Электрическая модель солитона на реверсивной логике

Рассмотрены электрические модели солитона, способные имитировать линейное, плоскостное и объемное распространение волн ударного возбуждения в различных средах. Простейшая нереверсивная модель солитона выполнена на основе повторителя напряжения с RC-цепочкой задержки времени. Последовательное включение таких элементов способно имитировать линейное распространение волны возбуждения, а сама цепочка элементов может быть использована в качестве многоотводной линии задержки цифровых сигналов на значительные временные интервалы. Полноценная реверсивная модель солитона выполнена на основе реверсивного повторителя напряжения, что позволяет имитировать распространение волны возбуждения как в плоскости, так и в объеме среды. Цепочка или сеть электрических узлов реверсивной модели солитона (реверсивного повторителя напряжения) может быть использована для передачи без потерь информации на неограниченное расстояние.

Под солитоном (англ. solitary wave или одиночная волна) понимают единичную волну, радиально распространяющуюся в нелинейной среде от очага возбуждения на неограниченное расстояние. Солитон характеризуется постоянной скоростью распространения и неизменной формой. Впервые на солитон обратил внимание и затем описал его шотландский инженер-кораблестроитель Джон Скотт Рассел (John Scott Russell, 1808–1882) в 1834 г.

Наиболее узнаваемым солитоном является цунами – разрушительная волна, возникающая в морской среде при катастрофических геодинамических событиях. В этой связи вопрос моделирования возникновения и распространения солитонов исключительно актуален.

Немногочисленные электрические модели солитона чаще всего включали в себя совокупность LC-элементов, которые в бóльшей мере отвечали описанию гармонических волн. Одна из немногих адекватных электрических моделей солитона была описана в монографии [1].

На Рисунке 1 приведена схема единичного электронного строительного материала для создания простейший модели солитона. Узел нереверсивной модели солитона является примитивным элементом задержки импульса и содержит повторитель напряжения с высокоомным входным сопротивлением, а также входную RC-цепочку. При подаче на вход устройства электрического импульса возбуждения через диод VD1 и резистор R1 происходит заряд конденсатора C1 и его последующая разрядка на резистор R2. На выходе повторителя напряжения появляется импульс, сдвинутый по времени относительно исходного на время, в пределах которого напряжение на входе повторителя напряжения будет превышать порог его переключения.

Рисунок 1.	Единичный электрический узел нереверсивной модели солитона.

Последовательное включение цепочки таких элементов, Рисунок 2, позволяет имитировать поведение солитона при распространении его вдоль линии. В качестве источника возбуждения использован разряд конденсатора C1 на входную ячейку первого по счету элемента цепочки. Количество элементов цепочки не ограничено, поскольку сигнал, распространяемый вдоль цепочки, при определенных условиях не затухает во времени. При введении обратной связи с любого элемента цепочки на вход источника возбуждения (диод VD и R_ОТРАЖ) наблюдается возникновение бегущий по кругу волны возбуждения. В зависимости от параметров резистивных и емкостных элементов цепочки могут быть смоделированы реальные условия распространения волн возбуждения в различных средах.

Рисунок 2.	Электрическая нереверсивная модель солитона.

Более совершенной является реверсивная модель солитона, Рисунок 3, выполненная на основе реверсивного повторителя напряжения, дополненного элементами задержки импульса. Единичный электрический узел, Рисунок 3, или реверсивный повторитель напряжения основан на идеях, описанных в работах [2–4]. Импульс при поступлении на вход устройства (вывод 1) через нормально замкнутый элемент DA1.1 и цепочку задержки R2C1 поступает на вход повторителя напряжения DD1.1, включает коммутатор DA1.2 и без потерь проходит на выход устройства (вывод 2). Одновременно этот импульс открывает транзистор VT2 и отключает тем самым ключ DA1.3, препятствуя возникновению обратной связи.

Рисунок 3.	Единичный электрический узел реверсивной модели солитона (реверсивный повторитель напряжения).

Аналогичным образом можно рассмотреть процесс прохождения импульса, подаваемого на вывод 2 устройства.

На основе единичных электрических узлов реверсивной модели солитона может быть создана двухмерная или трехмерная модель распространения волны возбуждения в однородных или неоднородных средах, Рисунок 4.

Рисунок 4.	Двумерная модель солитона и волна распространения сигнала при возбуждении одной из его ячеек.

Последовательное включение электрических узлов реверсивной модели солитона можно использовать в качестве многоотводной реверсивной линии задержки цифровых сигналов на значительные временные интервалы.

Цепочка или сеть реверсивного повторителя напряжения как регенератора цифровых сигналов может быть использована для передачи без потерь информации на неограниченное расстояние.

Литература

1. Balasubramanian S.V. The Nonlinear Universe. Solitons, Chaos and Nonlinear Philosophy in Science, Technology, Arts, Management, Medicine and Spirituality. Chisinau: Scholarś Press, 2016. 236 p.
2. Шустов М.А. Реверсивные регенераторы логического уровня. Радиомир. 2011. № 4. С. 14–15.
3. Шустов М.А. Реверсивная работа логических элементов. РадиоЛоцман. 2019. № 8. С. 44–46.
4. Шустов М.А. Реверсивный УНЧ. РадиоЛоцман. 2019. № 2. С. 44–47.