Campo de la invención

La presente invención se relaciona al campo de las estructuras reconfigurables y, más particularmente, a los dispositivos electrónicos multivibrador reconfigurables. Como un principio subyacente, en esta invención se utiliza la riqueza dinámica de los sistemas nolineales (caóticos) para proveer diferentes alternativas, o realizaciones de multivibradores. Donde un circuito oscilador nolineal, un circuito de entrada simple, y una función de comparador (circuito de salida) son llevados a operar en un modo aestable, monoestable o biestable.

Antecedentes de la invención

Es ^' sabido que el caos es útil. De hecho, bajo ciertas condiciones, es una característica deseable de sistemas y circuitos. La riqueza dinámica del comportamiento caótico tiene aplicaciones potenciales significativas en problemas del mundo real, incluyendo comunicaciones seguras, excitación persistente, procesamiento y encriptamiento de información, por mencionar solo algunas (Ott, 2002 "Chaos ¡n Dynamical Systems (Cambridge University Press, UK); Strogatz, S.H. 2001 "Nonlinear Dynamics, and Chaos: with applications to physics, biology, chemistry, and engineering (Westview Press, USA)); Tam et al., 2007 "Communications with Chaos: Múltiple access techniques and performance (Elsevier Science Press, Great Britain)). En particular, la presente invención utiliza teoría del caos para diseñar un elemento multivibrador reconfigurable, de modo que se tienen diferentes configuraciones en un circuito todo-en-uno.

Un circuito multivibrador es un sistema simple de dos estados que tiene solo una de tres posibles configuraciones, estas son:

(i) Multivibrador Aestable, en esta configuración, ambos estados del sistema son inestables. Como consecuencia, la salida del circuito permanece una cantidad dada de tiempo en un estado, y luego en el otro, moviéndose de ¡da y vuelta de uno a otro en un ciclo repetido continuamente. Usualmente, esta configuración es utilizada para generar secuencias y pulsos con una frecuencia y ancho dados, vea por ejemplo JP53085479, US4191927. (¡i) Multivibrador Monoestable, en esta configuración, un estado del circuito es estable mientras la otra es inestable. De modo que, el sistema puede pasar un tiempo en el estado inestable, pero eventualmente se moverá hacia el estado estable y permanece en ahí en delante. Esta configuración puede ser utilizada, como una instancia; para definir un periodo de tiempo de actividad medido desde un evento, por ejemplo en JP57044768 y en US4430682 multivibradores monoestables son utilizados para medir tiempos en motores.

(iii) Multivibrador Biestable, en esta configuración ambos estados son estables. Esto implica que el circuito permanece en su estado actual, hasta ser forzado d cambiar al otro estado por un evento o entrada externa. Un sistema multivibrador biestable puede ser utilizado como un bloque de construcción fundamental en un dispositivo de memoria o registrador, por ejemplo en las patentes de EE.UU. 4081840 y 41 1927, un multivibrador biestable es utilizado como parte de un dispositivo de conmutación. Hay gran interés en desarrollar nuevos paradigmas de trabajo para complementar e inclusive reemplazar las configuraciones estáticas actuales. Una de las ideas más nuevas es cómputo caótico, el cual se enfoca en desarrollar dispositivos con arquitecturas lógicas dinámicas y emplea elementos nolineales o caóticos en las operaciones lógicas. Aplicaciones de cómputo caótico requieren el desarrollo de compuertas lógicas dinámicas (también llamadas celdas lógicas) que sean capaces de cambiar sus respuestas de acuerdo con señales umbral de referencia y señales de desfasamiento para producir diferentes compuertas lógicas. Estas compuertas lógicas dinámicas podrán ser base del desarrollo de componentes lógicos para la nueva generación de computadoras. Invenciones recientes relacionadas con las compuertas lógicas explotan las caracterisiticas de los sistemas dinámicso nolineales a través de sus implementaciones electrónicas son por ejemplo, patentes EE.UU. 8091062, 7973566, 7924059, 7863937, 7415683, 7096437, 7453285, 7925814, 7925131 y la solicitud de patente 2010/0219858. Estas invenciones hacen uso de arquitecturas de cómputo caótico basadas en elementos nolineales, mientras que la presente invención revela un multivibrador reconfigurable utilizando un oscilador nolineal. Estructuras reconfigurables basadas en caos han sido investigadas por largo tiempo, con resultados significativos, tales como: [Cafagna, D. & Grassi, G. 2005. "Chaos-based computaron vía Chua's circuit: Parallel computing with application to the SR flip-flop," Int. Symp. Sign. Circuits Syst. 2, 749-752.] donde el circuito caótico de Chua es utilizado para obtener dos compuertas lógicas de dos variables de estado, de esa lógica basada en caos ellos ¡mplementaron dos compuertas ÑOR y construyeron un dispositivo estándar digital biestable estándar (flip-flop). Realizaciones alternativas de compuertas lógicas basadas en caos han sido reportadas en [[Sinha, S. & Ditto, W. 1998 "Dynamics based computations," Phys. Rev. Lett. 81 , 2156-2159.; Murali K., Sudeshna S. 2003 "Experimental realization of chaos control by thresholding", Physical Review E., vol. 68, Jul. 14, 2003; Campos-Cantón E., J. G. Barajas-Ramírez, G. Solís-Perales, R. Femat, 2010, "Multiscroll attractors by switching systems". CHAOS, 20: 0131 16]]. Con estas compuertas lógicas es posible construir únicamente un multivibrador biestable estático.

Diferentes métodos para la construcción de multivibradores ha sido descritos, por ejemplo en las patentes EE.UU. 6281732, 4301427, y de Gran Bretaña GB1416931 se describen construcciones de multivibradores estables, monoestables y biestables basadas en amplificadores estabilizantes, mosfets e inversores. Sin embargo, a diferencia de la presente invención esos multivibradores tienen configuraciones fijas, sin la posibilidad de reconfiguración. En muchas aplicaciones de multivibradores más de una configuración es requerida, por ejemplo en dispositivos de medición y control de temperatura, acústica, y temporización de motores (vea las patentes de EE.UU. US4081840, US731082, y Japón JP53085479). En estas invenciones es obligatorio combinar más de una configuración de multivibrador. El multivibrador reconfigurable provisto en la presente invención describe un solo dispositivo para obtener un multivibrador todo-en-uno de las tres configuraciones (monoestable, aestable, y biestable).

Breve descripción de la invención La presente invención describe y reclama un elemento multivibrador dinámicamente reconfigurable, que Comprende: un bloque de entrada acoplado a un sistema nolineal caótico con una entrada de control que ajusta los parámetros, de modo que se cambie a la configuración de multivibrador deseada y acoplada a un bloque de salida, en donde, el sistema nolineal caótico es un sistema Lineal por partes (PWL) caótico, y en donde el bloque de salida comprende al menos un circuito comparador. En dicho elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente el ajuste de los parámetros permite que se obtengan las tres diferentes configuraciones de multivibrador, aestable, biestable, y monoestable. Más aun, en donde el elemento multivibrador reconfigurable se pone en la configuración biestable, se convierte en una modalidad del dispositivo lógico biestable S completo (flip- flop), tal que este flip-flop SR completo acepta todas las entradas lógicas (S,R) ): (0,0) , (0, 1 ) , ( 1 ,0) y ( 1 , 1 ) y responde con (Qn+ 1 ) : Qn, 0, 1 ,and Qn, respectivamente.

Asimismo, dicho elemento multivibrador reconfigurable, cuando se pone en la configuración aestable se convierte en la modalidad de un generador de pulsos de periodo irregular, cuando el elemento nolineal oscila caóticamente, o regular cuando oscila en un ciclo límite.

En una modalidad adicional, dicho elemento multivibrador reconfigurable, cuando es puesto en la configuración monoestable, se vuelve inestable en su estado lógico ceró y estable en el estado lógico uno.

Como una modalidad particular dicho elemento multivibrador reconfigurable comprende un bloque de entrada, un sistema lineal por partes caótico con una entrada de control que ajusta los parámetros tal que cambie a una configuración de multivibrador deseada, y un bloque de salida con al menos un circuito comparador.

También se describe y reclama un dispositivo lógico biestable (flip-flop) SR completo, que comprende el elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente descrito arriba.

Finalmente un dispositivo generador de pulsos es descrito, que comprende el elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente descrito arriba.

Breve descripción de las figuras. FIG. 1 es un diagrama de bloques de un dispositivo multivibrador reconfigurable dinámicamente utilizando un circuito de entrada, un oscilador nolineal y una función de comparador en el circuito de salida.

FIG. 2 es un circuito esquemático del dispositivo multivibrador reconfigurable de la Fig. 1 de acuerdo con una modalidad de la presente invención; los elementos 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230, 232 y 234 constituyen el bloque de entrada, el bloque de salida consiste de los elementos 236, 238, 240, 242, 244 y 246, y el oscilador nolineal esta constituido por los elementos 248, 250, 252, 254, 256, 258, 260, 262, 264, 266, 268, 270, 272, 274, 276, 278 y 280.

FIG. 3 es una serie de diagramas de tiempo ilustrando la secuencia representativa de implementaciones de la configuración de multivibrador biestable lograda de acuerdo con los arreglos inventados y descritos en este documento para la generación de un dispositvo digital biestable (flip flop) SR completo. FIG. 4 es una serie de diagramas de tiempo ilustrando una secuencia representativa de implementaciones de la configuración de multivibrador aestable lograda utilizando el elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente descrito en la presente invención.

FIG. 5 es una serie de diagramas de tiempo ilustrando una secuencia representativa de implementaciones de la configuración de multivibrador monoestable formada de acuerdo con los arreglos inventados que se describen en este documento.

Descripción detallada de la invención

La presente invención comprende un elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente basado en dinámica nolineal (caótica) la cual, a través de un control modulador de parámetros diseñado especialmente, opera como una de las tres configuraciones de multivibrador, específicamente, como un circuito multivibrador aestable, monoestable o biestable. La ventaja del elemento es que un solo dispositivo (todo-en-uno) es capaz de lograr las tres configuraciones sin componentes multivibradores adicionales. Para el alcance de la invención, el termino elemento debe ser entendido como un circuito que puede ser incorporado a un sistema más grande, el dispositivo o circuito adecuado para los propósitos de la invención.

La invención comprende la dinámica nolineal de un sistema lineal por partes (PWL) utilizado para proveer las tres diferentes configuraciones de multivibrador. Estructuralmente los sistemas PWL son muy simples, consisten de descripciones lineales para cada partición de su espacio de estados. Esta simplicidad los vuelve particulamente adecuados para implementaciones electrónicas, e.g. por medio de amplificadores operacionalés. Por otro lado, estos pueden producir comportamientos dinámicos que van desde puntos fijos estables a atractores caóticos multienroscados. Como se describe en [Campos-Cantón E., J. G. Barajas-Ramírez, G. Solís-Perales, R. Femat, 2010, "Multiscroll attractors by switching systems". CHAOS, 20: 0131 16], diferentes regímenes dinámicos pueden imponerse en las soluciones de un sistema PWL ajusfando adecuadamente los parámetros del sistema. De esta manera, una analogía entre las tres configuraciones de multivibrador y los regímenes dinámicos de un sistema PWL pueden ser obtenidas ^• como sigue:

(i) Multivibrador Aestable. Aplicando control por modulación de parámetros, un sistema PWL puede ser forzado a tener un atractor caótico de dos enroscados con una región de atracción que cubra por completo su dominio. Asociando a cada enroscado un estado de salida diferente, mientras las trayectorias del sistema se mueven a lo largo del atractor, el estado de salida estará cambiando continuamente de un estado de salida al otro, lo cual corresponde con el comportamiento de un multivibrador aestable. Es de notar que dado que las transiciones entre los estados de salida ocurren conforme la trayectoria se mueve a lo largo del atractor caótico, las transiciones ocurrirán a tiempo irregulares, sin tener un periodo fijo.

(¡i) Multivibrador monoestable. Un sistema PWL controlado puede ser forzado a tener un atractor caótico con un solo enroscado para todo su dominio. Dividiendo el dominio a lo largo del eje central con el atractor de un solo enroscado contenido en un lado, es posible asociar un estado de salida a la parte del dominio vacia y el otro estado de salida al atractor caótico con un enroscado. Entonces, conforme las trayectorias se mueven de la mitad vacia del domino hacia el atractor de un solo enroscado, el estado de salida estará en un valor por un rato, y luego, cuando la trayectoria alcance el atractor caótico, la salida conmutará al otro estado y permanecerá en el de ese momento en adelante. De esta manera, el comportamiento de un multivibrador monoestable es obtenido de un sistema PWL vía control de caos. fin) Multivibrador Biestable. Bajo un control de modulación de parámetros adecuado un sistema PWL puede ser forzado a tener dos atractores de un enroscado diferente localizado a cada lado del eje central de su domino, cuando se tienen dos atractores caóticos estables y es posible generar solamente uno de ellos dependiendo de las condiciones iniciales, en este caso se dice que el sistema presenta caos biestable. En este caso las trayectorias seguirán solo uno de los atractores de acuerdo con las condiciones iniciales. Esto es, en caos biestable, cada atractor tiene su propia región de atracción. Entonces, asociando cada estado de la salida a cada una de las distintas regiones de atracción de cada atractor caótico de un solo enroscado, si una condición inicial es puesta en uno de los atractores el estado de salida permanecerá en ese valor de ese momento en adelante. Sin embargo, si las condiciones iniciales son puestas en el lado opuesto, el otro valor de salida será presentado en delante. De tal forma que, el comportamiento de multivibrador biestable es obtenido del sistema PWL controlado.

Así, la presente invención provee un multivibrador reconfigurable que puede ser configurado para funcionar como uno de una variedad de diferentes multivibradores tales como un multivibrador biestable, monoestable y un aestable. La funcionalidad del multivibrador reconfigurable puede ser alterada cambiando uno o más parámetros del oscilador nolineal. El multivibrador reconfigurable puede funcionar, por ejemplo, como un tipo de multivibrador, tal como un multivibrador biestable, y durante su operación puede ser intruido a comenzar a operar como otro tipo de multivibrador, de modo multivibrador aestable o monoestable o combinaciones de estos. Aplicaciones son ilustradas abajo en este documento diseñando un circuito que funciona como un generador de pulsos y un dispositivo lógico biestable (flip-flop) S completo basados en el elemento multivibrador reconfigurable. La Tabla 1 presentada abajo ¡lustra la tabla de verdad de las operaciones básicas. Por ejemplo, la columna 3 ¡lustra la función de un multivibrador biestable dadas las entradas (S,R), la columna 4 muestra la función de un multivibrador aestable dadas las entradas (S,R), y la columna 5 muestra la función de un multivibrador monoestable dadas las entradas (S,R).

La figura 1 es un diagrama esquemático ¡lustrando a nivel de pespectiva la arquitectura del circuito 100 para una multivibrador reconfigurable de acuerdo con la presente invención. Por lo tanto, esta figura 1 describe las características técnicas esenciales de la invención, y deberá ser tomada como el principio fundamental de la misma. Como se muestra, el multivibrador reconfigurable puede incluir un oscilador nolineal 1 19, un controlador de parámetros 1 12, un circuito de entrada 106, y un circuito de salida 1 16. El controlador de parametos provee unos parámetros ajustables que cambian la estabilidad del oscilador nolineal. El bloque de entrada puede recibir las señales de entrada S 102 y R 104, cuando S y R son ¡guales la señal 108 es nula, pero cuando son diferentes entonces la señal 108 forza al oscilador nolineal 1 10. El bloque de salida 1 16 recibe la señal 1 14 la cual es comparada con la señal de referencia para generar el cero lógico o el uno lógico que son enviados a la salida Q 1 18.

La operación del oscilador nolineal 1 10 de acuerdo con la presente invención pude ser descrita mediante el siguiente modelo matemático:

Donde es un resistor negativo nolineal el cual esta descrito por:

Con Entonces, el oscilador nolineal 1 10 puede ser implementado como un circuito de Chua tridimensional. La dinámica dada por corresponde a un dispositivo físico, los valores dé los parámetros y condiciones iniciales que satisfacen las condiciones derivadas de la tabla de verdad a ser ¡mplementada deben ser determinadas. En cualquier caso, los técnicos en la materia reconocerán que otras funciones también pueden ser utilizadas incluyendo, pero no limitándose a, funciones caóticas de tiempo discreto.

EJEMPLOS

Como una realización preferida, que debe ser tomada como un ejemplo de trabajo pero no limitante del alcance de la invención, la Figura 2 representa el diagrama esquemático ilustrando un circuito ejemplificador de la implementacón de un elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente 100 mostrado en la Figura 1. La operación del bloque de entrada de acuerdo a la presente invención puede ser descrita como sigue: hay dos entradas 202 (S) y 204 (R) que son introducidas al sistema mediente los resistores 214 (R9) y 206 (Ré) . La entrada 204 (R) es pasada a través del amplificador inversor dado por el amplificador operacional 210 (U2) y el resistor 206 (RÓ) y 208 (R7) . La salida del amplificador operacional 216 (U3) es el voltaje 262 (V i ) el cual es sumado con la señal de entrada 202 (S) y la salida del amplificador operacional 210 (-R) a través de las resistencias 212 (R ₈ ) , 214 (R ₉ ) , 218 (Rio) y 220 (Rn ) y el amplificador operacional 222 (U4) mediante el sumador inversor. De modo que la salida de 222 (Va) es R-S-Vi ¡204-202-262) debido a que todos los valores de resistencia del bloque de entrada son iguales a 1 kü, excepto por el resistor 234 (Ru) , el cual esta puesto a 100 kü, El voltaje 224 (Va) es pasado a través del amplificador operacional 230 (U ₅ ), generando el voltaje 232 (Vn). El voltaje 232 (Vn) es obtenido de Vi+S-R, siempre que las entradas 202 y 204 sean ¡guales (S=R) el voltaje 232(Vn) es igual al voltaje 262 (Vi) y la corriente circulando a través del resistor 234 (Ru) es cero.

La operación del bloque de salida de acuerdo con la presente invención puede describirse como sigue: el voltaje de entrada para este bloque es 262 (Vi) que es pasado a través de un amortiguador 236 (Uá) y después de un filtro pasa bajas conformado por el resistor 238 (R15) y el capacitor 240 (C3), esta señal es pasada por el amortiguador 242 (U7) y un comparador 244 (U8), generando la señal de salida 246 (Q).

El oscilador nolineal tiene la siguiente relación entre los componentes electrónicos en la figura 2 y los parámetros del modelo matemático:

Donde el capacitor 260 es el capacitor 254 es el inductor 250 es con resistencia interna 248 es los resistores 270 y 268 son iguales a 220Q. Los resistores y 280 son potenciómetros de El potenciómetro esta ajustado a los otros de acuerdo a la Tabla 2. El parámetro bi esta activo cuando el diodo 274 Di esta en su voltaje directo de conducción y el parámetro b2 esta activo cuando el diodo 278 D2 esta en su voltaje directo de conducción.

La forma biestable del multivibrador ¡Ilustrado en la Figura 2 es controlada por las entradas de acuerdo con la Tabla 1 y los potenciómetros 272 (Ri), 276 (R4) y 280 (R5) ajustados de acuerdo a la Tabla 2.

Cuando el elemento multivibrador es configurado como biestable, se convierte en una parte, por ejemplo, de un dispositvo lógico biestable (flip-flop) SR completo. De modo que, la Figura 3 es una serie de diagramas de tiempo ¡lustrando las secuencias temporales de la ¡mplementación representativa de un multivibrador en configuración biestable formada de acuerdo con las arreglos descritos en una modalidad especifica de la invención, la cual genera un dispositivo lógico biestable (flip-flop) SR-completo. Las secuencias temporales del ejemplo de implementación de multivibrador biestable, de arriba abajo, representan: ( 1 ) Primera Entrada S; (2) Secunda Entrada R; y (3) la salida Q.

Una ventaja de la configuración de multivibrador biestable de acuerdo con la presente invención es que todas las entradas son permitidas, i. e., el sistema esta correctamente determinado particularmente para las entradas (S,R)=(1 ,1 ); como se muestra en la Tabla 1.

La forma aestable del multivibrador ¡Ilustrada en la Figura2 esta en operación libre cuando los potenciómetros 272 (Ri), 276 (R4), y 280 (Rs) son ajustados de acuerdo a la Tabla 2, y las entradas son ajustadas a cero voltios. Cuando el element multivibrador es configurado como aestable, se convierte en parte de un, por ejemplo, un generador de ruido. Por lo tanto, la Figura 4 es una serie de diagramas de tiempo ¡lustrando una ¡mplementación representativa de - multivibrador en configuración aestable de acuerdo a un ejemplo particular de una modalidad del elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente de la presente invención y también puede generar una señal de salida con forma de onda rectangular periódica. La circuitería de entrada puede ser omitida, dado que el multivibrador aestable es mostrado en su forma de operación libre, de modo que la línea del resistor 234 al nodo 262 (Vi) puede ser cortada.

Una ventaja de la forma aestable del multivibrador de acuerdo con la presente invención es que provee tiempo de subida y bajada similares en la forma de onda rectangular, así como periodo de encendido/apagado simétricos. Mas aun, debido a la dinámica nolineal y la posibilidad de inducir caos es posible generar formas de onda rectangulares irregulares o caóticas que puden ser utilizadas como un generador de ruido.

La forma monóestable del multivibrador ¡lustrado en la Figura 2 esta en operación libre cuando los potenciómetros 272 (R1 ), 276 (R4) y 280 (R5) están ajustados de acuerdo con la Tabla 2, y las entradas están ajustadas a cero voltios.

En tal configuración monóestable, la figura 5 es una representación del diagrama de tiempo de una implementación representativa del multivibrador monóestable configurado de acuerdo con el elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente descrito arriba.

Como consecuencia, un multivibrador, un conjunto de multivibradores, o todo los multivibradores contenidos en el sistema pueden cambiar de funcionalidad de acuerdo con los detalles provistos en la Tabla 2, de los cuales los parámetros pueden cambiar de acuerdo con la aplicación del elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente utilizando un ejemplo que incorpore componentes analógicos específicos. Aquellos experimentados en el área podrán reconocer que dichos componentes han sido provistos solo con fines ilustrativos. Por lo tanto, cualquier variedad de diferentes componentes, sean estos equivalentes funcionalmente, variantes, o alternativos de los componentes analógicos o de los componentes de alto nivel (Le. de la Figura 1 ) descritos en este documento, puede ser utilizado y están dentro del alcance de esta invención. Como tal, la invención no esta limitada al uso de los componentes o conjunto de componentes particulares.

A la luz de lo arriba descrito, un elemento multivibrador reconfigurable dinámicamente es diseñado adicionando modulación paramétrica la cual modifica las propiedades de estabilidad de los subsistemas lineales. Debido a que la generación de caos es explotada, el elemento multivibrador incorpora características dinámicas en la arquitectura de las compuertas lógicas. Por lo tanto, la estructura lógica dinámica propuesta es más adaptable que las compuertas lógicas estáticas, de tal modo que es reconfigurable por modulación paramétricas. La reconfiguración nos permite lograr diferentes tareas con el mismo circuito. Esto es, la arquitectura propuesta puede servir como un componente de propósito general para dispositivos de cómputo con estructura flexible. Como una consecuencia de la modulación paramétrica, diversos enroscados son generados o inhibidos alrededor de los puntos de equilibrio de las secciones continuamente conexas del sistema nolineal PWL (caótico).