CN105406958A - 电流型网格多涡卷混沌电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流型网格多涡卷混沌电路，包括三个电流积分器、电流反相比例运算电路和两个电流模式阶梯波序列产生电路，三个电流积分器依次串接，电流反相比例运算电路的输入端与三个电流积分器的输出端、两个电流模式阶梯波序列产生电路的输出端相连，第二电流积分器的输出端与第二电流模式阶梯波序列产生电路的输入端相连，第二电流模式阶梯波序列产生电路的输出端与第三电流积分器的输入端相连，第三电流积分器的输出端与第一电流模式阶梯波序列产生电路的输入端。本发明采用电流信号为电路的状态变量，状态变量直接从电流积分器的高阻抗端输出，无需缓冲器便可直接驱动负载，具有良好的高频性能，可以产生高频率的多涡卷混沌吸引子。

Description

电流型网格多涡卷混沌电路

技术领域

本发明涉及混沌系统领域，特别涉及一种电流型网格多涡卷混沌电路。

背景技术

混沌具有初值敏感性、不可预知性、遍历性、内在随机性等复杂特征，其在通信系统、信息处理、图像压缩等领域上具有广泛的前景。近年来多涡卷混沌系统的构造和电路实现引起了人们广泛的关注，已有许多专利提出了电压模式的多涡卷混沌电路发生器，如中国专利授权公告号CN1747377A公开了一种涡卷混沌信号发生器及其使用方法，该混沌信号发生器能产生3维的多涡卷混沌吸引子，并可以通过开关组合实现涡卷数量的控制；又如申请号为CN201410671491.2公开了一种基于电流反馈放大器的3-D网格多涡卷混沌电路。然而现有的混沌电路都是采用电压信号为电路的状态变量，因而存在频谱范围窄，功耗高等缺点，很难应用于实际工程。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种采用电流信号为状态变量并能产生高频率多涡卷混沌吸引子的电流型网格多涡卷混沌电路。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种电流型网格多涡卷混沌电路，包括第一电流积分器、第二电流积分器、第三电流积分器、电流反相比例运算电路、第一电流模式阶梯波序列产生电路和第二电流模式阶梯波序列产生电路，所述电流反相比例运算电路的输出端与第一电流积分器的输入端相连，第一电流积分器的输出端分别与第二电流积分器的输入端、电流反相比例运算电路的输入端相连，第二电流积分器的输出端分别与第三电流积分器的输入端、电流反相比例运算电路的输入端、第二电流模式阶梯波序列产生电路的输入端相连，第二电流模式阶梯波序列产生电路的输出端分别与第三电流积分器的输入端、电流反相比例运算电路的输入端相连，第三电流积分器的输出端分别与第一电流模式阶梯波序列产生电路的输入端、电流反相比例运算电路的输入端相连，第一电流模式阶梯波序列产生电路的输出端与电流反相比例运算电路的输入端相连。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，所述电流反相比例运算电路包括第四电阻、第五电阻和反相电流传输器，所述反相电流传输器具有一个Y端、一个X端和一个输出端，反相电流传输器的Y端和输出端分别作为电流反相比例运算电路的输入端和输出端，反相电流传输器的Y端经第四电阻后接地，反相电流传输器的X端经第五电阻后接地，反相电流传输器的输出端与第一电流积分器的输入端相连。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，所述第一电流积分器包括第一电容、第一电阻和第一电流传输器，所述第一电流传输器具有一Y端、一个X端和三个输出端，第一电流传输器的Y端和三个输出端分别作为第一电流积分器的输入端和输出端，第一电流传输器的Y端经第一电容后接地，第一电流传输器的X端经第一电阻后接地，第一电流传输器的第一输出端与反相电流传输器的Y端相连，第一电流传输器的第二输出端与第二电流积分器的输入端相连，第一电流传输器的第三输出端输出第一状态变量。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，所述第二电流积分器包括第二电容、第二电阻和第二电流传输器，第二电流传输器具有一个Y端、一个X端和4个输出端，第二电流传输器的Y端和4个输出端分别作为第二电流积分器的输入端和输出端，第二电流传输器的Y端经第二电容后接地，第二电流传输器的X端经第二电阻后接地，第二电流传输器的第一输出端与反相电流传输器的Y端相连，第二电流传输器的第二输出端与第二电流模式阶梯波序列产生电路的输入端相连，第二电流传输器的第三输出端与第三电流积分器的输入端相连，第二电流传输器的第四输出端输出第二状态变量。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，所述第三电流积分器包括第三电容、第三电阻和第三电流传输器，所述第三电流传输器具有一个Y端、一个X端和3个输出端，第三电流传输器的Y端和3个输出端分别作为第三电流积分器的输入端和输出端，第三电流传输器的Y端经第三电容后接地，第三电流传输器的X端经第三电阻后接地，第三电流传输器的第一输出端与反相电流传输器的Y端相连，第三电流传输器的第二输出端与第一电流模式阶梯波序列产生电路的输入端相连，第三电流传输器的第三输出端输出第三状态变量。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，所述第一电流模式阶梯波序列产生电路和第二电流模式阶梯波序列产生电路结构相同，第一电流模式阶梯波序列产生电路包括第四电流传输器和电流模式阶梯函数单元电路，所述第四电流传输器具有一个Y端、一个X端和多个输出端，第四电流传输器的Y端作为第一电流模式阶梯波序列产生电路的输入端，第四电流传输器的Y端、X端分别经两个阻值相同的电阻后接地，第四电流传输器与两个阻值相同的电阻共同构成电流镜，第四电流传输器的每个输出端均连接有一个电流模式阶梯函数单元电路，各个电流模式阶梯函数单元电路的输出端分别通过一个开关后相加作为第一电流模式阶梯波序列产生电路的输出端。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，每个电流模式阶梯函数单元电路均包括一个第一单端输出电流传输器、第五电流传输器、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第一单端输出电流传输器具有一个Y端、一个X端和一个输出端，第五电流传输器具有一个Y端、一个X端和两个输出端，第一单端输出电流传输器的Y端接电源，第一单端输出电流传输器的X端接输入电流并通过第六电阻后接地，第一单端输出电流传输器的输出端与第五电流传输器的Y端相连，第五电流传输器的Y端经第七电阻后接地，第五电流传输器的X端经第八电阻后接地，第五电流传输器的两个输出端作为电流模式阶梯函数单元电路的两路输出端。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，所述第一、第二、第三、第四、第五电流传输器为多端输出的电流传输器，由多个单端输出的电流传输器构成，每个单端输出的电流传输器均包括一个Y端、一个X端和一个输出端，所有单端输出的电流传输器的Y端连接在一起作为多端输出电流传输器的Y端，每个单端输出的电流传输器的X端分别经阻值相同的电阻后接地，每个单端输出的电流传输器的输出端分别作为多端电流传输器的各输出端。

上述电流型网格多涡卷混沌电路中，所述反相电流传输器包括相互串接的第二单端输出电流传输器、第三单端输出电流传输器，第二单端输出电流传输器和第三单端输出电流传输器均包括一个Y端、一个X端和一个输出端，第二单端输出电流传输器的Y端和X端分别作为反相电流传输器的Y端和X端，第二单端输出电流传输器的输出端与第三单端输出电流传输器的Y端相连，第三单端输出电流传输器的X端接地，第三单端输出电流传输器的的输出端作为反相电流传输器的输出端。

本发明的有益效果在于：

1、本发明包括电流积分器、电流反相比例运算电路和电流模式阶梯波序列产生电路，只需要三种基本电流模式模块即可，电路实现更加简单，且所有器件均接地，便于集成；

2、本混沌电路采用电流信号为电路的状态变量，具有良好的高频性能，可以产生高频率的多涡卷混沌吸引子，并且混沌电路的状态变量直接从电流积分器的高阻抗端输出，无需缓冲器便可直接驱动负载。

附图说明

图1为本发明的电路图。

图2为图1中第一电流模式阶梯波序列产生电路的电路图。

图3为图2中电流模式阶梯函数单元电路的电路图。

图4为本发明多端输出电流传输器的电路图。

图5为图1中反相电流传输器的电路图。

图6为电流模式阶梯函数单元电路的函数关系图。

图7为3阶电流模式阶梯波序列图。

图8为4阶电流模式阶梯波序列图。

图9为本发明的瞬态波形图。

图10为电流模式3×4网格多涡卷混沌吸引子图(C1＝C2＝C3＝10nF)。

图11为电流模式3×4网格多涡卷混沌吸引子图(C1＝C2＝C3＝300pF)。

图12为电流模式3×4网格多涡卷混沌吸引子频谱图(C1＝C2＝C3＝300pF)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括第一电流积分器I1、第二电流积分器I2、第三电流积分器I3、电流反相比例运算电路K1、第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)和第二电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_y)，所述电流反相比例运算电路K1的输出端与第一电流积分器I1的输入端相连，第一电流积分器I1的输出端分别与第二电流积分器I2的输入端、电流反相比例运算电路K1的输入端相连，第二电流积分器I2的输出端分别与第三电流积分器I3的输入端、电流反相比例运算电路K1的输入端、第二电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_y)的输入端相连，第二电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_y)的输出端分别与第三电流积分器I3的输入端、电流反相比例运算电路K1的输入端相连，第三电流积分器I3的输出端分别与第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)的输入端、电流反相比例运算电路K1的输入端相连，第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)的输出端与电流反相比例运算电路K1的输入端相连。

所述电流反相比例运算电路K1包括第四电阻Ra、第五电阻R5和反相电流传输器4，所述反相电流传输器4具有一个Y端、一个X端和一个输出端，反相电流传输器4的Y端和输出端分别作为电流反相比例运算电路K1的输入端和输出端，反相电流传输器4的Y端经第四电阻Ra后接地，反相电流传输器4的X端经第五电阻R5后接地，反相电流传输器4的输出端与第一电流积分器I1的输入端相连。

所述第一电流积分器I1包括第一电容C1、第一电阻R1和第一电流传输器1，所述第一电流传输器1具有一Y端、一个X端和三个输出端，第一电流传输器1的Y端和三个输出端分别作为第一电流积分器I1的输入端和输出端，第一电流传输器1的Y端经第一电容C1后接地，第一电流传输器1的X端经第一电阻R1后接地，第一电流传输器1的第一输出端Z1与反相电流传输器4的Y端相连，第一电流传输器1的第二输出端Z2与第二电流积分器I2的输入端相连，第一电流传输器1的第三输出端Z3输出第一状态变量I_z。

所述第二电流积分器I2包括第二电容C2、第二电阻R2和第二电流传输器2，第二电流传输器2具有一个Y端、一个X端和4个输出端，第二电流传输器2的Y端和4个输出端分别作为第二电流积分器I2的输入端和输出端，第二电流传输器2的Y端经第二电容C2后接地，第二电流传输器2的X端经第二电阻R2后接地，第二电流传输器2的第一输出端与反相电流传输器4的Y端相连，第二电流传输器2的第二输出端与第二电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_y)的输入端相连，第二电流传输器2的第三输出端与第三电流积分器I3的输入端相连，第二电流传输器2的第四输出端输出第二状态变量。

所述第三电流积分器I3包括第三电容C3、第三电阻R3和第三电流传输器3，所述第三电流传输器3具有一个Y端、一个X端和3个输出端，第三电流传输器3的Y端和3个输出端分别作为第三电流积分器I3的输入端和输出端，第三电流传输器3的Y端经第三电容C3后接地，第三电流传输器3的X端经第三电阻R3后接地，第三电流传输器3的第一输出端与反相电流传输器4的Y端相连，第三电流传输器3的第二输出端与第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)的输入端相连，第三电流传输器3的第三输出端输出第三状态变量。

所述第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)和第二电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_y)结构相同，如图2所示，第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)包括第四电流传输器5和电流模式阶梯函数单元电路，所述第四电流传输器5具有一个Y端、一个X端和多个输出端，第四电流传输器5的Y端作为第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)的输入端，第四电流传输器5的Y端、X端分别经两个阻值相同的电阻R后接地，第四电流传输器5与两个阻值相同的电阻R共同构成电流镜，第四电流传输器5的每个输出端均连接有一个电流模式阶梯函数单元电路，各个电流模式阶梯函数单元电路的输出端分别通过一个开关后相加作为第一电流模式阶梯波序列产生电路-f(I_x)的输出端。

如图3所示，每个电流模式阶梯函数单元电路均包括一个第一单端输出电流传输器6、第五电流传输器7、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第一单端输出电流传输器6具有一个Y端、一个X端和一个输出端，第五电流传输器7具有一个Y端、一个X端和两个输出端，第一单端输出电流传输器6的Y端接电源，第一单端输出电流传输器6的X端接输入电流并通过第六电阻R6后接地，第一单端输出电流传输器6的输出端与第五电流传输器7的Y端相连，第五电流传输器7的Y端经第七电阻R7后接地，第五电流传输器7的X端经第八电阻R8后接地，第五电流传输器7的两个输出端作为电流模式阶梯函数单元电路的两路输出端。

如图4所示，所述第一、第二、第三、第四、第五电流传输器为多端输出的电流传输器，由多个单端输出的电流传输器构成，包括多个单端输出的电流传输器AD844，每个单端输出的电流传输器AD844均包括一个Y端、一个X端和一个输出端，所有单端输出的电流传输器AD844的Y端连接在一起作为多端输出电流传输器的Y端，每个单端输出的电流传输器AD844的X端分别经阻值相同的电阻Rc后接地，每个单端输出的电流传输器AD844的输出端分别作为多端电流传输器的各输出端。

如图5所示，所述反相电流传输器4包括相互串接的第二单端输出电流传输器8、第三单端输出电流传输器9，第二单端输出电流传输器8和第三单端输出电流传输器9均包括一个Y端、一个X端和一个输出端，第二单端输出电流传输器8的Y端和X端分别作为反相电流传输器4的Y端和X端，第二单端输出电流传输器8的输出端与第三单端输出电流传输器9的Y端相连，第三单端输出电流传输器9的X端接地，第三单端输出电流传输器9的的输出端作为反相电流传输器4的输出端。

本电流型网格多涡卷混沌电路的工作原理为：

电路由三种基本电流模式模块构成，其一是电流反相比例运算电路K1，如图1中的电流反相比例运算电路K1所示，其输入输出电流的关系表示为

$I_{Z-}=-\frac{R_a}{R_b}{I}_{in}---\left(1\right)$

其二是电流积分器，如图1中I1、I2和I3所示，其输入输出关系表示为

$I_{Z1}=I_{Z2}=I_{Z3}=I_{Z4}=\frac{1}{R_i{C}_i}\∫I_{in}dt,(i=1,2,3)---\left(2\right)$

最后一种是电流模式阶梯波序列产生电路，如图2所示，其中电流模式阶梯波序列单元电路如图3所示，电流模式阶梯波序列单元电路的函数关系如图6所示。图3中Iin为输入电流，Ui为Y端口的电压，VSAT为X端口的饱和电压，Iouti为输出电流，k为斜率，k＝R₈/R₇，当斜率足够大时(即R8远大于R7)，图3的电流模式阶梯波序列单元电路可实现阶梯函数，其输出电流为

I_outi＝-Asgn(I_in-I_0i)(3)

其中A＝VSAT/R2，IO＝Ui/R6。

将多个阶梯波单元函数相加即可实现电流模式阶梯波序列产生电路，对应的电流模式阶梯波序列函数可以表示为

I_out＝-A[sgn(I_in-I₀₁₎+sgn(I_in-I₀₂)+…+sgn(I_in-I_0N)(4)

当取图2中电路参数为U1＝U2＝0.5V，R7＝1MΩ，R＝1kΩ，R8＝13kΩ时，可实现图7所示的3阶电流模式阶梯波序列，当取图2中电路参数为U1＝0V，U2＝U3＝1V，R7＝1MΩ，R＝1kΩ，R8＝13kΩ时，可实现4阶阶梯波序列，如图8所示。

由图1-2和式1-4，可得电流型网格多涡卷混沌电路的状态方程为

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_x}{dt}=\frac{I_y-f\left(I_y\right)}{R_3{C}_3}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_y}{dt}=\frac{I_Z}{R_2{C}_2}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_z}{dt}=\frac{R_a}{R_b}\frac{-I_x-I_y-I_z+f\left(I_x\right)+f\left(I_y\right)}{R_1{C}_1}\end{array}\right.---\left(5\right)$

图1中的-f(I_y)和-f(I_x)分别取上所述4阶阶梯波序列和3阶阶梯波序列，当参数R1＝R2＝R3＝1kΩ，C1＝C2＝C3＝10nF，Ra＝1kΩ，Rb＝1.68kΩ，电源电压为±15V，Pspice仿真得到状态电流的瞬态波形如图9所示，相应的3×4网格多涡卷混沌吸引子如图10所示。

当R1＝R2＝R3＝1kΩ维持不变，同时取C1＝C2＝C3＝300pF时得到的电流模式3×4网格多涡卷混沌吸引子如图11所示，对应的混沌信号的频谱如图12所示，其频谱范围约为0-800KHz，从而实现了高频率的多涡卷混沌吸引子。

Claims (9)

1.一种电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：包括第一电流积分器、第二电流积分器、第三电流积分器、电流反相比例运算电路、第一电流模式阶梯波序列产生电路和第二电流模式阶梯波序列产生电路，所述电流反相比例运算电路的输出端与第一电流积分器的输入端相连，第一电流积分器的输出端分别与第二电流积分器的输入端、电流反相比例运算电路的输入端相连，第二电流积分器的输出端分别与第三电流积分器的输入端、电流反相比例运算电路的输入端、第二电流模式阶梯波序列产生电路的输入端相连，第二电流模式阶梯波序列产生电路的输出端分别与第三电流积分器的输入端、电流反相比例运算电路的输入端相连，第三电流积分器的输出端分别与第一电流模式阶梯波序列产生电路的输入端、电流反相比例运算电路的输入端相连，第一电流模式阶梯波序列产生电路的输出端与电流反相比例运算电路的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：所述电流反相比例运算电路包括第四电阻、第五电阻和反相电流传输器，所述反相电流传输器具有一个Y端、一个X端和一个输出端，反相电流传输器的Y端和输出端分别作为电流反相比例运算电路的输入端和输出端，反相电流传输器的Y端经第四电阻后接地，反相电流传输器的X端经第五电阻后接地，反相电流传输器的输出端与第一电流积分器的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：所述第一电流积分器包括第一电容、第一电阻和第一电流传输器，所述第一电流传输器具有一Y端、一个X端和三个输出端，第一电流传输器的Y端和三个输出端分别作为第一电流积分器的输入端和输出端，第一电流传输器的Y端经第一电容后接地，第一电流传输器的X端经第一电阻后接地，第一电流传输器的第一输出端与反相电流传输器的Y端相连，第一电流传输器的第二输出端与第二电流积分器的输入端相连，第一电流传输器的第三输出端输出第一状态变量。

4.根据权利要求3所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：所述第二电流积分器包括第二电容、第二电阻和第二电流传输器，第二电流传输器具有一个Y端、一个X端和4个输出端，第二电流传输器的Y端和4个输出端分别作为第二电流积分器的输入端和输出端，第二电流传输器的Y端经第二电容后接地，第二电流传输器的X端经第二电阻后接地，第二电流传输器的第一输出端与反相电流传输器的Y端相连，第二电流传输器的第二输出端与第二电流模式阶梯波序列产生电路的输入端相连，第二电流传输器的第三输出端与第三电流积分器的输入端相连，第二电流传输器的第四输出端输出第二状态变量。

5.根据权利要求4所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：所述第三电流积分器包括第三电容、第三电阻和第三电流传输器，所述第三电流传输器具有一个Y端、一个X端和3个输出端，第三电流传输器的Y端和3个输出端分别作为第三电流积分器的输入端和输出端，第三电流传输器的Y端经第三电容后接地，第三电流传输器的X端经第三电阻后接地，第三电流传输器的第一输出端与反相电流传输器的Y端相连，第三电流传输器的第二输出端与第一电流模式阶梯波序列产生电路的输入端相连，第三电流传输器的第三输出端输出第三状态变量。

6.根据权利要求5所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：所述第一电流模式阶梯波序列产生电路和第二电流模式阶梯波序列产生电路结构相同，第一电流模式阶梯波序列产生电路包括第四电流传输器和电流模式阶梯函数单元电路，所述第四电流传输器具有一个Y端、一个X端和多个输出端，第四电流传输器的Y端作为第一电流模式阶梯波序列产生电路的输入端，第四电流传输器的Y端、X端分别经两个阻值相同的电阻后接地，第四电流传输器与两个阻值相同的电阻共同构成电流镜，第四电流传输器的每个输出端均连接有一个电流模式阶梯函数单元电路，各个电流模式阶梯函数单元电路的输出端分别通过一个开关后相加作为第一电流模式阶梯波序列产生电路的输出端。

7.根据权利要求6所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：每个电流模式阶梯函数单元电路均包括一个第一单端输出电流传输器、第五电流传输器、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第一单端输出电流传输器具有一个Y端、一个X端和一个输出端，第五电流传输器具有一个Y端、一个X端和两个输出端，第一单端输出电流传输器的Y端接电源，第一单端输出电流传输器的X端接输入电流并通过第六电阻后接地，第一单端输出电流传输器的输出端与第五电流传输器的Y端相连，第五电流传输器的Y端经第七电阻后接地，第五电流传输器的X端经第八电阻后接地，第五电流传输器的两个输出端作为电流模式阶梯函数单元电路的两路输出端。

8.根据权利要求7所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四、第五电流传输器为多端输出的电流传输器，由多个单端输出的电流传输器构成，每个单端输出的电流传输器均包括一个Y端、一个X端和一个输出端，所有单端输出的电流传输器的Y端连接在一起作为多端输出电流传输器的Y端，每个单端输出的电流传输器的X端分别经阻值相同的电阻后接地，每个单端输出的电流传输器的输出端分别作为多端电流传输器的各输出端。

9.根据权利要求7所述的电流型网格多涡卷混沌电路，其特征在于：所述反相电流传输器包括相互串接的第二单端输出电流传输器、第三单端输出电流传输器，第二单端输出电流传输器和第三单端输出电流传输器均包括一个Y端、一个X端和一个输出端，第二单端输出电流传输器的Y端和X端分别作为反相电流传输器的Y端和X端，第二单端输出电流传输器的输出端与第三单端输出电流传输器的Y端相连，第三单端输出电流传输器的X端接地，第三单端输出电流传输器的的输出端作为反相电流传输器的输出端。