申请/专利权人：杭州电子科技大学

申请日：2019-04-23

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN110197688B

主分类号：G11C13/00(20060101)

分类号：G11C13/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.16#授权;2019.09.27#实质审查的生效;2019.09.03#公开

摘要：本发明公开了一种忆阻器电路，包括输入模块，单片机模块U1，开关模块U2，电阻网络，滞回控制模块U3。其中，输入模块与单片机模块U1相连，用于配置忆阻器的阈值电压及电阻值；单片机模块U1与开关模块U2相连接，用于控制开关模块U2以实现对忆阻器的阈值电压及电阻值控制；开关模块U2分别与输入端Vin、单片机模块U1和电阻网络相连接，用于根据单片机模块U1的控制指令实现对电阻网络不同通道的选择；电阻网络的一端与开关模块U2相连接，另一端与滞回控制模块U3相连接，用于输出相应阻值的电阻；滞回控制模块U3与电阻网络、地连接，用于模拟忆阻器双向滞回特性曲线的产生。

主权项：1.一种忆阻器电路，其特征在于，包括输入模块，单片机模块U1，开关模块U2，电阻网络，滞回控制模块U3，其中，滞回控制模块U3进一步包括第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2；输入模块与单片机模块U1相连，用于配置忆阻器的阈值电压及电阻值；单片机模块U1与开关模块U2相连接，用于控制开关模块U2以实现忆阻器的阈值电压及电阻值控制；开关模块U2分别与输入端Vin、单片机模块U1和电阻网络相连接，用于根据单片机模块U1的控制指令实现对电阻网络不同通道的选择；电阻网络的一端与开关模块U2相连接，其另一端与滞回控制模块U3相连接，用于根据开关模块U2的状态输出相应阻值的电阻；滞回控制模块U3与电阻网络和地连接，用于模拟忆阻器双向滞回特性曲线的产生；滞回控制模块U3采用继电器实现。

全文数据：一种忆阻器电路技术领域本发明属于电路设计技术领域，涉及一种忆阻器电路，具体涉及实现符合忆阻器电压、电流关系的硬件模拟电路。背景技术忆阻器是用来描述磁通量和电荷关系的二端无源器件，是一种具有记忆功能的新型非线性电阻，它的电阻大小由流经其内部电荷的方向和数量决定，所以能记忆每时每刻流经的电荷量，从而具备了记忆性。由于拥有超小的尺寸，极快的擦写速度，超高的擦写寿命，多阻态开关特性和良好的CMOS兼容性，忆阻器在非易失性存储器、大规模集成电路、人工神经网络和人工智能等方向有着巨大的研究潜能。忆阻器的出现对数字电路有着巨大的影响。因此探索忆阻器等效模型并能够实际运用到电路设计中，显得尤为重要。目前，虽然已有忆阻器等效电路研究成功，但总体研究以仿真模型为主。极少的几个由硬件电路构成的忆阻器等效电路，却因其原理较为复杂，导致难以应用到实际电路中；或者因为电路数据误差较大，难以精确模拟实际忆阻器的电压、电流特性。因此，设计一种原理简单、精确的忆阻器等效电路模拟实际的TiO2忆阻器将具有重要的意义。发明内容针对现在技术和研究成本上存在的问题，本发明提供了一种忆阻器电路，采用继电器及外围电路模拟忆阻器以及通过单片机实现阈值及阻值的可控，从而方便地实现TiO2忆阻器的伏安特性，可代替实际忆阻器进行实验测试和应用研究。本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：一种忆阻器电路，包括输入模块，单片机模块U1，开关模块U2，电阻网络，滞回控制模块U3，其中，滞回控制模块U3进一步包括第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2。输入模块与单片机模块U1相连，用于配置忆阻器的阈值电压及电阻值；单片机模块U1与开关模块U2相连接，用于控制开关模块U2以实现对忆阻器的阈值电压及电阻值控制；开关模块U2分别与输入端Vin、单片机模块U1和电阻网络相连接，用于根据单片机模块U1的控制指令实现对电阻网络不同通道的选择；电阻网络的一端与开关模块U2相连接，另一端与滞回控制模块U3相连接，用于输出相应阻值的电阻；滞回控制模块U3与电阻网络、地连接，用于模拟忆阻器双向滞回特性曲线的产生。所述输入模块中的按键K1、K2分别与单片机模块U1中STC89C51芯片的第10引脚、第11引脚连接，按键K1、K2的另一端接地。所述单片机模块U1中STC89C51芯片的第39引脚、第38引脚、第37引脚分别与U2开关模块CD4051的第11引脚、第10引脚、第9引脚相连；单片机芯片其他管脚按照单片机最小系统模块进行正常连接即可。所述的电阻网络包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，以上所有电阻的一端与滞回控制模块U3相连，另一端接入开关模块U2。所述开关模块CD4051芯片的第16引脚VDD和第7引脚VEE分别接入正负电源VCC与-VCC，第6引脚、第8引脚接地，第3引脚接输入端Vin，第1引脚与第六电阻R6的一端连接，第2引脚与第八电阻R8的一端连接，第4引脚与第九电阻R9的一端连接，第5引脚与第七电阻R7的一端连接，第12引脚与第五电阻R5的一端连接，第13引脚与第二电阻R2的一端连接，第14引脚与第三电阻R3的一端连接，第15引脚与第四电阻R4的一端连接。所述滞回控制模块U3以SRD-5VDC-SL-C型继电器为主要器件；其中第一滞回控制模块U3-1电路中还包含D1二极管4007，D1的正极与第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的另一端连接，D1的负极与第一电阻R1的一端、继电器第4引脚连接，第一电阻R1的另一端与继电器第1引脚连接；第二滞回控制模块U3-2电路中同样包括SRD-5VDC-SL-C和D2二极管4007，D2的负极与第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的另一端连接，D2的正极与第十一电阻R11的一端、继电器的第4引脚连接，第十一电阻R11的另一端与继电器的第1引脚连接；第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2的继电器第2引脚、第5引脚接地。上述技术方案中，本发明设计了一种能够实现单片机控制的阈值电压及电阻值可调型忆阻器等效模拟电路。该模拟电路含有滞回控制模块，输入模块，一个CD4051开关芯片，一个单片机芯片，构造简洁。在目前甚至在未来如果无法获得单个纳米级TiO2忆阻器件的情况下，用来代替实际的忆阻器可运用到相关电路设计中，对忆阻器的特性应用及领域范围研究具有重大意义。与现有技术相比，本发明实现忆阻器的模拟电路，从而能方便地实现TiO2忆阻器的伏安特性，可代替实际忆阻器进行实验测试和应用研究。本发明主要以滞回控制模块U3中继电器线圈吸合释放衔铁进行转变触点的过程引起整个电路的电流发生变化，模拟实际TiO2忆阻器件的伏安特性。利用继电器及外围电路实现忆阻器的滞回特性，其中第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2主要实现对输入信号正负半波的获取及滞回产生。单片机模块通过输入模块实现对开关芯片的控制，选择不同的负载通道，从而改变忆阻器模型电阻的不同阻值，实现忆阻器阈值变化的效果，改变模拟电路的忆阻器伏安特性。附图说明图1是本发明的电路结构框图。图2是本发明忆阻器等效模拟电路原理图。图3是本发明忆阻器等效模拟硬件电路测试图具体实施方式下面结合附图对本发明实例作详细说明。由图1所示，本发明忆阻器电路的原理框图，包括输入模块、单片机模块U1、电阻网络、开关模块U2和滞回控制模块U3组成。滞回控制模块U3中的第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2配合电阻网络中的负载电阻产生具有开关特性的双向滞回单元。单片机模块U1则是通过输入模块中的按键输入信号给单片机，然后作用于开关芯片，从而调整电阻网络中的负载阻值。以上四个模块均为实验室常见元器件，在硬件电路上较易实现，能够以一种简单的电路结构实现阈值及电阻值可控型忆阻器模拟电路。如图2所示为本发明忆阻器电路的电路原理图，其中，输入模块中的按键K1、K2分别与单片机模块U1中STC89C51芯片的第10引脚、第11引脚连接，按键K1、K2的另一端接地。STC89C51芯片的第39引脚、第38引脚、第37引脚分别与U2开关模块CD4051的第11引脚、第10引脚、第9引脚相连。电阻网络包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，以上所有电阻的一端与滞回控制模块U3相连，另一端接入开关模块U2。CD4051芯片的第16引脚VDD和第7引脚VEE分别接入正负电源VCC与-VCC，第6引脚、第8引脚接地，第3引脚接输入端Vin，第1引脚与第六电阻R6的一端连接，第2引脚与第八电阻R8的一端连接，第4引脚与第九电阻R9的一端连接，第5引脚与第七电阻R7的一端连接，第12引脚与第五电阻R5的一端连接，第13引脚与第二电阻R2的一端连接，第14引脚与第三电阻R3的一端连接，第15引脚与第四电阻R4的一端连接。滞回控制模块U3的第一滞回控制模块U3-1电路中包含SRD-5VDC-SL-C型继电器、D1二极管4007，D1的正极与第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的另一端连接，D1的负极与第一电阻R1的一端、继电器第4引脚连接，第一电阻R1的另一端与继电器第1引脚连接。第二滞回控制模块U3-2电路包括SRD-5VDC-SL-C型继电器、D2二极管4007，D2的负极与第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的另一端连接，D2的正极与第十一电阻R11的一端、继电器的第4引脚连接，第十一电阻R11的另一端与继电器的第1引脚连接；第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2的继电器第2引脚、第5引脚接地。上述电路的工作原理如下：滞回控制模块U3中的第一滞回控制模块U3-1，通过二极管D1使输入继电器第4引脚的信号转变为半波正弦信号。在半波信号的驱动下，继电器线圈工作，第一电阻R1经继电器内部由第1引脚到第2引脚再到地，与第4引脚到第5引脚再到地两条通路并联，由于继电器本身线圈电阻为70欧，整个第一滞回控制模块U3-1在并联后整体阻值约为65欧左右。由继电器工作手册知，当输入信号大于3.75V，电磁铁线圈吸引衔铁，使继电器内部触点发生转变，由原来的第2引脚转变为第3引脚，即图2所示U3-1单元继电器的第1引脚与第2引脚相连的内部初始连接转变为第1引脚和第3引脚相连，使U3-1单元由初始的并联电路转变成仅流经线圈到地的一条通路。当输入信号小于0.5V电压时，继电器的电磁铁线圈无法牢固吸引衔铁，所以经过极短暂的时间，触点又回到原位，使电路又回到初始状态。通过输入端Vin输入幅值为5V，频率为100HZ的正弦信号，滞回控制模块U3-1中继电器线圈吸合释放衔铁进行转变触点的过程引起整个电路的电流发生变化，从而产生正向滞回特性。如果搭配合适的负载阻值能够提高输入端Vin输入信号的频率。第二滞回控制模块U3-2原理与第一滞回控制模块U3-1相同，在二极管D2的作用下将会产生反向滞回特性。图3a，b，c为电阻网络中的负载阻值逐渐增大时得到的测试结果图。因此通过单片机控制改变电阻网络中的负载阻值的大小，实现调节此忆阻器的高低阻值变化的功能，同时也可以达到阈值变化的效果。在此模块基础上，如果把继电器第4引脚接入一定的可调电阻值，仍然能够达到调节效果。单片机模块U1与开关模块U2在整个电路中起到调节忆阻器阈值以及电阻值的作用。STC89C51芯片的第39引脚、第38引脚、第37引脚分别与CD4051开关芯片的第11引脚、第10引脚和第9引脚连接，在按下按键后，单片机在程序的作用下通过第39引脚、第38引脚、第37引脚选择CD4051开关芯片通道，以此调节电阻网络中接入电路的负载电阻值。当负载阻值发生变化时，整体电路的电流和滞回模块的电压将会发生变化，以而影响继电器模块的滞回特性，在整体电路上实现可调阈值电压和电阻值的效果。开关芯片CD4051的第16引脚VCC、第7引脚-VCC此时分别输入电压5V和-5V，但输入电压-VCC、VCC的值还受CD4051芯片第3引脚OutIn的输入信号电压控制，即第16引脚VCC、第7引脚-VCC输入电压必须大于等于输入信号的幅值电压。本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来验证本发明，而并非作为对本发明的限定，只要是在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种忆阻器电路，其特征在于，包括输入模块，单片机模块U1，开关模块U2，电阻网络，滞回控制模块U3，其中，滞回控制模块U3进一步包括第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2；输入模块与单片机模块U1相连，用于配置忆阻器的阈值电压及电阻值；单片机模块U1与开关模块U2相连接，用于控制开关模块U2以实现忆阻器的阈值电压及电阻值控制；开关模块U2分别与输入端Vin、单片机模块U1和电阻网络相连接，用于根据单片机模块U1的控制指令实现对电阻网络不同通道的选择；电阻网络的一端与开关模块U2相连接，其另一端与滞回控制模块U3相连接，用于根据开关模块U2的状态输出相应阻值的电阻；滞回控制模块U3与电阻网络和地连接，用于模拟忆阻器双向滞回特性曲线的产生；滞回控制模块U3采用继电器实现。2.根据权利要求1所述忆阻器电路，其特征在于，滞回控制模块U3采用SRD-5VDC-SL-C型继电器。3.根据权利要求1所述忆阻器电路，其特征在于，单片机模块U1采用STC89C51芯片。4.根据权利要求1所述忆阻器电路，其特征在于，U2开关模块采用CD4051芯片。5.根据权利要求1所述忆阻器电路，其特征在于，输入模块中的按键K1、K2分别与单片机模块U1中STC89C51芯片的第10引脚、第11引脚连接，按键K1、K2的另一端接地；STC89C51芯片的第39引脚、第38引脚、第37引脚分别与U2开关模块CD4051的第11引脚、第10引脚、第9引脚相连；电阻网络包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，以上所有电阻的一端与滞回控制模块U3相连，另一端接入开关模块U2；CD4051芯片的第16引脚VDD和第7引脚VEE分别接入正负电源VCC与-VCC，第6引脚、第8引脚接地，第3引脚接输入端Vin，第1引脚与第六电阻R6的一端连接，第2引脚与第八电阻R8的一端连接，第4引脚与第九电阻R9的一端连接，第5引脚与第七电阻R7的一端连接，第12引脚与第五电阻R5的一端连接，第13引脚与第二电阻R2的一端连接，第14引脚与第三电阻R3的一端连接，第15引脚与第四电阻R4的一端连接；第一滞回控制模块U3-1电路中包含SRD-5VDC-SL-C型继电器、D1二极管4007，D1的正极与第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的另一端连接，D1的负极与第一电阻R1的一端、继电器第4引脚连接，第一电阻R1的另一端与继电器第1引脚连接；第二滞回控制模块U3-2电路包括SRD-5VDC-SL-C型继电器、D2二极管4007，D2的负极与第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的另一端连接，D2的正极与第十一电阻R11的一端、继电器的第4引脚连接，第十一电阻R11的另一端与继电器的第1引脚连接；第一滞回控制模块U3-1和第二滞回控制模块U3-2的继电器第2引脚、第5引脚接地。

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