Оптоэлектронное вычислительное устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных

Оптоэлектронное вычислительное устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к оптоэлектронным процессорам, предназначенным для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„. 1624430 А 1 (51)5 G 06 Е 3 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (57) Изобретение относнтся к области вычислительной техники, а именно к оптоэлектронным процессорам, предназначенным для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Цель изобретения —— расц.прение функциональных возможностей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4634378/24 (22) 05.11.88 (46) 30.01.91. Бюл. № 4 (71) Томский политехнический институт им. С. М. Кирова (72) А. Ф. Лавренюк (53) 681 325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 460550, кл. G 06 G 9/00, 1975.

Авторское свидетельство СССР № 1344103, кл. G 06 G 9/00, 1986.

2 (54) ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЫЧИСЛИ

ТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ В

ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ! 624430 ус р< йствл зл счет решения задач матема

< и lt (кой фи п<ки в трехмерной геометрии. !

1«стаял<ч<ная цель ло<.тигается тем, что

Ip<)lleгBt) t «держит К модулей, гле К lII< л<> прострлн< твенных сечений, каждый из к«горь<к гол< ржит оптоэлектронные сеточные

<нирлI\Hонные блоки 1 и 2 соответственно

Изобретение относится к вычислительной технике, л именно к оптоэлектронным процес< орам, прелназначенным Лля решения лифференl(

l1ел изобретения — — расширение функци<и<альных возможностей устройства за счет р< и<ения задач математической физики в

< р< х "верн«и < еометрии.

11» фиг. l нривелена схема молуля уст- ройствл; нл фиг. 2 — фрагме«т сопряже- н и я фот орезист ори ых элементов оптоэлектронных сеточных операционных блоков ч«заичнои и сотовой структур, схема фоторе < неторного элемента и схема блока залания

ПЛР lх<стРОВ, Ус тр<гй< тво содержи г К модулей, каждый и; кот<<т<,<х мол< лирует распределение двухмерного ноля моделируемых функций лли

î1IItII î н < пространственных сечений. Кажлый Yîä ëü устройства содержит оптоэлектронный сеточный операционный блок 1 мо: личной структуры, оптоэлектронный сеточнь<й операционный блок 2 сотовой структуры, узел 3 задания значений узловых функ-, ций, узел 4 интерфейса, узел 5 управления, узел 6 памяти, мультиплексор 7, мно< ока-; нлльный измерительный блок 8, узел 9 залания значений межузловых функций, узел 10" оп )рных потенциалов, входы-выходы 1 устройства.

Узлы 3, 7 и 9 выполнены на управляе мых резисторах (фоторезисторах) 12 и на управляемых ключах (фотолиолах) !3. Фоторезисторный элемент оптоэлектронных сето п<ых операционных блоков содержит фоторезисторный слой 14, прозрачную лиэлектрическую полложку 15, прозрачный токопр<зво,яц<ий слой !6, слой 17 электрооптического материала и слой !8 резистивного материала.

В соответствии с оптоэлектронным исполнением, управля;мые резисторы 12 являются оптронами, если узел 4 выполнен на управляемых делителях напряжения, либо фоторезисторами, если узел 4 — телевизионный монитор, светоизлучающий экран которого освещает рабочую поверхность этих фоторезисторов. Мультиплексор l l содержит управляемые ключи 3, которые являются. мозаичной и сотовой структуры, узел 3 залания значений узл<твых функций, узел 4 интерфс йса, узел 5 управления, узел 6 памнги, мультиплексор 7, многоканальный измерительный блок 8, узел Ч зллания значений межузловых функций, узел !0 опорных потенциалов. 2 ил. оптронами (при этом узел 4 — лен<ифратор), либо фотолиолами (при этом узел 4 телевизионный монитор). Узел 5 управления может быть реализован в виде микропроцece np!I.

Кл>клый модуль устрой<тва содержит лва типа оптоэлектронных сеточных операционных блоков: сеточный он< рационнь<й блок мозаичной структуры и сеточный операци онный блок сотовой структуры, при этом возможны различные варианты исполнения самого молуля. В соответствии с первым вариантом молуль выполнен из одного сеточного операционного блока мозаичной структуры и сопряженного с ним одного сеточного операционного блока сотовой струкv PI>l Il P H эт<1 << Уст РО Й ство н

39 ловнях добавляется еще олин сеточный 0!It .рлционный б.lок сотовой структ.ры, а при

«закрытых» граничных условиях лоблвляется олин сеточный операционный бл< к мозаичной структуры. В соответствии с вторым вариан<.ом возможен также набор устрой35 ства из модулей, при котором кажль<й молуль с ктоит из лвух операционных блоков мозаичной структуры, Mt .æäó которыми по, мещен операционный блок сотовой структуры.

Сеточный операционный блок мозаичной структуры выполнен и ниде м <личного набора много) гoai »six оптоэлектронных э.;ементон, фоторезисторные слои которых с единены между собой в примыкающих друг к другу вершинах и имеются контактньн выводы лля соединения с контактными выволами сеточных операционных блоков г.товой конструкции, которые тоже .о тключе«ы к точкам соединения вершин фоторезисз ipiivx слоев элементов таких операционных б< оков.

50 Сеточный операционный блок с ловой структуры может быть выполнен «лк ел;. л. цельнлч конструкция с напылением фо< орезисторных, электрооптических и ре: истивных слоев на каркас-подложку сотовой структуры из Лиэлектрического мат<риала, либо

55 это может быть сборная ко«<трукция, н<.гла кажлый узел сотового оперлционн<и о,блока из< отовлен отдельно и из -,àêèõ узлов

f6244:)f» где cf -- моделируемая !lpocTp;ttlcTB(нно распределенная функция; tf — коэффициент уравнения; f — функция источника; х, -- пространственная коорлината; I - — инлекс раз мерности.

В результате применения дискретно-не. нрерывной аппроксимации к исходному урав

10 нению получено следующее приближение, Е,+ > . ),„- t+«=f):! Ь )f <»(.>(2) 4 6 )(i

15 соответствует решению уравнения (1), точ. ность соответствия булет определяться точностьнз задания граничных условий — — условий сопряжения межлу такими конечнычн

ЭЛРМ(HTBMH.

20 (.опряжение осу!цествляегся в нескольких точках, например в Bop(!!Htt;tz, причыкакпцих друг к другу кое(ечных элементов и Ilo смежным границам эт!<х элементов.

Граничные условия в этом случае имек>т

25 вид с)Ж g ф )Х XTJ(- ) / rf,(j ) 30

40

50

I» (5)

55 разной формы набрана сотовая KHH(трукцич сеточного онсрационного блока.

M tfK f)oft Po(((c(oP 5 c Il >ж ит лл ч vfl f)3 B

Устройство прелназначено для решения лифференциальных уравнений в часте(ых производных к

y x, >< > ><,. i, (P I."« >)-,<

@=3

Уравнение (2) описьевает раснреле.чечне чоделируемых перемснных <1, )1, f в каждой

>)з трех моделируемых плоскостей Х>Х, Х))4, Х.Х7, и в кажлой многоугольной зоне (конечном элементе), которьн. Обра:!уют моделируемые пространственные цлоскости.

В цределах кажЛого ко)еечногп элемента моделируется непрерыв»(ое рыснрелеление молелируемой функции, при эточ ре!»ение, получаемое для каждого такогo элемента, где х .(,> лискретные коор lift!;ITt, Точ f(сoнряжения рядом рас!!Оложс нных

КОН(<(НЬIХ ЭЛС-Ч(НТОВ.

Е;сли грыницы соседних чно!.;)уf Ольных элементов не сопряжены и )ги:>лс мсl!7 Bl име ют только олну общую 7очку «о(!рчжене!я с соседним элементом, oil(нкы 1!риближения определяется соотно(пени(м .t) = A,ËIt„ (4» где (1)), хырык>ерный t <()M(t! I« Kttft »ыраметр конечного э.н мен l;t, к< горь!ч была заменены Mllof oXf o!Iht!HH п)ны ч<>.1(I III)) емс>го

11 p O C T p 3 11(Т В 3; A; — Н 3 р < M C Т р < f > (> Г г> .>, I i K T p Of1POBOJ<>»7 И I< i Ê и Х (B!) H(1 В Oflтоэлектроннс)го cf)()T(>f)(5 It(7 <>f) tt<>! <»доче»та, f1o мере увс личснич г<)»i к с <>!!ряжения конечных: ).н ментов 7<>ч!«>< ть р 111<1!Нч будет возрыстыт)

1 J 1(7 f)11 ф(т с>эг!(к! f)<>» fit>I«> it< !, и э. lt к

T f)OO»T IfЧ(С К ИХ (НОИС TH <) Il f)i 1(.)Ч К>Т(Ч НЗ с р <3 В и (. If If H ) f) ) t) t í н и ч (2 ) (<< 1>.i It I I < I I H < м (, ) ), ()l1lf СЬ(ВЫ К> it(tt < ><> ! цих потенциалон и c>IIT()<>,1, I f><>IIII() t фоторезистopll

,,»,J г z, ;f гле и=-1)» (, lcë! н;!и ° ° I I » ре ttt< Ор!Н>! > Слоч, Ji " i, .>i >. IJ)()О!!Т ИЧ(<С>«! H Х <)Р!) К I (РИ(111К t > ., It< >I I!3 IIРОг Ч -Р () +»=-0; с(, Ф, f E х,. (q)

<, <)f t 3I

Вочимости фото) .< зи< тnptt«t. с 7< ч В .t;iнttcнмости от изчеH(нич Вели IHtf! I уирыв.>ч il,(åãО

ПОТ<<и цИ3 73 I >; х, у K()<> >,(if!I IT!ì< !> ). и

MHOl <>у! Ольно! <> i CО . н M(lt t i J) ilу 1 lt K3)t

ЛОГО КОНЕЧНШО ЭЛЕVI< ИТ;! КОС)(),<Инат)Н>Е»ОЛЕ

kt< f1f)EpbfBtf<), ллч м<)лел)(р)смой»р >стр иствинноЙ плоскости оно т;>же tl(!!р рыв)(с;, ll(> прс! Српевает ры.)рыв ны смеч»)ых I р, н>1 (ых

Выбор Mac!»TH(>If!I K<>)I!1(It(нт<>н гп, =- (,< \ ; 1», =- х > х(.,; »1; =- f f J (6) поз )олчi т получить сле;(< к>II(Hc <..к>тноl!I«it)f5) под<Фи я: р,= f1(»,==- »1>.(J, »1„, 1 =Е Е/1 f, 1(= — I I»!, (7»

ГДЕ Ut - - ВЕ ЧИЧИНЫ f)C>TC>tft tt;)73 .!. I» 1;),Ш,(ИЧ значения функ(сии исто «<1tH;I, 1< нели !Н><с) сп.tpoTHB!Ict!HH токо.<;)л;5><»l((f < зис гс>р;! у.tла 3. J lf)lt задании J>;t(ftf>(1(л< иной »>1<)IIЕ)<)!)Олнс)с"! и о!11 оd. I(>. J)(>tl ft<>1 о ф,>1<)f)(< H( торного элеMctt гы в 3.1 ктрсч»тнч< (K<)M < I<>(1 7 Онтоэл(KTJi()»H<)f <1)о Г » i t) tl< >t <. I(мснт ы ф<>рм»рус г< ч It<71()»1>ы(5.!Нм>»(их <>»I If ч((ких (игна 7О(5, 11 fitt < х< 1> I », >(.1< !н 11

1 и I(C КИХ СИГН<1 7()tt:5И(I! Г О! l!J)Ч.I<»K(I»IC)I О к этому эле>сгрскч!ти и<слом) <." к ноля III

f)3В7ЯK)tlIIf>C Нс>Т(НЦИ 1»ч. КО! » <>. < О<,(

f)c5 tf(T tt tt tt(>M <. :до< I »(i (ii i t 15! ) (I I<(>о»11< м управ.)чH>!ци>. 1>оi < t (II>I,I«(<

Р3cll p(, (<. л(!I H< B р«>«1 It t<»i> Cl,, li >< 1 K

Г<>37PKTI)(>It!I<>f ()>О Г<>f>«и; I i >f>!<f>MIlр) к !i(If% пол< i 1(; ич«скиh (624430

Формула (<:1>)»р(.течич

20 у1<равлякнцих сигналов, описt IBapTOB урав. и и (л(,> (а П.Ч а С B.

>.1(. fi — ),!ельная пр<>водимость резистивно

Го сля (H; g — проводимость эчекгрооптичс<:кого слоя 17.

:чадани(л! Сооч Ветствук>щих Величин y!tравляющнх ft<)TPII((ftaлов, приложенных в К-х вер!и и (ах оптоэлектронных фоторезисторных

- л(ментов, формируется треб>уемое поле электрических потенциалов.

1(3 tcffe> ие свойств моделируемой среды л(ожно с досгаточной степенью точности 3ад)н)ть Гладкой функцией. которая на ма.;.: х IIIITcpBалах хорошо линеаризуется и мо>ЕГ Г>Ы b задаиа На рСЗИСтИВНОМ СЛОЕ С ПО. i <>инной удельной электропроводностью.

Г(р)! постоянном значении коэффициендлн одного элемента н соотв(тствии с усл<>вием (7! и соогношеннем (>=Д(..(, при

:. меренном значении характеристики р за,(i I, :, : >! o 1111i д KОВЫ(. 3(1 а чен иЯ (Iот(н ЦH(!Л()В < (>(> в каждуи> (<,-to вершину элемента. (lpI1 IIc(>evIpItItbIx значениях величин кофф>::,,и< нта!(задаются значения управляю-!

«II< и< Генциалов LJ„. Соответствую!цие зна I(1 >ям коэффициентов )1> в точках приложеI, и я; >от»! ет с Г В V lo t l (и х и 0T сч l fl, и а л О В, и р и эт О л!

» >,:,-<»" .> ОНС,)™ > <,"> Ч(KTPOIIHOf О фОТГ>Р<." f!C

I < рнгч. > злел>е I! а в соответст!>1(и с уравне-!

I I<. м, >)1 ус) анавлив ется поле потенциалов, Гс.вуюи>ее простра>цтьенному распреДЕЛЕНИЮ ВЕЛ< ЧИНЫ ф, Характеристики фоторезисторног0 слоя и ,«ктрооптическсн о слоя подвержены старе: Il!o и, кроме того, имеют существенный р,!i>(>oc параметров, поэтол(у при задании

3!>а-)еннй межузловой проводимос> и фотоI i зис тор>(()го слоя !редусмотр "ны корректировка и учет этих факторов. Такал проI,; осуществляется следукицим образом. .ч,1 за о(си в > оответствии с условиями по,; >>.< () значения управляющих нотенциаЛ >в И, ЗатЕМ ПрОИЗВОднтгя ИЗМЕрЕНИС BC,-ичины межузловой проводимости f!„, опреде, яет< H ист:(нное значение характеристики (( для измеряемого элемента и, если оно отли>3 TcB 0Т н!)чального, T() заносится в опреTc>1(. !It!i fo»Г)ласTb памят«. В cÎoTBPTcTBHH с

>тн.,(нов(.см значением производится перерас)е> («личин управляющих потенциалов, алагем производится повторное измерение (>, и сравнение с заданным значением р„ при

cоВпаденин этих значений происходит переход к проверке и корректировке парамет1)оз следую!цего элемента. Если значения заданных и измеренных величин после первой

13(ерании не совпа!(ают, то прсцедура 33даНИЯ мЕжУ.<ЛОВОй ПРОВОДИМОСТИ ПОВтОРЯЕтСЯ.

Зад;»;ие значений узловых функций про) >итси по Bill)ло(ичн>)му а 1! opHTMv, если В качестBp. токозадающих резисторов использу25

55 к)тся фоторезисторы, если В качестве тоноЗ а>ДВ К) !!(ИХ РЕЗИСтОР<>В ИСПОЛ ЬЗУЮтС Я (>!)т )кодоуправляемые резисторы, то такой f1(>() цедуры не )ребуется. ((ри р(lllpHHH н<..чинейных задач корр(к тировка и изменение управляющих потенциалов ocvlllcствляются на каждом ша(е реllfpння, если изменения моделиру< мых функций и коэффициентов существ(нны, при этом в п»ле задания значений узловых и межузловых функций производится процесс peill(ння и последующая пошаг(>вая обрабс)тка р(зультатоп решения.

Таким образом, предлагаемое устрой<.тв< позволя<; р<-шать трехмерные 3Bчачи м..)те, мв и Ic< K<)H физики, причем решенн< Hî.IVHB е Гся одновременно B виде непрерl,I(3<(I,! х м, !<лиру 11!x функций в трех взаимно (,cpncllдикулярных сопря>кенных пл;< костя :.

Оптоэлектро ное вьАислитель>.ое ) тр . 1

CTBO ДЛЯ >)ЕН!ЕНИЯ ДИффе(чепп>,;)Л1>НЬ>Х,,PBпений в частных производных, содери,)щее пcðBый оптоэлектрОНHblé сеточный операционный блок мозаичной < труктуры, It(pt>bi<1 бл<>к задания параметро(3, многокана."<ный измер((тел ы(ый блок, пс рвый оп Гоэле:.тронный с To<ный операционный б. Ок, 0.> )иччой структуг ы в<,н!Олнен в (идг моз;->нки размсщенн lх на (<доской .013.>: ктри lpci1

Тс эл(K р! Iче(к их НЗОЛ иров >1 Н. I ы" <()>)ч i;)(3 HC торны х Iелl ент<>в на кдыг Ii"! K<> l >!pi.!) <де f o. ит нз ф<,1<>рез(<сторного < .Лон. Н(>нес". <ного на диэлектрвче-.кую подложку, прн <ел(; рн м>,(кчюц(ие одна к другой .йр11(>(ны фо-. o. резнс(<>рных элементов электрич((и соеди невы между собой н образуют уз luf>!.>c Ti>«K1I IlPPf!<)t O OlITOÝ>ICKTPOIIHOÃ0 С(ТОЧН<:, ) 011 рац>(онного >> l(>KB л(озаичной стр) кт ры, а в<> смежным границал(фоторезисторных элементов <>азм I!I .Ib! точечные:леKT p<)ды-ll< ремы I. ки, ког(>рые как и элекгрическ<гв выходы узловых точек;>ервого опгоэл(ктро .и >гo сеточно> о вперац )онн(>ГÎ блока мозаичной

c T p v к т ) p! >1 я В л я Io T с я 1> <. p и 0 Й Г p ) и и Г) и В ь! л Од >) . > этого о<)тоэлектрон;!Ого; еточногÎ опсра((нонНОГО блок(1 мОзаичной стр "кт) pbl и по(<кл(Очечы соответственно к входам,<ногокана ->и<); о измерительного блока и .Г)ГГтв< "Г(ен но к Выходам !>ервого блока «!1.!В1!" I .;3;>а метров, Отли <ик)!и< (.Гч тем, что, (цсдьк pcI:

>цнрЕНИя фуНКНИ<>НВЛьНЫХ I!03ÌO Ê ÍÎÑÒ (Ч ) i тройства )а счет pe»l> ння зад)ч ма; pl>taT)>ЧЕСКОй ФИЗИКИ В тРЕХМЕРНОй l i ОМЕтР!«I -НО содержит со вт. р::i о по (K+ (3 -й o;! T(>электронный сеточный операционныи блок мозаичной структуры. I;ie (х — — числ» простра нет венных сечений, (х оп )элеK1pottftbl>( сеточных операционных блок<,!>, OTOBOH PT(>vKтуры, с BT(>()ro по ((х+ (f é б.чок . 1: н; я параметров, причем в каждый фо>оре)исто(. + ный элеме >г, из кот(рых вы)олн..Ill) < 1(т> .

ЭЛЕКТР(1< 1()!IЕР 1ЦИОННЬ<Е (>ЛОКН М»3>НЧ< ной и сотовой структур, нведець1 слой диэлектрического материала, слой нрозрач>п>го токонроводящего материала, слой электрооптического материала и слой резистивного

МатЕРИаЛа, ВСЕ Этн СЛОИ IIHII(<. (Irr>r ПОСЛедовательно на фоторезисторный слой и повторBK)T форму фоторезисторцых элсм HToB, цри этом о тоэлсктронный с<точный операционный блок сотовой структуры выполнен в виде матрицы сотовых узлов. каждый из которых обра зова н ра с пол<) ж< ни))м и 13 ра зличных плоскостях и прим IKHlolff)rмн друг к другу одной сTof)oHoH vë(к<ри иски изол и po13 а н lr ы м и м H о Г осл о и н ы м lr o r r 7 0 -). 1 (h r f) ()11ными элементами, прнмык )K>(IIH«)лна к,)ругой вершины <1)О3орсзисToprrr х сл<)св э(>rx

ЭЛЕМЕНТОВ СОЕДИНЕНЫ М(жду С<)(>r)r И Обри ) к)г узловые точки опто IOKTf)r»rri<» о с(r()«ного операционного блока сотовой (Зруктуры, управляющие входы опер;)ци< )<нь)х блоКОВ СОТОВОЙ И розан rlrf<)H С 1 ) VK Г Ъ f) 11ОДключены к вер(нинам рс )rr«T)rrrrrr,i <л<к ri .)л(ментов этих операциоциых r);1<)K<)13, цри этом

10 каждый блок задания лараметг)ов содержит

1pyrIrIv узлов задания значений меэ<узл<>вь(х фуHKIIHH и грунцу узлов задания значений узловых функций, нри lем обе группы этих уз.

5 лов выполнены на ур;)вляемых резисторах, управляющие вх<>ды K<)Tophlx подключены к входам режима y< TpoH«THH, которые через многоканальный измерительн((й блок цодключены к выxoë;I м оllTоэлpêòðorríûK сpTo÷ных операционных блоков. образованным соединениеM узловых точек оптоэлектро>(нь(х сет(> ных опег)ационных блоков сотовой и мозаичной структур, эти вых<>ды соединены с выходами узлов Задания значений узловых функций, в K<)To/I lh, крез уравляемые ре15 зисторы эти выходы счены к в)>хода.(у:)лов дли зад;>ция значений межузловых функций, в которых через управляемые рези:т()ры этв 1)ыходы coe;rHHeIrr r с источникол< OH<)pH<)ro поте. циала. (!)! 1,! fI 1I г! I f3 (herj rlfrr!rr

1) 1: )1) 1() (!3г 1,!

I г! !!i«hл h "! «! I 1; af r;rhr<«> ),,«

1.!!! f f! f!,! 1

1 1 ! 1 I 1 1 1 1 1 «, i, i r « « r r, » r h» r r r r . » !, ! ) ! ! !r !! h: i! г, (i « i rr h r I f )(1 1 3

И!« -, »«)h Зд), i !hill! I IP )Г (4,, 1 1! «<,)!»»« . !)> )! .! » !! «,«!! . ;,,,+! >I ».; 1