillator circuits. Besides HP's announcement of memristor, COTS products are limited due to some manufacturing issues. In this thesis, a digital system based memristor emulator circuit is studied in order to observe HP memristor model in real-time applications. A structure consisting of a microcontroller and a digital potentiometer is used in the emulator circuit. Memristor emulator is first designed in MATLAB Simulink in order to observe memristor behavior and use it as a test criterion in hardware-based studies. Following the simulations, the emulator is designed at the hardware level. In hardware-based tests, different signal inputs are applied to the memristor emulator and compared with the results obtained from the simulation environment. The designed emulator circuit is then used in a memristor-based square wave oscillator. Eventually, the studies show that the designed programmable memristor emulator functions successfully.