книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы
..pdfхранением информации при отключении источников питания, позволяют вместе с тем перейти к микроминиатюризации устройств на основе использования магнитной групповой техно логии. Это обстоятельство является чрезвычайно важным для реализации ОМС, которые, как отмечалось в § 4-1, характери зуются огромным числом адаптивных компонентов.
Для неразрушающего считывания информации в АЭ на ТМП |
|
наиболее удобен индукционный метод (§ 2-6,6). Его достоинст |
|
ва — простота |
и возможность суммирования выходных сигналов |
АЭ, расположенных в одной строке, на общей шине. Напомним, |
|
что при индукционном считывании возбуждение элементов осу |
|
ществляется |
переменным током высокой частоты, а выходной |
сигнал снимается на |
удвоенной частоте возбуждения. В связи |
со сказанным общая |
организация ОМС с использованием АЭ |
на ТМП буквально такая же, как и для случая применения ОМС на тороидальных сердечниках с высокочастотным считыванием ('§ 4-5,6). Поэтому ниже будут рассмотрены особенности построе ния лишь собственно матриц с «весовыми» компонентами.
Принципиально АЭ можно строить как на цилиндрических, так и на плоских пленках. В обоих случаях возбуждение осу ществляется по трудной оси, а выходной сигнал обусловлен изменением потока в направлении легкой оси.
На рис. 4-7 изображена схема матрицы для случая цилин дрических пленок (Л. 168]. Каждая строка матрицы представ ляет собой отдельную проволоку с нанесенным на нее магнитным покрытием. Легкая ось намагничивания совпадает с тангенци альным направлением. Каждый из проводов возбуждения соот-
А |
А А А |
л 1 г |
t |
|
2 ! |
|
|
|
|
—11—11 I11 |
11. |
1,0 |
|
|
|
||||
0,5 |
|
«^V«~-v—V_v~-~sn=:20 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
L . |
1 |
1 i |
l i , | N |
|
Г |
|
1 1 |
|
|
1 |
V |
IU 13 ZU Ю ЯП |
|
а) |
б) |
|
|
|
|
|
Число |
каналов |
|
Рис. 4-9. Применение |
стробирования |
для |
исключения |
|
|
||||
сползания |
информации |
в |
режиме |
записи. |
|
|
|
|
|
а —• условия, |
благоприятные |
для |
сползания; б — отсутствие |
сползания. |
|||||
Рис. 4-10. Продвижение |
|
верхушек |
обратных |
доменов |
|
|
в 32 каналах при одновременной |
адаптации различным |
числом импульсов |
п. |
ветствует отдельному входу и охватывает все |
проволоки, при |
этом отдельный магнитный участок проволоки, |
возбуждаемый |
в данном столбце, представляет собой один адаптивный элемент. Выходные сигналы АЭ одной строки суммируются прямо на со ответствующей проволоке.
На рис. 4-8 представлена конструкция матрицы из 64 адап тивных элементов (весов), выполненных на 32 тонкопленочных элементах канальной геометрии (см. рис. 1-34). На общую стеклянную подложку нанесены 32 узких ферромагнитных кана ла размером 6,0X0,2X0,00015 мм. Пленки выбраны с параметра ми: # с = 3 а/см и fffc/ffc^i2. Адаптивные элементы в матрице имеют общие шины возбуждения / и раздельные шины адапта ции 2.
Работа |
матрицы протекает в три этапам |
1) установка |
весов |
в исходные |
состояния (например, насыщение |
всех Т М П ) , |
2) ин |
дивидуальная адаптация весовых элементов (запись) и 3) не разрушающее считывание взвешенной суммы сигналов элемен тов, составляющих соответствующую строку матрицы.
Адаптация |
(запись весового коэффициента) |
осуществляется |
||
одновременным |
возбуждением |
выбранных |
шин |
возбуждения 1 |
и шин адаптации 2. Частота возбуждения |
1,5 Мгц, длительность |
|||
импульса адаптации 120 нсек. |
Для исключения сползания в «по |
лувыбранных» элементах матрицы в режиме записи применено стробирование, сущность которого поясняется рис. 4-9. Синхрон ность продвижения верхушки обратного домена в пленках при
одновременной |
адаптации |
всех |
32 |
каналов |
иллюстрирует |
|||||||
рис. 4-10. |
Максимальный выходной сигнал с одного элемента |
|||||||||||
в |
режиме |
неразрушающего |
считывания |
составлял |
0,7 |
мв при |
||||||
токе возбуждения 50 ма и частоте 1,5 Мгц. |
Сигнал |
считывания |
||||||||||
снимался |
с |
шин адаптации с использованием усилителей. |
||||||||||
4-6. |
Техническая |
реализация |
алгоритмов |
обучения |
ОМС |
на |
АЭ |
|
|
|||
а) |
Режимы |
|
записи |
при |
обучении |
|
|
|
|
|
|
|
Обучение |
ОМС связано с двумя основными |
режимами |
записи. |
|||||||||
|
1. В АЭ |
записываются веса с^, пропорциональные |
входным |
сигналам элементов, заданным в форме напряжений или токов определенного уровня или в виде заданного числа импульсов.
Такой |
метод записи |
соответствует ряду |
алгоритмов, |
в которых |
в АЭ |
записываются |
веса, определяемые |
просто как |
некоторая |
функция от координат векторов, участвующих в обучении. Ти пичный пример таких функций задается соотношениями (4-3) (связь между с, и сь), необходимыми для подсчета расстояний. Примерами алгоритмов, в которых реализуется такой метод за-
162
писи, являются некоторые алгоритмы метода потенциальных функций [Л. 122] или алгоритмы метода «ближайшего объекта» [Л. 116]. Необходимость в таком методе записи возникает также при записи весов, заранее подсчитанных в ЭВМ . Указанный ре жим записи в дальнейшем мы будем называть «прямым».
2. Начальные значения весов с,-& принципиально могут быть любыми, и в процессе записи производится корректировка их определенными ступенями. Таким образом, каждый АЭ хранит «отпечатки» предыдущего опыта и накопленные ранее веса на каждом следующем шагу лишь корректируются, но не сводятся каждый раз перед записью к некоторому исходному уровню. Такой режим записи полностью соответствует итеративным алго ритмам обучения [Л. 8, 119]. Приведем простейший пример:
гк |
ih |
+ 8signxJ , ) |
sign АР[Ч)*. |
(4-10) |
|
|
|
Здесь индексы наверху указывают номер итерации; signAP^" означает знак желательного изменения суммарного выхода всей k-н строки; 6 > 0 определяет величину шага итерации (вообще говоря, б зависит от номера итерации д, как, например, в алго ритмах стохастической аппроксимации [Л. 8]).
Из (4-10) видно, что предыдущее значение веса |
К 0 Р " |
|||
ректируется на |
определенную величину, |
равную |
второму |
члену |
в правой части, |
который определяется |
входным |
сигналом |
Хг и |
рассогласованием между желательным значением выхода стро ки и его действительным значением, но отнюдь не устанавлива ется полностью заново, как в первом режиме записи.
Для осуществления любого из указанных режимов необходи мо иметь произвольный доступ к АЭ в процессе записи. Прин
ципиально для этого пригодны все методы, описанные |
в § 1-3, |
на практике же наибольшее распространение получили |
вариант |
с селектирующими сердечниками для трансфлюксоров |
[Л. 130, |
132, 134, 135] и метод совпадения переменного и постоянного токов для АЭ с высокочастотным считыванием [Л. 137—139].
Объяснение этого факта заключается |
в том, что во втором слу |
чае использовались пермаллоевые |
сердечники, обладающие |
* Функция sign а определяется следующим образом:
'1, а > 0 ;
signa = I 0, а = 0; - 1 , а<0.
П * |
163 |
лучшими пороговыми свойствами, чем ферритовые |
сердечники, |
||
из которых |
изготовляются |
трансфлюксоры. Однако |
сказанное |
не означает, |
что остальные |
методы записи непригодны для при |
менения в АЭ; скорее всего, указанные два способа использова лись потому, что они быстрее всего вели к успеху. Хорошо из вестно, что точность записи в АЭ может быть существенно ниже, чем в АЗЭ, но окончательное решение вопроса о методе записи может быть принято только с учетом конкретных характеристик задачи распознавания.
Рассмотрим технические особенности осуществления обоих режимов записи.
б) Прямой режим записи
Прямой режим записи, по существу, совпадает с режимами записи в АЗЭ, но, как только что отмечалось, точность записи, вообще говоря, может быть существенно ниже, чем в АЗЭ. Для разомкнутых схем записи (§ В-2, 3-1,6) удобнее всего использо
вать запись по числу импульсов, если |
применяются селектирую |
щие сердечники (§ 1-2,6) или схема |
с экранированием потока |
посредством короткозамкнутого витка |
(§ 1-2,а), и запись мето |
дом идеального намагничивания (§ 1-2,г), когда входные сигна лы заданы в форме постоянного тока. Схема с экранированием потока позволяет также производить запись, если входные сиг налы представлены в виде временных интервалов. Понятно, что в любом случае приходится перед записью устанавливать все АЭ в исходное положение. В трансфлюксорах это делается по дачей постоянного тока (§ 1-3), в тороидальных сердечниках — методом идеального намагничивания подачей одного лишь пере менного тока (§ 1-1,г) или встречным включением двух АЭ с переводом их в состояние насыщения постоянным током ана логично тому, как это было предложено в [Л. 83]. В разомкну
тых |
схемах запись удобно осуществлять параллельно во всех |
АЭ |
одной строки и последовательно по строкам. |
При использовании замкнутых схем (§ 3-1,6) запись удобно производить параллельно во все АЭ одного столбца и после довательно по столбцам. Принцип такого способа записи для АЭ на трансфлюксорах иллюстрируется рис. 4-11. (Для просто ты АЭ изображены состоящими из одного двухотверстого транс флюксора.) На каждом АЭ имеются четыре обмотки: обмотка возбуждения и выходная обмотка, проходящая через малое отверстие, и две обмотки записи, обеспечивающие запись совпа дением переменного и постоянного тока и проходящие через большое отверстие. Возбуждение подается только на один стол бец; тогда на выходах строк сигналы будут определяться со-
164
стоянием АЭ только в этом |
столбце. |
Если значение входного |
|
сигнала в этом |
столбце равно |
+ 1 , то |
выходные сигналы строк |
будут равны (с |
точностью до пропорциональности) действитель |
ным значениям весов в этом столбце; последние в схемах срав
нения сравниваются |
с заданными извне |
значениями |
весов, и |
с помощью схемы с |
обратной связью, как |
это описано |
в § 3-1, |
в АЭ устанавливаются заданные значения весов. Запись может быть как импульсной, так и непрерывной. Отметим, что началь ное состояние АЭ может быть любым, так как направление записи имеет реверсивный характер. Если предварительно уста навливать АЭ в одно и то же исходное положение, то можно
пользоваться и |
нереверсивной |
записью, |
при |
этом |
на |
столбцы |
||
можно подавать |
однополярные |
импульсы записи [Л. 131]. |
||||||
При использовании в АЭ вместо трансфлюксоров тороидаль |
||||||||
ных |
сердечников |
с высокочастотным |
считыванием |
провода |
||||
записи удается |
совместить с проводами |
возбуждения |
и выхода, |
|||||
к а к |
это показано на рис. 4-12. |
Переменный |
ток |
возбуждения, |
||||
к а к |
было отмечено |
в § 1-2,в, одновременно может |
использовать |
ся и как один из координатных токов записи, а провод строки
служит как |
для снятия суммарного |
выходного сигнала, так и |
для подачи |
второго координатного |
тока записи. Влияние по |
следнего на работу выходных цепей обычно полностью исклю чается узкополосным фильтром (см. рис. 4-5).
х,= | x 2 = 0 x m = Q п
Рис. 4-11. |
Схема обучения |
с использованием |
в АЭ |
трансфлюксоров |
|||
в |
первом |
режиме |
записи. |
|
|
|
|
ГЗ |
—1 генератор записи; |
СС |
— схема сравнения; |
ВС — выходная |
схема. |
16 5
Схему выбора АЭ посредством селектирующих сердечников (§ 1-2,6) можно применять как для АЭ, построенных на трансфлюксорах, так и на тороидальных сердечниках. В отличие от генераторов записи, изображенных на рис. 4-11 и 4-12, в этом случае используются генераторы записи с двумя выходами:
один для тока i* , другой для /~ ц (см. рис. 1-17,в). Временная программа подачи импульсов тока строк i* , i~
и импульсов тока столбцов г~ , i* здесь несколько отличается
от описанной в § 1-2,6, так как после каждого такта записи следует пауза, необходимая для считывания. Понятно, что при менение селектирующих сердечников допускает только импульс ный способ записи.
Отметим, что применение замкнутых схем позволяет произ водить запись построчно, как и в случае разомкнутых схем, од нако это потребовало бы т дополнительных выходных цепей
Рис. 4-12. |
Схема общения с |
использованием |
в АЭ |
тороидальных |
сердечников |
в первом режиме |
записи. |
|
|
166
(по числу столбцов) и т проводов обратной связи. Матрица, построенная для построчного способа записи по замкнутой схе ме, описана в работе [Л. 131]. При построении адаптивных эле ментов на цилиндрических или плоских магнитных пленках удобно применять запись совпадением переменного тока возбуж дения и импульсов постоянного тока (§ 4-5,в). Таким образом, процессы записи в адаптивных элементах на тороидальных сер дечниках, использующих метод совпадения переменного и посто янного полей, и в адаптивных элементах на тонких пленках формально являются одинаковыми, несмотря на существенные различия в механизмах перемагничивания. Так как характери стики зависимостей выходного сигнала от числа импульсов по стоянного тока являются существенно нелинейными (§ 1-5,а), то при записи необходимо применять обратную связь точно так же, как это делается и при использовании тороидальных сердечни ков (рис. 4-12).
Рис. 4-13. Схема обучения |
с |
использованием |
в АЭ |
тороидальных сердечников |
во |
втором режиме |
записи. |
Г и Г2 — генераторы переменного |
|
тока. |
|
167
в) Запись при реализации итеративных алгоритмов
Для этого режима записи непригодны такие методы, которые связаны со стиранием всей предыдущей информации, как, на пример, методы идеального намагничивания (§ 1-1,г) или запи си непрерывным током (§ 1-1,а). Важно, чтобы сигнал записи управлял величиной приращения магнитного потока по отноше нию к накопленному ранее потоку, но не по отношению к не которому исходному фиксированному потоку (чаще всего ну
левому или потоку насыщения). |
Такими |
характеристиками |
|||
обладают методы записи импульсами напряжения |
(§ 1-1,6) или |
||||
импульсами тока |
(§ 1 -1 ,в) . Сравнивая |
формулы |
(1-1) и (1-7) |
||
с ( В - 3 ) , можно сказать, что функционал |
F является |
интегралом, |
|||
а сигнал адаптации z представлен |
в форме |
напряжения или |
|||
тока. Величину |
приращения б, |
фигурирующую |
в формуле |
(4-10), можно изменять посредством вариации параметров им пульса.
Проще всего рассматриваемый режим записи реализовать при использовании метода совпадения переменного и постоян
ного тока для АЭ, построенных на |
тороидальных |
сердечниках, |
|||||
как это показано на рис. 4-13. |
Эта |
схема |
похожа |
на |
схему |
||
рис. 4-12, и |
основное ее отличие |
в |
том, что |
схемы |
сравнения |
||
заменяются |
на специальную схему |
управления |
записью |
СУЗ. |
Порядок работы схемы следующий. При поступлении дискрет
ных входных |
сигналов |
хь ..., |
хт |
на |
выходе |
матрицы |
образуют |
|
ся напряжения P i t ..., |
Р г , которые |
подаются |
в |
СУЗ; |
последняя |
|||
анализирует |
величины |
Р ь |
. . . , |
Р г |
посредством |
сравнения их |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. - |
/'см |
Рис. |
|
4-15. |
Схема |
обучения |
при |
использо- |
|
|||
' вании |
в АЭ селектирующих |
сердечников |
|
|||||||
во |
втором |
режиме |
|
записи. |
|
|
|
|||
Ги |
Г2 |
— |
генераторы |
|
переменного |
|
|
|||
тока; |
ГС |
— генератор |
|
импульсов |
|
|
||||
тока |
смещения. |
|
|
|
|
|
U-'зап |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. |
|
4-16. |
Временные |
диаграммы |
при |
|
||||
использовании |
в |
АЭ |
|
|
L J |
|||||
селектирующих |
|
сердечников. |
|
169
между собой или определения зна ка этих величин или каким-то более сложным образом и находит знак желательного изменения выходных величин APi, ..., АРГ- Далее запись проводится в два этапа, необходи мость в которых вызвана тем, что
входные |
величины имеют |
разные |
|||||
знаки. |
Действительно, |
как |
следует |
||||
из (4-10), для тех весов |
cik, |
которые |
|||||
находятся |
в |
столбцах |
со |
входами |
|||
Xi = |
+ |
1, |
знак |
поправки |
Асш = |
||
= d e s i g n A P h |
совпадает со |
знаком |
|||||
АРи, |
а если х» = |
— 1, то знаки Д с ^ и |
|||||
АРи |
различны. |
Поэтому на |
первом |
||||
этапе |
управление генераторами за |
||||||
писи осуществляется таким |
образом, |
что они выдают импульсы записи того же знака, что и APh- При этом включается только ключ Ки т. е. за пись производится только в тех столбцах, где Xi = -\-\. На втором этапе импульсы записи меняют знак и включается только ключ Кг, т. е. запись производится только в тех
столбцах, где |
Xi = — 1. |
В |
соответст |
|||
вии |
с |
(4-10) |
в |
АЭ, |
для |
которых |
xt = |
0, |
запись |
не |
производится, так как в этих АЭ отсутствует |
'переменный ток *.
В принципе, используя метод совпадения переменного и по стоянного тока, можно осуществить запись по описанным выше правилам и при использовании трансфлюксоров, однако это по влечет за собой некоторое усложнение схемы, так как в трансфлюксорах требуется по два провода на столбец — отдельно для записи и возбуждения, поэтому и число входных ключей удваивается. Соответствующая схема изображена на рис. 4-14. Ее работа ничем не отличается от работы схемы на рис. 4-13,а; единственная разница заключена в том, что ключи Ki и Кг во время считывания целесообразно отключать во избежание по мех на выходе АЭ.
* Если входные сигналы двоичные (1, 0), то запись производится в один этап. В АЭ тех столбцов, в которых Xi = l, веса корректируются, а в АЭ столб цов, в которых Хг=0, коррекция не происходит. Естественно, что ключ Кг в этом случае отсутствует.
170