RU2794549C1

RU2794549C1 - Device for generating neural-like oscillations with excitable and self-oscillating modes and the principle of its operation

Info

Publication number: RU2794549C1
Application number: RU2021136583A
Authority: RU
Inventors: Денис Иванович Большаков; Михаил Андреевич Мищенко; Валерий Владимирович Матросов
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-04-21

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering and nonlinear dynamics. It can be used in radio engineering devices and communication systems. In addition, it can be used for research in the field of neurodynamics and the creation of neural-like computing systems. To do this, the device is based on the principle of operation of a phase-locked loop (PLL) system with a RC-CR band-pass filter. The use of this type of filter makes it possible to obtain vibrations of varying complexity in the system, qualitatively similar to the dynamics of the membrane potential of a biological neuron. The main distinguishing feature of this device is the use of an additional control loop in the RC-CR filter circuit, which in turn makes it possible to implement an excitable mode while maintaining the main dynamics of the system.

EFFECT: providing the possibility to implement an excitable mode while maintaining the basic dynamics of the phase–locked loop (PLL) system with a bandpass filter.

4 cl, 2 dwg

Description

Краткое описание технологииBrief description of technology

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 Works on the study of neural networks have shown that neurons are connected through synapses using impulse signals that act some time after excitation of the neuron body. And networks made up of such neurons usually use different excitatory and inhibitory synapses with the appropriate neurotransmitters. Therefore, using knowledge about the basic principles of the operation of neurons and their networks, it became possible to use oscillators as neuron-like elements and use them in the construction of artificial neural networks. At the moment, such networks are widely studied both theoretically and experimentally due to their importance for understanding the neural networks of the brain.

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).The generators of neuron-like oscillations, implemented in the form of analog electronic devices, continue to remain relevant in the group of these generators, made on a digital, analog and mixed basis due to the specifics of the operational properties inherent in the type of generators considered in this application and consisting in increased efficiency (higher performance) of analog generators combined into network ensembles (see the article in English by the author Indiveri G. "Siliconneurons". - Scholarpedia. 2008, V. 3, No. 3. p. 1887).

Известен патент на полезную модель №158122, заявка: 2015124651/08, дата приоритета 23.06.2015, патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (RU), недостатком данной полезной модели является то, невозможность реализовать возбудимый режим при сохранении основной динамики системы. A patent for utility model No. 158122 is known, application: 2015124651/08, priority date 06/23/2015, patent holder: Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education " Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod" (RU), the disadvantage of this utility model is then, the impossibility to realize the excitable mode while maintaining the basic dynamics of the system.

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).The structure of the device for generating neuron-like oscillations with an excitable and self-oscillatory mode includes 4 main functional blocks: a reference oscillator block (I), a phase discriminator block (II), a voltage-controlled generator block (III) and a filtering block (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.The device is based on the principle of operation of a phase-locked loop (PLL) system with a band-pass RC-CR filter. The use of this type of filter makes it possible to obtain oscillations of varying complexity in the system, qualitatively similar to the dynamics of the membrane potential of a biological neuron.

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.The main distinguishing feature of this device is the use of an additional control loop in the RC-CR filter circuit, which in turn makes it possible to implement the excitable mode while maintaining the main dynamics of the PLL system with a bandpass filter. Figure 1 Functional diagram of a device for generating neuron-like oscillations with excitable and self-oscillatory mode.

Устройство для генерации нейроподобныхколебаний представляет собой: блок опорного генератора (I), 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 - блок фазового дискриминатора (II), 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 - блок генератора, управляемого напряжением (III), 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 блок фильтрации (IV), 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. The device for generating neuron-like oscillations is: a reference oscillator unit (I), the main functional task of which is the generation of a reference signal of a certain frequency for the operation of the phase locked loop system, as well as the translation of this signal to the first input of the phase discriminator. This block is a generator of rectangular pulses of fixed amplitude and has the ability to fine-tune the frequency by changing its parameters. In addition, this generator has frequency stabilization, which allows you to keep the frequency parameters of the device within the specified limits in case of thermal or noise exposure. Frequency tuning is necessary to control the generation modes of the system. The second block is the phase discriminator block ( II ) , the main functional task of this block is to generate a signal of the instantaneous phase difference of the reference oscillator and the voltage-controlled generator, as well as further transmission of this signal to the input of the filtering block. This block is built on the basis of a standard element of the basic logic "exclusive OR" and has two comparative inputs. Such an element was chosen as the basis of this block due to the fact that it works according to the scheme for calculating the exclusive difference between two signals of different logical levels, which makes it possible to obtain information about the phase difference of two compared rectangular signals entering its inputs. The next block is a block of a voltage-controlled generator (III), the main functional task of this block is to generate a rectangular signal with a fixed amplitude and frequency directly dependent on the voltage amplitude at its control input, as well as broadcast this signal to the second input of the phase discriminator. This block built around a standard RC voltage controlled oscillator. This generator has the ability to adjust the central generation frequency by setting the upper and lower thresholds for the generation frequency. In addition, the generator has a linear characteristic of the control signal with a negative slope, which in turn allows you to organize the correct operation of the PLL system. This generator was chosen as the basis for this block due to the ease of designing a device for generating neuron-like oscillations based on it. The device also includes a filtering unit (IV), which is a specialized filter built on the basis of a second-order band-pass filter and having the ability to automatically control the transmission parameter depending on the signal passing through it. This block is designed to convert the harmonic control signal coming from the output of the phase discriminator to the type of oscillations of a special shape, coming to the input of the voltage-controlled generator, necessary for the correct operation of the entire device. The functional diagram of the filtering unit is shown in Fig. 2. It includes 8 main functional blocks: 4 blocks of buffer amplifiers A1-A4, a low-pass filter block 6, a high-pass filter block 7, an equal mixer block 8, a trigger electronic key block 5 and 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. Blocks of buffer amplifiers are designed to match the impedance of the remaining blocks of the filter's functional circuit, as well as to bring the average signal level to the level necessary for the correct operation of the device. blocks of filters of low and high frequencies form a first-order bandpass filter, which is necessary to bring the control signal to the form necessary for the correct operation of the device.

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. An electronic key block with trigger control is necessary to create a bypass of the high-pass filter block and create the possibility of mixing the constant component of the control signal to the output of the filter block.

Блок равноценного смесителя необходим для выполнения операции равного смешивания сигала с выхода фильтра верхних частот и сигнала с выхода блока электронного ключа.The equivalent mixer block is required to perform the operation of equal mixing of the signal from the output of the high-pass filter and the signal from the output of the electronic key block.

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.The principle of operation of the filtering unit is as follows: the input 10 of the functional circuit (figure 2) receives a harmonic signal of frequency detuning from the output of the phase discriminator, then this signal passes through the buffer amplifier A1 in which the output of the PD is decoupled by the impedance from the input of the low-pass filter, which allows you to reduce the overall noise level and the time of transients in the system. From the output A1, the signal is fed to the input of the low-pass filter 6, in which the high-frequency component of the signal is cut off, as well as its smoothing. Block 6 has the ability to tune in frequency, which in turn allows you to change the frequency range of the filter and the degree of signal smoothing. From output 6, the signal is fed to the input of the second buffer amplifier A2, which is necessary to limit the influence of the low-pass filter on the high-pass filter, which in turn prevents the occurrence of a reverse wave due to high output impedance 6 and low input impedance 7, thereby increasing overall stability of the circuit during operation. Further, the signal from the output A2 is fed to the input of the high-pass filter 7, as well as in parallel to the control circuit of the trigger of the electronic key and to the input contact group of the electronic key itself. When the signal passes through 7, the low-frequency and constant components are cut off, thereby forming the necessary control signal for the correct operation of the device in the generation mode. Block 7 has the ability to tune in frequency, which in turn allows you to change the frequency range of the filter. When the signal passes through the control circuit from A4 to 5, it is compared with the upper threshold set in the Schmitt trigger 5, and if the threshold is exceeded, the trigger switches from the state of logical "0" to the state of logical "1", thereby closing the electronic switch 9. In this In this case, the signal from output A2 passes not only through filter 7, but also bypasses it, passing the low-frequency and constant components, thereby forming the necessary control signal for the correct operation of the device in synchronization mode. If 5 was initially in the state of logical "1", then the signal from the output of the buffer amplifier A2 is compared with the lower switching threshold. If the signal crosses this threshold, 5 switches from the state of logical "1" to logical "0" and the electronic key opens, and the signal passes only through the high-pass filter circuit. From the output of the filter 7 and the electronic key 9, the signal is fed to the equivalent inputs of the mixer 8, where the final formation of the control signal for the implementation of both the generation mode and the synchronization mode takes place. From output 8, the signal is fed to buffer amplifier A3, which performs the task of matching the output of the filtering unit and the control input of the voltage-controlled generator. From the output A3, the control signal through the output of the filtering unit 11 is fed to the input of the voltage-controlled generator.

Claims

1. The generator of neuron-like oscillations, made on the basis of analog formation and generation of impulse self-oscillations with their shape and frequency characteristics of their alternation, simulating the oscillatory dynamics of neurons, the proposed generator contains: a reference oscillator unit that allows you to accurately adjust the frequencies by changing its parameters and stabilize the frequencies; a phase discriminator block that performs the task of generating a signal of the instantaneous phase difference of the reference oscillator and the generator that controls the voltage and transmits this signal to the input of the filtering unit, the specified filtering unit includes a first buffer amplifier A1, a low-pass filter, a second buffer amplifier A2, and a high-pass filter connected in series , mixer unit, the third buffer amplifier A3, the output of which is the output of the filter and is connected to the input of the voltage-controlled generator unit, while the input of the first buffer amplifier A1 is the input of the filter, the output of the second buffer amplifier A2 is connected to the input of the fourth buffer amplifier A4, the output of which connected to the Schmitt trigger, the output of which is connected to the mixer unit through the key, while the key is also connected to the output of the second buffer amplifier A2, the voltage-controlled oscillator unit, which performs the task of generating a rectangular signal with a fixed amplitude and a frequency that directly depends on the voltage amplitude at the its control input and translation of this signal to the second input of the phase discriminator, characterized in that the use of an additional control loop in the RC-CR filter circuit makes it possible to implement an excitable mode while maintaining the main dynamics of the system.

2. The generator of neuron-like oscillations according to claim 1, characterized in that the filtering unit is a filter built on the basis of a second-order band-pass filter.

3. The generator of neuron-like oscillations according to claim 1, characterized in that the filtering unit is characterized by the ability to automatically control the transmission parameter depending on the signal passing through it and is designed to convert the harmonic control signal coming from the output of the phase discriminator to the input of the voltage-controlled generator .

4. The generator of neuron-like oscillations according to claim 1, characterized in that the reference oscillator block allows you to keep the frequency parameters of the device within the specified limits in the event of thermal or noise exposure.