УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙРОПОДОБНЫХ КОЛЕБАНИЙ С ВОЗБУДИМЫМ И АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫМ РЕЖИМАМИ И ПРИНЦИП ЕГО РАБОТЫ
DEVICE FOR GENERATING NEURAL-LIKE OSCILLATIONS WITH EXCITABLE AND SELF-OSCILLATING MODES AND THE PRINCIPLE OF ITS OPERATION

Краткое описание технологии
В работах по изучению нейронных сетей показано, что нейроны связаны через синапсы с помощью импульсных сигналов, которые действуют через некоторое время после возбуждения тела нейрона. А сети, состоящие из таких нейронов, обычно используют разные возбуждающие и ингибирующие синапсы с соответствующими нейротрансмиттерами. Поэтому, используя знания о базовых принципах работы нейронов и их сетей, стало возможным применять осцилляторы в качестве нейроподобных элементов и использовать их при построении искусственных нейронных сетей. На данный момент такие сети широко изучаются как теоретически, так и экспериментально в связи с их важностью для понимания нейронных сетей мозга
Генераторы нейроподобных колебаний, реализованные в виде аналоговых электронных устройств, продолжают сохранять актуальное значение в группе указанных генераторов, выполненных на цифровой, аналоговой и смешанной основе в связи со спецификой эксплуатационных свойств, присущих рассматриваемому в настоящей заявке виду генераторов и заключающихся в повышенной эффективности (более высокой производительности) аналоговых генераторов, объединенных в сетевые ансамбли (см. статью на англ. яз. автора Indiveri G. «Siliconneurons».- Scholarpedia. 2008, V. 3, №3. p. 1887).
№158122
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (RU), недостатком данной полезной модели является то, невозможность реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы.
Известен патент на полезную модель , заявка: 2015124651/08,  дата приоритета 23.06.2015, патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "
Структура устройства для генерации нейроподобных колебаний с возбудимым и автоколебательным режимом включает в себя 4 основных функциональных блока: блок опорного генератора (I), блок фазового дискриминатора (II), блок генератора, управляемого напряжением (III) и блок фильтрации (IV).
В основе устройства лежит принцип работы системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с полосовым RC-CR фильтром. Применение такого типа фильтра позволяет получить в системе колебания различной сложности, качественно похожие на динамику мембранного потенциала биологического нейрона.
Основной отличительной особенность данного устройства является применение в цепи RC-CR фильтра дополнительной петли управления, что в свою очередь позволяет реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы ФАПЧ с полосовым фильтром. На фиг.1 Функциональная схема устройства для генерации нейроподобных колебаний с возбудимым и автоколебательным режимом.
Устройство для генерации нейроподобныхколебаний  представляет собой: блок опорного генератора (I),
блок фазового дискриминатора (II
,
блок генератора, управляемого напряжением (III),
блок фильтрации (IV),
основная функциональная задача которого генерация опорного сигнала определенной частоты для работы системы фазовой автоподстройки, а также, трансляция этого сигнала на первый вход фазового дискриминатора. Данный блок представляется собой генератор прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды и имеет возможность точной подстройки частоты путем изменения его параметров. Кроме того, данный генератор имеет стабилизацию частоты, что позволяет сохранить частотные параметры устройства в заданных пределах в случае теплового или шумового воздействия. Перестройка по частоте необходима для управления режимами генерации системы. Второй блок - )основная функциональная задача данного блока генерация сигнала мгновенной разности фаз опорного генератора и генератора, управляемого напряжением, а также дальнейшая трансляция этого сигнала на вход блока фильтрации. Данный блок построен на основе стандартного элемента базовой логики «исключающее ИЛИ» и имеет два сравнительных входа. Такой элемент был выбран за основу данного блока в связи с тем, что он работает по схеме вычисления исключающей разности между двумя сигналами разных логических уровней, позволяющей получить информацию о разности фаз двух сравниваемых сигналов прямоугольной формы, поступающих на его входы. Следующий блок - основная функциональная задача данного блока генерация сигнала прямоугольной формы с фиксированной амплитудой и частотой на прямую зависящей от амплитуды напряжения на его управляющем входе, а также трансляция данного сигнала на второй вход фазового дискриминатора.Данный блок построен на базе стандартного RC генератора, управляемого напряжением. Данный генератор имеет возможность настройки центральной частоты генерации, путем установки верхнего и нижнего порога частоты генерации. Кроме того, генератор имеет линейную характеристику управляющего сигнала с отрицательным наклоном, что в свою очередь позволяет организовать корректную работу системы ФАПЧ.Данный генератор был выбран за основу этого блока в связиспростотой проектирования на базе него устройства для генерации нейроподобных колебаний. А также устройство включает в себя  представляющий собой специализированный фильтр, построенный на базе полосового фильтра второгопорядка и имеющий возможность автоматического управления параметром пропускания в зависимости от проходящего через него сигнала. Данный блок предназначен для преобразования гармонического сигнала управления, поступающего с выхода фазового дискриминатора, к виду колебаний специальной формы, поступающих на вход генератора, управляемого напряжением, необходимых для корректной работы всего устройства.Функциональная схема блока фильтрации представлена на фиг. 2. Она включает в себя 8 основных функциональных блоков: 4 блока буферных усилителей А1-А4, блок фильтра нижних частот 6, блок фильтра верхних частот 7, блок равноценного смесителя 8, блок электронного ключа с триггерным управлением 5 и 9.
Блоки буферных усилителей предназначены для согласования по импедансу остальных блоков функциональной схемы фильтра, а также, для приведения среднего уровня сигнала к уровню необходимому для корректной работы устройства. блоки фильтров нижних и верхних частот образуют полосой фильтр первого порядка, который необходим для приведения сигнала управления к виду необходимому для корректной работы устройства.
Блок электронного ключа с триггерным управлением необходим для создания обхода блока фильтра верхних частот и создания возможности подмешивания постоянной составляющей сигнала управления на выход блока фильтра.
Блок равноценного смесителя необходим для выполнения операции равного смешивания сигала с выхода фильтра верхних частот и сигнала с выхода блока электронного ключа.
Принцип работы блока фильтрации заключается в следующем: на вход 10 функциональной схемы (фигура 2) поступает гармонический сигнал частотной расстройки с выхода фазового дискриминатора, далее данный сигнал проходит через буферный усилитель A1 в котором происходит развязка по импедансу выхода ФД от входа фильтра нижних частот, что позволяет снизить общий уровень шума и время переходных процессов в системе. С выхода A1 сигнал поступает на вход фильтра нижних частот 6, в котором происходит отсечение высокочастотной составляющей сигнала, а также его сглаживание. Блок 6 имеет возможность перестройки по частоте, что в свою очередь позволяет менять частотный диапазон пропускания фильтра и степень сглаживания сигнала. С выхода 6 сигнал поступает на вход второго буферного усилителя A2, который необходим для ограничения влияния работы фильтра нижних частот на фильтр верхних, что в свою очередь позволяет не допустить возникновения обратной волны в следствии высокого выходного сопротивления 6 и низкого входного сопротивления 7, тем самым повысить общую стабильность схемы во время работы. Далее сигнал с выхода A2 поступает на вход фильтра верхних частот 7, а также параллельно на цепь управления триггера электронного ключа и на входную контактную группу самого электронного ключа. При прохождении сигнала через 7 происходит отсечение низкочастотной и постоянной составляющей, тем самым формируется необходимый сигнал управления для корректной работы устройства в режиме генерации. Блок 7 имеет возможность перестройки по частоте, что в свою очередь позволяет менять частотный диапазон пропускания фильтра. При прохождении сигнала через цепь управления от A4 к 5, происходит его сравнение с установленным в триггере Шмитта5 верхним порогом и в случае превышения порога триггер переходит из состояния логического «0» в состояние логической «1», тем самым замыкая электронный ключ 9. В этом случае сигнал с выхода A2 проходит не только через фильтр 7, но и в обход, пропуская низкочастотную и постоянную составляющую, тем самым формируя необходимый сигнал управления для корректной работы устройства в режиме синхронизации. Если 5 изначально находился в состоянии логической «1», то происходит сравнение сигнала с выхода буферного усилителя A2 с нижним порогом переключения. В случае пересечения сигналом этого порога происходит переключения 5 из состояния логической «1» в логический «0» и электронный ключ размыкается, а сигнал проходит только через цепь фильтра верхних частот. С выхода фильтра 7 и электронного ключа 9 сигнал поступает на равноценные входы смесителя 8, где происходит окончательное формирование сигнала управления для реализации, как режима генерации, так и режима синхронизации. С выхода 8 сигнал поступает на буферный усилитель A3, который выполняет задачу согласования выхода блока фильтрации и управляющего входа генератора, управляемого напряжением. С выхода A3 сигнал управления через выход блока фильтрации 11 поступает на вход генератора, управляемого напряжением.