CN111327286A - 一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，所述基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器包括串联电阻模块、电荷采样模块和舵机控制模块，所述串联电阻模块包括串联的定值电阻和可控电阻，所述电荷采样模块采样定值电阻上的电信号，对采样得到的电信号进行处理得到流经串联电阻模块的电荷总量，输出到舵机控制模块，所述舵机控制模块控制可控电阻阻值变化，实现串联电阻模块总阻值的调节。本发明技术方案相比于现有技术的忆阻器，调整更灵活，功率更大，便于进行市场化和商用化。

Description

一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器
技术领域
本申请属于电子材料与器件技术领域，尤其涉及一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器。
背景技术
忆阻器作为一种有记忆功能的非线性电阻，带来了电子电路的结构体系、原理、设计理论的巨大变革，是继电阻、电容、电感之后的第四种无源基本电路元件，为电子技术中的存储功能的进一步提高提供了基础。忆阻器也将在计算机领域发挥作用，可被用于制作下一代存储器、制作神经网络计算机等。同时，忆阻器在生物工程等领域也具有广泛的应用领域和广阔的发展前景，可模拟巴普洛夫条件反射实验、制作等效电路模仿阿米巴虫实验等。
研究忆阻器的设计与实现，将对现代科学技术产生深远影响。忆阻器分为两种，荷控忆阻器和磁控忆阻器。其中磁控忆阻器的等效电路的实现较为容易，目前磁控忆阻器的文献报道已有许多。与磁控忆阻器相比，荷控忆阻器更贴近于物理器件，具有更为实际的研究价值。然而，在目前对于荷控忆阻器的研究成果的报道中，有些基于半导体材料设计的忆阻器功率较小，记忆特性不容易控制，尚未实现市场化、商用化。
发明内容
本申请的目的是提供一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，用以克服背景技术中现有忆阻器功率较小，记忆特性不容易控制等问题。
为了实现上述目的，本申请技术方案如下：
一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，所述基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器包括串联电阻模块、电荷采样模块和舵机控制模块，所述串联电阻模块包括串联的定值电阻和可控电阻，所述电荷采样模块采样定值电阻上的电信号，对采样得到的电信号进行处理得到流经串联电阻模块的电荷总量，输出到舵机控制模块，所述舵机控制模块控制可控电阻阻值变化，实现串联电阻模块总阻值的调节。
进一步的，所述舵机控制模块包括微处理器和舵机，所述微处理器接收电荷采样模块的输出信号，控制所述舵机转动，所述舵机转动带动可控电阻动作，调节可控电阻的阻值。
进一步的，所述电荷采样模块包括积分电路、放大抬升电路和反向放大电路，所述积分电路对采样的电信号进行积分处理，然后经过放大抬升电路和反向放大电路输出至舵机控制模块。
进一步的，所述积分电路包括一运算放大器，所述运算放大器的输入信号经过第一电阻接入到输入端，所述第一电阻与运算放大的输出端之间设置有第一电容。
本申请提出的一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，相比于现有技术的忆阻器，调整更灵活，功率更大，便于进行市场化和商用化。现有大多忆阻器的阻值取值是离散的，而本申请提出的忆阻器的阻值控制部分采用滑动变阻器，使其可以实现阻值的连续调节，适应更多电路的工作需求。本申请技术方案不同于以往研究中提出的忆阻器所能承受的几微瓦的功率值，本申请所提出的忆阻器中，滑动变阻器可以承受几瓦～几十瓦的功率。较大的工作功率，使其能够应用于更多大功率的电路中，具有更加广泛的应用领域。本申请技术方案与现有的忆阻器相比，本申请提出的忆阻器的阻值调解更为灵活，使其更加接近一个实际的忆阻器，便于投入实际应用且利于其市场化、商用化。
附图说明
图1为本申请基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器电路结构框图；
图2为本申请实施例微处理器外围电路示意图；
图3为本申请实施例积分电路示意图；
图4为本申请实施例放大抬升电路示意图；
图5为本申请实施例反向放大电路示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在电子材料与器件技术领域中，忆阻器原理可用如下公式表述：
M＝Rfix+Radj＝Rfix+k∫i(t)dt
根据上述可知，忆阻器的电阻值M由定值电阻Rfix和受电荷控制的可控电阻Radj构成，其计算公式如上，电荷由电流i(t)积分得到，其中k为计算参数。
本申请基于以上原理，提出的一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，其电路框图如图1所示，所述基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器包括串联电阻模块、电荷采样模块和舵机控制模块，所述串联电阻模块包括串联的定值电阻Rfix和可控电阻Radj，所述电荷采样模块采样定值电阻Rfix上的电信号，对采样得到的电信号进行处理得到流经串联电阻模块的电荷总量，输出到舵机控制模块，所述舵机控制模块控制可控电阻Radj阻值变化，实现串联电阻模块总阻值的调节。
如图1所示，本实施例串联电阻模块包括串联的定值电阻Rfix和可控电阻Radj，定值电阻Rfix同时也作为采样电阻，采样定值电阻Rfix上面的电压(可换算成等效电流)，经过电荷采样模块后，其信号等效为流过串联电阻模块的电荷。
电荷采样模块输出的信号送到舵机控制模块，舵机控制模块控制可控电阻阻值变化，实现串联电阻模块总阻值的调节。
在一个实施例中，所述舵机控制模块包括微处理器和舵机，所述微处理器接收电荷采样模块的输出信号，控制所述舵机转动，所述舵机转动带动可控电阻Radj动作，调节可控电阻Radj的阻值。
本实施例可控电阻Radj为滑线可变电阻，或旋转式可变电阻，通过调节其滑动触点的位置来改变电阻值的大小，本实施例舵机转动，同时带动滑动触点移动，实现可控电阻Radj的阻值调节。从而完成对电路总电阻的控制和调节，模拟出荷控忆阻器的功能。模拟出的忆阻器的最小阻值Rmin等于Rfix，最大阻值Rmax等于Rfix+Radj，等效忆阻器的值在Rfix至Rfix+Radj范围内变化。
本实施例微处理器选用STM32F103，其功能强大，资源丰富，并且内嵌了众多硬件外设，如12位的模数转换器，DMA控制器，相机接口，LCD控制接口，系统管理单元，8个16位定时器，2个I2C接口，3个USART接口等等。本申请微处理器及其外围电路如图2所示。除本实施例外，亦可采用STM32F2系列、STM32F4系列、STM32F7系列等其他拥有相似功能的微处理器。
在一个实施例中，本申请电荷采样模块包括积分电路、放大抬升电路和反向放大电路，所述积分电路对采样的电信号进行积分处理，然后经过放大抬升电路和反向放大电路输出至舵机控制模块。
其中，积分电路用于对采样的电信号进行硬件电路积分运算，从而将电流转换成电荷，电路如图3所示。采用运算放大器TL082芯片设计，所述积分电路包括一运算放大器，所述运算放大器的输入信号经过第一电阻R6接入到输入端，所述第一电阻R6与运算放大的输出端之间设置有第一电容C2。将原本输入的正弦信号相位移动π/2个单位，完成积分变换，其积分公式为：
Figure BDA0002401666040000041
本实施例上述公式中，R为第一电阻R6的阻值，C为第一电容C2的容值，Vin_B为输入电信号，Vo1为输出电荷信号。输出值由公式可知为负值，信号比较弱小，需要下级电路进行放大和抬升。
本实施例放大抬升电路如图4所示，其功能是将积分电路输出信号进行放大和抬升，同样采用TL082芯片设计，放大抬升计算公式如下：
Figure BDA0002401666040000042
根据公式原理，例如取R1＝4kΩ，R2＝4kΩ，R3＝1kΩ可以得到：
Figure BDA0002401666040000043
信号经过该级处理后，结果为反向输出，需要进行反向放大。
本实施例反向放大电路如图5所示，其计算公式如下：
Figure BDA0002401666040000044
例如，取R4＝1kΩ，R5＝2kΩ，则有：
Vout＝-2Vo2
经过放大抬升电路和反向放大电路处理后，最终输出电压满足微处理器A/D转换要求。
需要说明的是，本申请放大抬升电路、反向放大电路可以共用一个运算放大器TL082芯片，采用不同的管脚，这样可以节约一块芯片，降低成本。
本申请基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器工作原理如下：上电后，微处理器对ADC通道PA1引脚和PWM通道PA8引脚进行初始化，ADC通道PA1引脚输入电荷采样模块输出的信号，由于该信号经过了积分，所以可以等效为忆阻器电荷值，将该值对应到滑阻值，换算出PWM信号占空比，然后输出PWM信号，从而控制舵机转动，改变忆阻器电阻值。
本申请基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，通过实验测试，具有理想忆阻器必须的特性，具体测试结果如下：
1、伏安特性测试。
在忆阻器两端接入正弦信号(电压1.5V，频率0.362Hz)，测试发现其电压电流滞回曲线呈现出忆阻器特有的8字型形状。符合理想忆阻器的伏安特性。
2、记忆特性测试。
掉电记忆特性作为忆阻器最重要的特性之一，使其在众多领域中有巨大的应用潜能。本次测试分成二步：正向电压测试和反向电压测试。
正向电压测试：忆阻器在其两端为正向电压时阻值会逐渐变小，但是在电压为0时阻值保持不变。因此在掉电记忆特性测试中可以使用正向脉冲信号作为输入激励。因为该脉冲信号的每个周期由高电平和低电平0V组成。那么在高电平时观察忆阻器是否在逐渐变小，而低电平时保持不变，即观察忆阻器在相邻脉冲的下降沿和上升沿处的电阻是否相等。
测试时，忆阻器模型电路两端输入幅值1.5V，占空比80％，频率为70Hz的脉冲激励信号，示波器1通道接忆阻器两端电压UA，示波器2通道测采样电阻电压UB，可等效为忆阻器的阻值，测试结果显示输入正电压脉冲时，忆阻值在逐渐减小，相邻脉冲的上升沿和下降沿处阻值相同，符合理想忆阻器的记忆特性。
反向电压测试：忆阻器在其两端为负向电压时阻值会逐渐变大，但是在电压为0时阻值保持不变。因此在掉电记忆特性测试中可以使用负向脉冲信号作为输入激励。因为该脉冲信号的每个周期由负电平和0V组成。那么在负电平时观察忆阻器是否在逐渐变大，而0电平时保持不变，即观察忆阻器在相邻脉冲的下降沿和上升沿处的电阻是否相等。
测试时，忆阻器模型电路两端输入幅值1.5V，占空比80％，频率为70Hz的负向脉冲激励信号，示波器1通道接忆阻器两端电压UA，示波器2通道测采样电阻电压UB，可等效为忆阻器的阻值，测试结果显示输入负电压脉冲时，忆阻值在逐渐增大，相邻脉冲的上升沿和下降沿处阻值相同，符合理想忆阻器的记忆特性。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，其特征在于，所述基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器包括串联电阻模块、电荷采样模块和舵机控制模块，所述串联电阻模块包括串联的定值电阻和可控电阻，所述电荷采样模块采样定值电阻上的电信号，对采样得到的电信号进行处理得到流经串联电阻模块的电荷总量，输出到舵机控制模块，所述舵机控制模块控制可控电阻阻值变化，实现串联电阻模块总阻值的调节。
2.根据权利要求1所述的基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，其特征在于，所述舵机控制模块包括微处理器和舵机，所述微处理器接收电荷采样模块的输出信号，控制所述舵机转动，所述舵机转动带动可控电阻动作，调节可控电阻的阻值。
3.根据权利要求1所述的基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，其特征在于，所述电荷采样模块包括积分电路、放大抬升电路和反向放大电路，所述积分电路对采样的电信号进行积分处理，然后经过放大抬升电路和反向放大电路输出至舵机控制模块。
4.根据权利要求3所述的基于硬件积分控制的机械式荷控忆阻器，其特征在于，所述积分电路包括一运算放大器，所述运算放大器的输入信号经过第一电阻接入到输入端，所述第一电阻与运算放大的输出端之间设置有第一电容。
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