擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)包括具有多個(gè)面的導(dǎo)電材料。所述面中的至少一個(gè)與電接地隔離，并且至少一個(gè)另外面電接地。多個(gè)導(dǎo)電引腳布置在導(dǎo)電體內(nèi)。至少一個(gè)電壓傳感器布置在導(dǎo)電體內(nèi)靠近與電接地隔離的至少一個(gè)面。
【專利說明】擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)設(shè)備
[0001] 優(yōu)先權(quán)申明
[0002] 本申請要求2012年3月5日提交的題為"Extended Analog Computer Apparatus (擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)設(shè)備）"的美國臨時(shí)專利申請第61/606, 741號的優(yōu)先權(quán)。本申 請還要求2012年8月6日提交的題為"Extended Analog Computer Apparatus (擴(kuò)展模擬 計(jì)算機(jī)設(shè)備）"的美國臨時(shí)專利申請第61/680, 077號的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本公開總體涉及計(jì)算設(shè)備，更具體地涉及擴(kuò)展模擬計(jì)算設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0004] 現(xiàn)代社會(huì)中，計(jì)算機(jī)用于各種各樣的應(yīng)用。在行話中，術(shù)語"計(jì)算機(jī)"已與數(shù)字計(jì)算 機(jī)同義。數(shù)字計(jì)算機(jī)對離散數(shù)據(jù)（通常為二進(jìn)制數(shù)據(jù)）執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，并且產(chǎn)生離散輸出。 二進(jìn)制數(shù)據(jù)由多個(gè)"位"形成，所述"位"可以取通常表示為通/斷（on/off)或數(shù)值"1"和 "〇"的兩個(gè)值中的一個(gè)。數(shù)字計(jì)算機(jī)在算法上使用軟件處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以使得單一數(shù)字 計(jì)算設(shè)備能夠執(zhí)行各種基于不同的算法的計(jì)算。數(shù)字計(jì)算機(jī)可以使用各種形式的數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)字計(jì)算機(jī)眾所周知，但是計(jì)算機(jī)不一定是數(shù)字計(jì)算機(jī)。在更廣泛的定義中， 術(shù)語"計(jì)算機(jī)"指的是可以重新配置以解決多個(gè)問題的任何物理對象。亦即，計(jì)算機(jī)可以對 于許多不同的"問題"產(chǎn)生"答案"。數(shù)字計(jì)算機(jī)使用一種或更多種算法產(chǎn)生問題的答案，算 法是最終產(chǎn)生問題的答案的一系列單獨(dú)計(jì)算。模擬計(jì)算機(jī)是另一種類型的計(jì)算機(jī)，其在物 理上配置成基于特定的輸入而不使用數(shù)字計(jì)算機(jī)一步一步的算法產(chǎn)生"答案"。在模擬計(jì)算 機(jī)的一個(gè)已知的例子中，運(yùn)算放大器（OpAmp)配置在電路中使用兩個(gè)輸入電壓產(chǎn)生輸出電 壓。輸出電壓表示簡單計(jì)算如兩個(gè)輸入電壓的加、減或乘的"答案"。在數(shù)字計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù) 的離散值進(jìn)行操作時(shí)，模擬OpAmp理論上可以接受OpAmp電路的實(shí)際工作范圍內(nèi)無限數(shù)量 的不同的電壓電平。在示例模擬計(jì)算機(jī)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(shè)備）確定問題的答案。模擬計(jì)算機(jī)的重新配置可以產(chǎn)生不同問 題的答案。
[0006] 數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。經(jīng)典的數(shù)字計(jì)算機(jī)通過加載軟件并且 執(zhí)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(shù)字計(jì)算機(jī)某些類型的 問題難以在合理的時(shí)間量內(nèi)來解決。例如，用包括偏微分方程和常微分方程的復(fù)雜的數(shù)學(xué) 公式建模的物理仿真。復(fù)雜的仿真通常可以包括隨機(jī)元素，其基于本質(zhì)上觀察的隨機(jī)性以 隨機(jī)過程建模。盡管數(shù)字計(jì)算機(jī)可以在算法上進(jìn)行仿真，但是包括大量個(gè)人數(shù)字計(jì)算機(jī)共 同運(yùn)行的數(shù)字計(jì)算機(jī)，甚至超級計(jì)算機(jī)的性能在模擬某些現(xiàn)象時(shí)往往無效。在一些情況下， 模擬計(jì)算機(jī)可以比數(shù)字計(jì)算機(jī)更有效地執(zhí)行復(fù)雜物理仿真的等效計(jì)算。模擬計(jì)算機(jī)可以包 括利用在數(shù)字計(jì)算機(jī)中通常采用的偽算法更容易地對隨機(jī)過程建模的固有的隨機(jī)元素。然 而，模擬計(jì)算機(jī)可能必須是不合理的復(fù)雜以執(zhí)行復(fù)雜的仿真。此外，傳統(tǒng)的模擬計(jì)算機(jī)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(zhí)行仿真的傳統(tǒng)模擬計(jì) 算機(jī)可以包括將大量的電子組件組合接線成預(yù)定構(gòu)造以解決特定的問題。
[0007] 擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)（EAC)兼具模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的EAC包括導(dǎo) 電材料如通常用于包裝電子儀器的防靜電導(dǎo)電泡沫或凝膠以及兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電體或接 合于導(dǎo)電材料的"引腳"。每個(gè)引腳可以充當(dāng)電流的輸入（源）或輸出（匯）。電流通過導(dǎo) 電材料從輸入引腳流到輸出引腳。在典型的實(shí)施方式中，許多引腳布置在導(dǎo)電體和外部控 制器（其可以是數(shù)字計(jì)算機(jī)）中，并且選擇性地施加電信號到一些引腳作為源，然后監(jiān)視流 到一個(gè)或更多個(gè)匯引腳的相應(yīng)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(dǎo) 電材料產(chǎn)生穩(wěn)恒電流密度流形。源引腳的選擇性激活和匯引腳的監(jiān)視使包括微分方程和分 段線性函數(shù)的廣泛的數(shù)學(xué)關(guān)系能夠建模。不同于傳統(tǒng)的模擬計(jì)算機(jī)，EAC通過使用機(jī)電或 固態(tài)開關(guān)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(zhí)行各種任務(wù)，但是在信號處理領(lǐng)域以及更一般的處理時(shí)變的 輸入信號的領(lǐng)域中，現(xiàn)有的EAC設(shè)計(jì)有局限性。例如，自適應(yīng)信號濾波在濾波動(dòng)態(tài)地變化以 從電磁信號中去除噪聲的信號處理中是常規(guī)任務(wù)。通常情況下，電磁信號和噪聲隨時(shí)間變 化，亦即，輸入信號的值隨時(shí)間而改變。在傳統(tǒng)的EAC中，電流在EAC的導(dǎo)電材料內(nèi)的源極 與漏極之間流動(dòng)時(shí)，時(shí)變輸入信號產(chǎn)生波動(dòng)。因此，當(dāng)EAC產(chǎn)生解決方案時(shí)，EAC內(nèi)的電流 密度流形變化，從而導(dǎo)致一種不穩(wěn)定的輸出。因而，傳統(tǒng)的EAC在處理包括自適應(yīng)濾波應(yīng)用 的時(shí)變輸入信號時(shí)往往無效。因此，改善能夠處理時(shí)變輸入的EAC是有益的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明描述了一種以不同于現(xiàn)有EAC的模式操作的電勢模式EAC。與電勢模式EAC 的區(qū)別在于電流源和匯是輸入，并且在空間內(nèi)的多個(gè)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(diǎn)，所 以通過每個(gè)輸入電流源產(chǎn)生的電勢分布彼此獨(dú)立。每個(gè)源/匯和電壓監(jiān)視點(diǎn)之間的關(guān)系， 即一個(gè)或更多個(gè)輸入與每個(gè)輸出點(diǎn)之間的耦合權(quán)重彼此獨(dú)立。因而，附加輸入僅增加了被 解的數(shù)學(xué)表達(dá)式的復(fù)雜性，而不影響其它輸入。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施方式中，已經(jīng)開發(fā)了處理時(shí)變輸入信號的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)。擴(kuò)展模擬 計(jì)算機(jī)包括：形成有多個(gè)面的導(dǎo)電材料，多個(gè)面中的至少一個(gè)與電接地隔離；接地導(dǎo)體，其 電連接至導(dǎo)電材料的多個(gè)面中的另一面；布置在導(dǎo)電材料內(nèi)的多個(gè)導(dǎo)電引腳，多個(gè)導(dǎo)電引 腳中的每一個(gè)被配置成將電流輸入到導(dǎo)電材料中；以及定位在導(dǎo)電材料內(nèi)的至少一個(gè)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(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)（EAC)的示意圖。
[0012] 圖2是在導(dǎo)電材料內(nèi)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(dǎo)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(cè)視圖和俯視圖。
[0017] 圖5是在模擬處理器中使用的導(dǎo)電材料的各種尺寸和相應(yīng)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(dǎo)電材料的歸一化增益頻率曲線圖。
[0019] 圖7是有限輸入響應(yīng)（FIR)濾波器和實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的圖1中的EAC中的相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的示意圖。
[0023] 圖9是示出了使用有限脈沖響應(yīng)（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(gè)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(jīng)電輸 入信號和經(jīng)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(jīng)電輸 入信號和經(jīng)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(jīng)電輸 入信號和經(jīng)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(yīng)（IIR)濾波器的EAC的示意圖。
[0028] 圖12是與模擬濾波器響應(yīng)相比較，利用圖11的EAC實(shí)現(xiàn)的FIR-IIR濾波器的脈 沖響應(yīng)的曲線圖。
[0029] 圖13是與模擬濾波器響應(yīng)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(shù)據(jù)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(jī)布置不意圖。
[0032] 圖16是示出使用EAC記錄數(shù)據(jù)的信號檢測和神經(jīng)單纖維動(dòng)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(shí)施方式的照片。
[0034] 圖18是示出了 EAC至SFAP脈沖信號的預(yù)測響應(yīng)和圖17的EAC的實(shí)際響應(yīng)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(yīng)和圖17 的EAC的實(shí)際響應(yīng)的曲線圖。
[0036] 圖20是示出神經(jīng)電圖（ENG)信號和數(shù)字信號處理器（DSP)的響應(yīng)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(jié)果中的頻率動(dòng)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(shù)據(jù)和EAC的DSP仿真生成的 經(jīng)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(shù)據(jù)、使用現(xiàn)有數(shù)字信號處理 器實(shí)現(xiàn)的濾波器生成的信號和圖17的EAC生成的經(jīng)濾波信號的曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面的描述和附圖對本文所公開的系統(tǒng)和方法的環(huán)境以及系統(tǒng)和方法的細(xì)節(jié)提 供了一般理解。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記始終用于表示相同的元件。
[0041] 圖1示出了包括擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)（EAC) 102的信號處理系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括 輸入信號源104、配置成在系統(tǒng)100中進(jìn)行自適應(yīng)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(shí)變電信號。在一個(gè)不例中，輸入信號源104是與人類神經(jīng)系統(tǒng) 中的神經(jīng)脈沖對應(yīng)的電信號。然而，輸入信號可以是任何時(shí)變電磁信號。在一些實(shí)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(gè)實(shí)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(chǎn) 生輸出電流。如下所述，在一種配置中，EAC生成了對應(yīng)于輸入信號源104的噪聲輸入信號 的經(jīng)濾波電壓信號，并且輸出信號生成器生成了相應(yīng)的經(jīng)濾波輸出電流信號。
[0042] EAC 102包括多個(gè)模擬采樣以及保持緩沖器108、控制器112、輸入交換機(jī)結(jié)構(gòu) 116、模擬處理器120和輸出多路復(fù)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(shí)延版本。在一系列配置中，采樣以及保持緩沖器108生成多個(gè)遞增的 輸入信號的時(shí)延版本。并入EAC內(nèi)的采樣以及保持緩沖器的數(shù)量與用于通過EAC 102實(shí)現(xiàn) 的濾波器的抽頭的數(shù)量有關(guān)。例如，當(dāng)EAC 102配置為具有N個(gè)抽頭的濾波器時(shí)，EAC使用 總共N-1個(gè)采樣以及保持緩沖器，一個(gè)采樣以及保持緩沖器用于N-1個(gè)延遲信號中的每一 個(gè)，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(dǎo)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(dǎo)電聚合物泡沫124形成圖1中的導(dǎo)電材料，但是也可以使用包括凝膠或 導(dǎo)電性流體的許多其它導(dǎo)電材料。在一個(gè)實(shí)施方式中，導(dǎo)電材料124具有每米約1西門子 (S/m)的電導(dǎo)率〇。在立方結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電材料124是各向同性導(dǎo)體。亦即，導(dǎo)電材料124的 電導(dǎo)率基本相同而與電流在導(dǎo)電材料124中的流向無關(guān)。聚合物泡沫124以通常具有六個(gè) 面和預(yù)定的寬度（X)、長度（Υ)和高度（Ζ)的立方體形狀形成。在一個(gè)實(shí)施方式中，聚合物 泡沫124以每個(gè)寬度、長度和高度均接近一米的立方體塊形成。
[0044] 導(dǎo)電材料124的電接地面138可以連接至為電子通過導(dǎo)電材料124流到地面136 提供了統(tǒng)一路徑的導(dǎo)電箔、板或其它導(dǎo)體。電接地面138形成電流邊界，這在數(shù)學(xué)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(cè)基本對稱。在現(xiàn)有技術(shù)的模擬處理器中，第二引腳128'用作電流的匯。因?yàn)镋AC 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(cè)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(gè)或更多個(gè)輸入引腳128周圍的電荷電勢。
[0045] 在簡單的實(shí)施方式中，模擬處理器120被實(shí)現(xiàn)為在所有面都接地的導(dǎo)電材料124 的表面上或體積內(nèi)的一組電流源點(diǎn)和電勢檢測點(diǎn)。在圖1的示例中，然而，導(dǎo)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(dǎo)電材料124。當(dāng)輸入引腳128定位成靠近于 面140時(shí)，反射的輸入信號增大在距輸入引腳預(yù)定距離處的輸入引腳周圍的電荷電勢。當(dāng) 兩個(gè)或更多個(gè)電隔離面在角落處接合時(shí)，電信號的多次反射產(chǎn)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(gè)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(dǎo)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(gè)"虛構(gòu)的"立方體積的絕緣平面。從正常注入到注入 點(diǎn)流經(jīng)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(diǎn)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(gè)空間。兩個(gè)空間中每個(gè)都 有一半的總電流，但兩個(gè)空間中的每個(gè)空間內(nèi)的電流密度和電勢的分布不會(huì)改變。這是因 為，沒有任何電流密度在平分面內(nèi)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(nèi)相同的電勢分布，并且在模擬處理器120內(nèi)不需要導(dǎo)電材料124的"虛構(gòu)的"第二半。 對于直線或立方容積導(dǎo)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(gè)都定義為絕緣體，那么導(dǎo)電材料124所需要的體積減小，而不改變空間內(nèi)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(dǎo)電材料的立方體124的角落處的電流磁通與位于體 積為導(dǎo)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(shí)際上沒有變化。在角落 處接合的三個(gè)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(gè)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(gè)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(dǎo)電材料124可以占據(jù)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(dǎo)電泡沫134中以三維網(wǎng)格圖案布置。在圖1中，與一系列堆疊 立方體的頂點(diǎn)相似，輸入引腳128彼此等距離隔開。在可替代實(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)施方式中，導(dǎo)電材料124由 導(dǎo)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(jié)構(gòu)而不是圖1的 三維結(jié)構(gòu)布置。
[0049] 輸入引腳128中的每一個(gè)由導(dǎo)電體--通常是金屬一一形成，具有電連接至輸入 交換機(jī)結(jié)構(gòu)116的絕緣電引線。每個(gè)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(dǎo)電材料124的方式。在圖4A中，球狀導(dǎo)體304輻射的電流在所有方向相等。球狀導(dǎo) 體304以類似的方式操作無限小的點(diǎn)光源的發(fā)射極。在圖4B中，盤狀引腳312發(fā)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(fā)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(dǎo)電材料的所有的長度、 寬度或高度延伸。
[0050] 在系統(tǒng)100的操作期間，EAC 102內(nèi)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(shí)施方式中，控制器112是包括一個(gè)或更多 個(gè)數(shù)字微控制器、中央處理單元、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)、專用集成電路（ASIC)等的數(shù) 字計(jì)算機(jī)?？刂破?12利用輸入交換機(jī)結(jié)構(gòu)116使輸入信號路由到所選擇的輸入引腳128。 輸入交換機(jī)結(jié)構(gòu)116是將每個(gè)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(gè)的機(jī)電開關(guān)裝置或固態(tài)開關(guān)裝置。在一些實(shí)施方式中，輸入交換機(jī)結(jié)構(gòu)116可以同時(shí) 將單個(gè)輸入信號電連接至多個(gè)輸入引腳128?？刂破?12還選擇電壓傳感器132之一的輸 出以利用輸出多路復(fù)用器142輸出到信號生成器144?？刂破?12還監(jiān)視電壓傳感器132 中的至少一個(gè)的輸出，這可以用于反饋以利用輸入交換機(jī)結(jié)構(gòu)116改變所選擇的輸入引腳 128。
[0051] 模擬處理器120不同于在現(xiàn)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(xiàn)出高阻抗。基本上導(dǎo)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(gè)區(qū)別 在于導(dǎo)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(dǎo)電材料，電隔離面往往反射輸入信號的一部分。另一 區(qū)別在于，電壓傳感器132參照在導(dǎo)電材料124內(nèi)產(chǎn)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(dòng)的電流對應(yīng)的電流流形來測量模擬處理器120的輸出。
[0052] 在可替代結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電材料124形成有不均勻的尺寸。例如，導(dǎo)電材料124的高度 可以小于導(dǎo)電材料的長度和寬度以減少EAC的物理尺寸。圖5示出了當(dāng)長度和寬度保持不 變時(shí)，隨著導(dǎo)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(dǎo)電材料的厚度變化，發(fā)現(xiàn)圖5的濾波器增益是不同的。各向異性矩陣式補(bǔ) 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(zhì)補(bǔ)償了濾波器增益的厚度影 響。這個(gè)補(bǔ)償使得能夠使用導(dǎo)電材料的薄片設(shè)計(jì)濾波器功能。當(dāng)導(dǎo)電材料124的尺寸不均 勻時(shí)，針對立方體形狀，可以形成具有各向異性導(dǎo)電性而不是各向同性導(dǎo)電性的導(dǎo)電材料。 例如，當(dāng)參考材料的寬度（X)和長度（Y)使導(dǎo)電材料的高度（Z)或厚度改變到t倍時(shí)，則導(dǎo) 電材料124分別具有針對X軸、Y軸和Z軸中的每一個(gè)的三個(gè)電導(dǎo)率值σ χ、％和σζ?？?電導(dǎo)率使用以下等式定義

【權(quán)利要求】
1. 一種擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，包括： 形成有多個(gè)面的導(dǎo)電材料，所述多個(gè)面中的至少一個(gè)與電接地隔離； 接地導(dǎo)體，其電連接至所述導(dǎo)電材料的所述多個(gè)面中的另一個(gè)； 布置在所述導(dǎo)電材料內(nèi)的多個(gè)導(dǎo)電引腳，所述多個(gè)導(dǎo)電引腳中的每一個(gè)被配置成將電 流輸入到所述導(dǎo)電材料中；以及 定位在所述導(dǎo)電材料內(nèi)的至少一個(gè)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(yīng)于來自所述多個(gè)導(dǎo)電引腳中的每一個(gè)的電流在所述導(dǎo)電材料中產(chǎn)生 的電荷電勢。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，其中，所述導(dǎo)電材料是基本上各向同性的 導(dǎo)電體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，其中，所述導(dǎo)電材料形成有預(yù)定的長度、寬 度和高度，并且高度小于長度和寬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，其中，所述導(dǎo)電材料是各向異性的導(dǎo)電體， 與通過所述導(dǎo)電材料的長度和寬度的另外電導(dǎo)率相比，所述各向異性的導(dǎo)電體具有較低的 通過所述導(dǎo)電材料的高度的電導(dǎo)率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，所述多個(gè)導(dǎo)電引腳中的至少一個(gè)導(dǎo)電引腳 是圓盤狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，所述多個(gè)導(dǎo)電引腳中的至少一個(gè)導(dǎo)電引腳 是球狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，所述多個(gè)導(dǎo)電引腳中的至少一個(gè)導(dǎo)電引腳 是圓柱狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，其中，所述導(dǎo)電材料是具有每米約1西門子 的電導(dǎo)率的導(dǎo)電泡沫。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，所述多個(gè)導(dǎo)電引腳在所述導(dǎo)電材料中以相 鄰導(dǎo)電引腳之間基本等距離間隔的方式布置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，所述多個(gè)導(dǎo)電引腳在所述導(dǎo)電材料中以 基本均勻的三維網(wǎng)格的方式布置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，所述多個(gè)導(dǎo)電引腳在所述導(dǎo)電材料中以 基本均勻的二維網(wǎng)格的方式布置。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，還包括： 控制器，其操作地連接至所述多個(gè)導(dǎo)電引腳、所述至少一個(gè)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(gè)導(dǎo)電引腳中的至少一個(gè)導(dǎo)電引腳； 利用所述至少一個(gè)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(jù)權(quán)利要求12所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，其中，所述控制器將電信號的源連接至 所述至少一個(gè)導(dǎo)電引腳，以根據(jù)所述電信號生成有限輸入響應(yīng)濾波信號，所述有限輸入響 應(yīng)濾波信號由所述輸出電壓傳感器檢測。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，還包括： 電壓電流轉(zhuǎn)換器，其配置成參考所述輸出電信號的電壓產(chǎn)生另外電輸入電流；并且 所述控制器還配置成： 將所述多個(gè)導(dǎo)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(zhuǎn)換器，來接收 其它輸入電流以根據(jù)所述電信號生成無限輸入響應(yīng)濾波信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，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(gè)導(dǎo)電引腳中的至少一個(gè)導(dǎo)電引腳； 將所述多個(gè)導(dǎo)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(zhuǎn)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(jìn)行濾波；并且 識別與所述匹配濾波器的形狀對應(yīng)的輸出電信號中的尖峰。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，其中，所述輸入電信號是包括單纖維動(dòng) 作電勢（SFAP)的神經(jīng)活動(dòng)的電神經(jīng)信號，并且所述匹配濾波器匹配所述SFAP中的尖峰。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的擴(kuò)展模擬計(jì)算機(jī)，其中，所述電信號是時(shí)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(yōu)先權(quán)日:2012年3月5日
【發(fā)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(xué)研究與技術(shù)公司