CN103227713A - 一种实现自然指数混沌模拟电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现自然指数混沌模拟电路及方法，本发明利用单个二极管实现了电压的自然指数运算，采用了PN结热电压的补偿电路，使得指数混沌电路更为简单、精确和稳定，该自然指数混沌电路能够产生更为复杂的混沌信号，可用于基于混沌的保密通信及信息加密之中，使得信息的安全性更高。本发明丰富了混沌系统的种类数量，增加了实现混沌系统的电路类型，其中实现指数运算的方法及电路也可应用于其它需要进行指数运算的领域。

Description

一种实现自然指数混沌模拟电路及方法

技术领域

本发明涉及一种实现混沌电路的方法，具体涉及一种实现自然指数混沌模拟电路及方法。

背景技术

混沌信号具有连续宽谱和类随机特性，可应用于保密通信。保密通信所需的混沌信号由混沌电路产生，其安全性依赖于混沌信号的复杂性，正是由于系统自身的非线性才产生了复杂的混沌信号。现有的混沌系统一般具有分段线性、XY 或                                               

、

型的非线性项，而自然指数非线性项产生的混沌更为复杂。目前含

非线性项的混沌系统已被报导，但其指数实现电路用了两个三极管和两个二极管，电路复杂且难以匹配，且自然指数混沌系统还比较少，这是现有技术的不足之处。因此，构造新的自然指数的混沌系统，尤其给出一种设计指数混沌电路的优化方法是非常必要的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种实现自然指数混沌模拟电路及方法。

本发明一种实现自然指数混沌模拟电路，包括第一集成运算放大器U1、第二集成运算放大器U2、第三集成运算放大器U3、第一乘法器U4、第二乘法器U5、第三乘法器U6、第一匹配电阻R1、第二匹配电阻R2、第三匹配电阻R3、第四匹配电阻R4、第五匹配电阻R7、第六匹配电阻R8、第七匹配电阻R13、第八匹配电阻R15、第九匹配电阻R16、第十匹配电阻R17、第十一匹配电阻R18、第十二匹配电阻R19、第十三匹配电阻R20、第一可变电阻R5、第二可变电阻R6、第三可变电阻R9、第四可变电阻R10、第五可变电阻R11、第六可变电阻R12、第七可变电阻R14、第八可变电阻R21、第九可变电阻R22、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和二极管D1；所述的第一集成运算放大器U1、第二集成运算放大器U2、第三集成运算放大器U3采用信号为LF347，所述的第一乘法器U4、第二乘法器U5、第三乘法器U6采用的信号为AD633JN；

所述的第一集成运算放大器U1的1脚与第五匹配电阻R7的一端、第六匹配电阻R8的一端连接，第五匹配电阻R7的另一端与第三可变电阻R9的一端、第四可变电阻R10的一端和第一集成运算放大器U1的2脚连接，第三可变电阻R9的另一端与第二电容C2的一端、第二集成运算放大器U2的1脚、第一可变电阻R5的一端和第二乘法器U5的3脚连接，第四可变电阻R10的另一端与第一乘法器U4的7脚连接；第一集成运算放大器U1的3脚、5脚、10脚、12脚接地，4脚接+15V电源，11脚接-15V电源，6脚与第二匹配电阻R2的一端、第一电容C1的一端连接，第二匹配电阻R2的另一端与第一匹配电阻R1的一端、第一集成运算放大器U1的14脚连接，第一电容C1的另一端与第二乘法器U5的1脚、第一集成运算放大器U1的7脚和第三匹配电阻R3的一端连接，第一匹配电阻R1的另一端与第一可变电阻R5的另一端、第二可变电阻R6的一端和第一集成运算放大器U1的13脚连接，第二可变电阻R6的另一端与第一集成运算放大器U1的8脚、第四匹配电阻R4的一端、第一乘法器U4的1脚和第七可变电阻R14的一端连接，第一集成运算放大器U1的9脚与第三匹配电阻R3的另一端、第四匹配电阻R4的另一端连接；

所述的第一乘法器U4的2脚、4脚、6脚接地，第一乘法器U4的3脚与第十二匹配电阻R19的一端、第三电容C3的一端和第二集成运算放大器U2的8脚连接；第一乘法器U4的5脚接-15V电源，8脚接+15V电源；

所述的第二集成运算放大器U2的2脚与第六匹配电阻R8的另一端、第二电容C2的另一端连接， 3脚、5脚、10脚、12脚接地， 4脚接15V电源，第11脚接-15V电源，6脚与第九匹配电阻R16的一端、第八可变电阻R21的一端、第九可变电阻R22的一端和第十匹配电阻R17的一端连接，第九匹配电阻R16的另一端与第三集成运算放大器U3的8脚、第七匹配电阻R13的一端连接，第八可变电阻R21的另一端与第二集成运算放大器U2的14脚、第十三匹配电阻R20连接，第九可变电阻R22的另一端与第二乘法器U5的7脚连接；第二集成运算放大器U2的7脚与第十匹配电阻R17的另一端、第十一匹配电阻R18的一端连接，13脚与第十二匹配电阻R19的另一端、第十三匹配电阻R20的另一端连接，9脚与第三电容C3的另一端、第十一匹配电阻R18的另一端连接；

所述的第二乘法器U5的2脚、4脚、6脚接地，5脚接-15V电源，8脚接+15V电源；

所述的第三集成运算放大器U3的1脚与第五可变电阻R11的一端、第三乘法器U6的1脚、3脚连接，2脚与第五可变电阻R11的另一端、第七可变电阻R14的另一端连接，3脚、5脚、10脚接地，4脚接+15V电源，11脚接-15V电源，6脚与第六可变电阻R12的一端、二极管D1的阴极连接，7脚与第六可变电阻R12的另一端、第八匹配电阻R15的一端连接，9脚与第七匹配电阻R13的另一端、第八匹配电阻R15的另一端连接，12脚、13脚、14脚架空；

所述的第三乘法器U6的2脚、4脚、6脚接地，5脚接-15V电源，8脚接+15V电源，7脚与二极管D1的阳极连接。

一种实现自然指数混沌模拟电路的方法，乘法器U6实现电压

，并保持电压恒为正；把乘法器U6输出的正电压

加在二极管D1上，使通过二极管的正向电流按自然指数变化：

二极管D1电流通过集成运算放大器U3内的转换电路转换为按指数变化的电压，从而实现电压的指数运算，集成运算放大器U3内的反相器对电压

预先放大，补偿二极管指数电流中的热电压

，所述的I_S 是二极管的特征电流；

集成芯片LF347 内有4个运算放大器，集成运算放大器U1 第12、13、14引脚及其外围电阻R1、R5、R6构成第一加法器，实现Y+(-X)的的加法运算；集成运算放大器U1 的第5、6、7引脚及其外围电阻R2、电容C1构成第一积分器，第一积分器输出为X；第8、9、10引脚及其外围电阻R3、R4构成第一反向器，把X反向为-X并提供给所需-X的引脚；第一加法器、第一积分器和第一反相器实现了指数混沌系统第一个方程的运算：

集成运算放大器U1的第1、2、3引脚及其外围电阻R7、R9、R10构成第二加法器，乘法器U4实现-XZ运算并把输出送给第二加法器，集成运算放大器U2的第1、2、3引脚及其外围电阻R8、电容C2构成第二积分器，第二积分器输出为Y；此第二加法器和第二积分器实现了指数混沌系统第二个方程的运算：

集成运算放大器U2的第5、6、7引脚及其外围电阻R16、R17、R21、R22构成第三加法器，乘法器U5实现XY运算并把输出送给第三加法器，集成运算放大器U2的第8、9、10引脚及其外围电阻R18、电容C3构成第三积分器，积分器输出为Z，集成运算放大器U2的第12、13、14引脚及其外围电阻R19、R20构成第二反向器；集成运算放大器U3的第1、2、3引脚及其外围电阻R11、R14构成第一反向放大器，把-X放大后送至乘法器U6第1、2引脚，乘法器U6第7引脚输出的电压加在二极管D1上，产生的指数电流由集成运算放大器U3第5、6、7引脚构成的转换电路转换为指数电压，此指数电压通过集成运算放大器U3第8、9、10引脚构成的反向电路送至由集成运算放大器U2第5、6、7引脚构成的加法，最后完成指数混沌系统第三个方程的运算：

。

本发明的有益效果：

本发明构的指数混沌模拟电路只含一个二极管，结构简单，运算精确，稳定性好，可产生更为复杂的混沌信号供应用中选择，增加了混沌系统和实现混沌系统的电路类型，且能够和已有的混沌系统组成自动切换混沌系统。

附图说明

 图1是本发明的结构图；

 图2是本发明的原理图。

 具体实施方式

如图1所示，本发明一种实现自然指数混沌模拟电路，包括第一集成运算放大器U1、第二集成运算放大器U2、第三集成运算放大器U3、第一乘法器U4、第二乘法器U5、第三乘法器U6、第一匹配电阻R1、第二匹配电阻R2、第三匹配电阻R3、第四匹配电阻R4、第五匹配电阻R7、第六匹配电阻R8、第七匹配电阻R13、第八匹配电阻R15、第九匹配电阻R16、第十匹配电阻R17、第十一匹配电阻R18、第十二匹配电阻R19、第十三匹配电阻R20、第一可变电阻R5、第二可变电阻R6、第三可变电阻R9、第四可变电阻R10、第五可变电阻R11、第六可变电阻R12、第七可变电阻R14、第八可变电阻R21、第九可变电阻R22、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和二极管D1；所述的第一集成运算放大器U1、第二集成运算放大器U2、第三集成运算放大器U3采用信号为LF347，所述的第一乘法器U4、第二乘法器U5、第三乘法器U6采用的信号为AD633JN；

所述的第一集成运算放大器U1的1脚与第五匹配电阻R7的一端、第六匹配电阻R8的一端连接，第五匹配电阻R7的另一端与第三可变电阻R9的一端、第四可变电阻R10的一端和第一集成运算放大器U1的2脚连接，第三可变电阻R9的另一端与第二电容C2的一端、第二集成运算放大器U2的1脚、第一可变电阻R5的一端和第二乘法器U5的3脚连接，第四可变电阻R10的另一端与第一乘法器U4的7脚连接；第一集成运算放大器U1的3脚、5脚、10脚、12脚接地，4脚接+15V电源，11脚接-15V电源，6脚与第二匹配电阻R2的一端、第一电容C1的一端连接，第二匹配电阻R2的另一端与第一匹配电阻R1的一端、第一集成运算放大器U1的14脚连接，第一电容C1的另一端与第二乘法器U5的1脚、第一集成运算放大器U1的7脚和第三匹配电阻R3的一端连接，第一匹配电阻R1的另一端与第一可变电阻R5的另一端、第二可变电阻R6的一端和第一集成运算放大器U1的13脚连接，第二可变电阻R6的另一端与第一集成运算放大器U1的8脚、第四匹配电阻R4的一端、第一乘法器U4的1脚和第七可变电阻R14的一端连接，第一集成运算放大器U1的9脚与第三匹配电阻R3的另一端、第四匹配电阻R4的另一端连接；

所述的第一乘法器U4的2脚、4脚、6脚接地，第一乘法器U4的3脚与第十二匹配电阻R19的一端、第三电容C3的一端和第二集成运算放大器U2的8脚连接；第一乘法器U4的5脚接-15V电源，8脚接+15V电源；

所述的第二集成运算放大器U2的2脚与第六匹配电阻R8的另一端、第二电容C2的另一端连接， 3脚、5脚、10脚、12脚接地， 4脚接15V电源，第11脚接-15V电源，6脚与第九匹配电阻R16的一端、第八可变电阻R21的一端、第九可变电阻R22的一端和第十匹配电阻R17的一端连接，第九匹配电阻R16的另一端与第三集成运算放大器U3的8脚、第七匹配电阻R13的一端连接，第八可变电阻R21的另一端与第二集成运算放大器U2的14脚、第十三匹配电阻R20连接，第九可变电阻R22的另一端与第二乘法器U5的7脚连接；第二集成运算放大器U2的7脚与第十匹配电阻R17的另一端、第十一匹配电阻R18的一端连接，13脚与第十二匹配电阻R19的另一端、第十三匹配电阻R20的另一端连接，9脚与第三电容C3的另一端、第十一匹配电阻R18的另一端连接；

所述的第二乘法器U5的2脚、4脚、6脚接地，5脚接-15V电源，8脚接+15V电源；

所述的第三集成运算放大器U3的1脚与第五可变电阻R11的一端、第三乘法器U6的1脚、3脚连接，2脚与第五可变电阻R11的另一端、第七可变电阻R14的另一端连接，3脚、5脚、10脚接地，4脚接+15V电源，11脚接-15V电源，6脚与第六可变电阻R12的一端、二极管D1的阴极连接，7脚与第六可变电阻R12的另一端、第八匹配电阻R15的一端连接，9脚与第七匹配电阻R13的另一端、第八匹配电阻R15的另一端连接，12脚、13脚、14脚架空；

所述的第三乘法器U6的2脚、4脚、6脚接地，5脚接-15V电源，8脚接+15V电源，7脚与二极管D1的阳极连接。

如图2所示，一种实现自然指数混沌模拟电路的方法，乘法器U6实现电压

，并保持电压恒为正；把乘法器U6输出的正电压

加在二极管D1上，使通过二极管的正向电流按自然指数变化：

二极管D1电流通过集成运算放大器U3内的转换电路转换为按指数变化的电压，从而实现电压的指数运算，集成运算放大器U3内的反相器对电压

预先放大，补偿二极管指数电流中的热电压

，所述的I_S 是二极管的特征电流；

集成芯片LF347 内有4个运算放大器，集成运算放大器U1 第12、13、14引脚及其外围电阻R1、R5、R6构成第一加法器，实现Y+(-X)的的加法运算；集成运算放大器U1 的第5、6、7引脚及其外围电阻R2、电容C1构成第一积分器，第一积分器输出为X；第8、9、10引脚及其外围电阻R3、R4构成第一反向器，把X反向为-X并提供给所需-X的引脚；第一加法器、第一积分器和第一反相器实现了指数混沌系统第一个方程的运算：

集成运算放大器U1的第1、2、3引脚及其外围电阻R7、R9、R10构成第二加法器，乘法器U4实现-XZ运算并把输出送给第二加法器，集成运算放大器U2的第1、2、3引脚及其外围电阻R8、电容C2构成第二积分器，第二积分器输出为Y；此第二加法器和第二积分器实现了指数混沌系统第二个方程的运算：

集成运算放大器U2的第5、6、7引脚及其外围电阻R16、R17、R21、R22构成第三加法器，乘法器U5实现XY运算并把输出送给第三加法器，集成运算放大器U2的第8、9、10引脚及其外围电阻R18、电容C3构成第三积分器，积分器输出为Z，集成运算放大器U2的第12、13、14引脚及其外围电阻R19、R20构成第二反向器；集成运算放大器U3的第1、2、3引脚及其外围电阻R11、R14构成第一反向放大器，把-X放大后送至乘法器U6第1、2引脚，乘法器U6第7引脚输出的电压

加在二极管D1上，产生的指数电流由集成运算放大器U3第5、6、7引脚构成的转换电路转换为指数电压，此指数电压通过集成运算放大器U3第8、9、10引脚构成的反向电路送至由集成运算放大器U2第5、6、7引脚构成的加法，最后完成指数混沌系统第三个方程的运算：

。

上述说明并非对发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1. 一种实现自然指数混沌模拟电路，包括第一集成运算放大器U1、第二集成运算放大器U2、第三集成运算放大器U3、第一乘法器U4、第二乘法器U5、第三乘法器U6、第一匹配电阻R1、第二匹配电阻R2、第三匹配电阻R3、第四匹配电阻R4、第五匹配电阻R7、第六匹配电阻R8、第七匹配电阻R13、第八匹配电阻R15、第九匹配电阻R16、第十匹配电阻R17、第十一匹配电阻R18、第十二匹配电阻R19、第十三匹配电阻R20、第一可变电阻R5、第二可变电阻R6、第三可变电阻R9、第四可变电阻R10、第五可变电阻R11、第六可变电阻R12、第七可变电阻R14、第八可变电阻R21、第九可变电阻R22、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和二极管D1；所述的第一集成运算放大器U1、第二集成运算放大器U2、第三集成运算放大器U3采用信号为LF347，所述的第一乘法器U4、第二乘法器U5、第三乘法器U6采用的信号为AD633JN；

其特征在于：所述的第一集成运算放大器U1的1脚与第五匹配电阻R7的一端、第六匹配电阻R8的一端连接，第五匹配电阻R7的另一端与第三可变电阻R9的一端、第四可变电阻R10的一端和第一集成运算放大器U1的2脚连接，第三可变电阻R9的另一端与第二电容C2的一端、第二集成运算放大器U2的1脚、第一可变电阻R5的一端和第二乘法器U5的3脚连接，第四可变电阻R10的另一端与第一乘法器U4的7脚连接；第一集成运算放大器U1的3脚、5脚、10脚、12脚接地，4脚接+15V电源，11脚接-15V电源，6脚与第二匹配电阻R2的一端、第一电容C1的一端连接，第二匹配电阻R2的另一端与第一匹配电阻R1的一端、第一集成运算放大器U1的14脚连接，第一电容C1的另一端与第二乘法器U5的1脚、第一集成运算放大器U1的7脚和第三匹配电阻R3的一端连接，第一匹配电阻R1的另一端与第一可变电阻R5的另一端、第二可变电阻R6的一端和第一集成运算放大器U1的13脚连接，第二可变电阻R6的另一端与第一集成运算放大器U1的8脚、第四匹配电阻R4的一端、第一乘法器U4的1脚和第七可变电阻R14的一端连接，第一集成运算放大器U1的9脚与第三匹配电阻R3的另一端、第四匹配电阻R4的另一端连接；

所述的第一乘法器U4的2脚、4脚、6脚接地，第一乘法器U4的3脚与第十二匹配电阻R19的一端、第三电容C3的一端和第二集成运算放大器U2的8脚连接；第一乘法器U4的5脚接-15V电源，8脚接+15V电源；

所述的第二集成运算放大器U2的2脚与第六匹配电阻R8的另一端、第二电容C2的另一端连接， 3脚、5脚、10脚、12脚接地， 4脚接15V电源，第11脚接-15V电源，6脚与第九匹配电阻R16的一端、第八可变电阻R21的一端、第九可变电阻R22的一端和第十匹配电阻R17的一端连接，第九匹配电阻R16的另一端与第三集成运算放大器U3的8脚、第七匹配电阻R13的一端连接，第八可变电阻R21的另一端与第二集成运算放大器U2的14脚、第十三匹配电阻R20连接，第九可变电阻R22的另一端与第二乘法器U5的7脚连接；第二集成运算放大器U2的7脚与第十匹配电阻R17的另一端、第十一匹配电阻R18的一端连接，13脚与第十二匹配电阻R19的另一端、第十三匹配电阻R20的另一端连接，9脚与第三电容C3的另一端、第十一匹配电阻R18的另一端连接；

所述的第二乘法器U5的2脚、4脚、6脚接地，5脚接-15V电源，8脚接+15V电源；

所述的第三集成运算放大器U3的1脚与第五可变电阻R11的一端、第三乘法器U6的1脚、3脚连接，2脚与第五可变电阻R11的另一端、第七可变电阻R14的另一端连接，3脚、5脚、10脚接地，4脚接+15V电源，11脚接-15V电源，6脚与第六可变电阻R12的一端、二极管D1的阴极连接，7脚与第六可变电阻R12的另一端、第八匹配电阻R15的一端连接，9脚与第七匹配电阻R13的另一端、第八匹配电阻R15的另一端连接，12脚、13脚、14脚架空；

所述的第三乘法器U6的2脚、4脚、6脚接地，5脚接-15V电源，8脚接+15V电源，7脚与二极管D1的阳极连接。

2.一种实现自然指数混沌模拟电路的方法，其特征在于：乘法器U6实现电压                                               

，并保持电压恒为正；把乘法器U6输出的正电压

加在二极管D1上，使通过二极管的正向电流按自然指数变化：

二极管D1电流通过集成运算放大器U3内的转换电路转换为按指数变化的电压，从而实现电压的指数运算，集成运算放大器U3内的反相器对电压

预先放大，补偿二极管指数电流中的热电压，所述的I_S 是二极管的特征电流；

集成芯片LF347 内有4个运算放大器，集成运算放大器U1 第12、13、14引脚及其外围电阻R1、R5、R6构成第一加法器，实现Y+(-X)的的加法运算；集成运算放大器U1 的第5、6、7引脚及其外围电阻R2、电容C1构成第一积分器，第一积分器输出为X；第8、9、10引脚及其外围电阻R3、R4构成第一反向器，把X反向为-X并提供给所需-X的引脚；第一加法器、第一积分器和第一反相器实现了指数混沌系统第一个方程的运算：

集成运算放大器U1的第1、2、3引脚及其外围电阻R7、R9、R10构成第二加法器，乘法器U4实现-XZ运算并把输出送给第二加法器，集成运算放大器U2的第1、2、3引脚及其外围电阻R8、电容C2构成第二积分器，第二积分器输出为Y；此第二加法器和第二积分器实现了指数混沌系统第二个方程的运算：

集成运算放大器U2的第5、6、7引脚及其外围电阻R16、R17、R21、R22构成第三加法器，乘法器U5实现XY运算并把输出送给第三加法器，集成运算放大器U2的第8、9、10引脚及其外围电阻R18、电容C3构成第三积分器，积分器输出为Z，集成运算放大器U2的第12、13、14引脚及其外围电阻R19、R20构成第二反向器；集成运算放大器U3的第1、2、3引脚及其外围电阻R11、R14构成第一反向放大器，把-X放大后送至乘法器U6第1、2引脚，乘法器U6第7引脚输出的电压

加在二极管D1上，产生的指数电流由集成运算放大器U3第5、6、7引脚构成的转换电路转换为指数电压，此指数电压通过集成运算放大器U3第8、9、10引脚构成的反向电路送至由集成运算放大器U2第5、6、7引脚构成的加法，最后完成指数混沌系统第三个方程的运算：

。

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