CN105897397B - 可用时间常数实现幅频控制的混沌电路 - Google Patents

可用时间常数实现幅频控制的混沌电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，以三个支路的积分求和电路为框架，通过五个乘法器内部反馈电路和一个内部线性反馈项，输出三路混沌信号。通过第一维线性反馈支路上电阻或者电容的调节，实现系统输出的混沌信号的幅度与频率的联合调控。本发明通过支路的变阻器和可调电容调节电路输出混沌信号的幅度和频率，实现幅度频率联合调控，幅频联合控制具有不同于其他电路的两个控制入口，增加了硬件电路的灵活性，降低了电路实现和调试的难度，为混沌信号应用于电子与信息工程提供了便利。

Description

可用时间常数实现幅频控制的混沌电路
技术领域
本发明属于电子、通讯与信息工程技术领域，特别涉及一种可用时间常数实现幅频控制的混沌电路。
背景技术
混沌信号作为一种宽带类随机信号，因而在流体搅拌、搜索与预测、仪器仪表、通信、雷达等领域有广泛的应用。工程中应用的信号幅值的放大或者衰减以及频率的放缩既是信号调理的需要，也是表征电路参数特征的一个重要指示端。混沌信号的幅度与频率改变是信号预处理或者调理电路的基本任务，也是减少多余的电路元件或附加系统，精简电路的重要环节，混沌信号的幅频控制具有重要的工程应用价值。
关于混沌信号的幅度调控，目前有相关专利给出了相应的设计电路，比如专利[授权号ZL200910183379.3]提出可切换三阶恒Lyapunov指数谱混沌电路，该电路通过绝对值项实现非线性作用，通过直流电源电压实现混沌信号的幅度调节，这一调节不改变系统的动力学特征和Lyapunov指数谱；另有专利[授权号ZL201210395656.9]给出了一种四翼混沌信号源电路，通过交叉乘积项实现非线性，输出复杂四翼混沌相轨，而通过对交叉乘积项的反馈强度的调节可实现局部幅度调控，这种针对混沌信号的幅度调控，一定程度上满足了工程需要的混沌信号幅度要求。我们知道，混沌信号具备一定带宽，包含有多个频率分量，同步调整电路中的积分电容可以改变混沌信号的中心频率。然而，电路中电容的同步调整可能因为不同步而导致系统中的参数失调或者失控，找到特殊的混沌电路，使得该电路能够通过一个电容或者一个电阻改变其频率就具有重要的意义。此外，如果混沌信号的幅度和频率有一个控制入口，便可以放大电路参数的激励效应，提供强的特征改变了的混沌信号，这就为混沌信号广泛应用于信号检测和目标识别等提供了新的依据。关于混沌信号的幅度频率联合调控，目前尚未有足量的方案选择。本发明所提出的可用时间常数实现幅频控制的混沌电路采用五个乘积运算单元，产生频率和幅度可控的混沌信号，改变所在支路的时间常数即电阻或者电容便能同步改变混沌信号的幅度与频率。
目前许多混沌电路在幅度和频率调控方面不够自由，其幅度调控或者要借助于多个电阻的联调，或者通过直流电源电压的大小或者一个电位器来实现；而混沌信号的频率范围却通过电容的联合调控来实现，幅度调控和频率调控相互独立，且含有较少的控制入口，难以满足特殊的工程需要。本发明提出可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，通过某个支路的电阻或者电容来联合控制混沌信号的幅度与频率，该电路借助于五个乘法器和五个运放，结合若干个电阻和三个电容，就可以通过调控某一支路的时间常数来调控混沌信号的幅度和频率。
发明内容
发明目的：本发明提供一种可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，以解决现有技术中的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，其特征在于：包括三条支路，其中，第一条支路包括一个输入端，通过变阻器R6接第二条支路的输出端；第二条支路包括两个输入端，且第二条支路的两个输入端分别通过电阻R1和电阻R2接乘积单元M1和乘积单元M2的输出端，乘积单元M1的两个输入端的信号分别为第二条支路的输出信号和第二条支路输出信号的反相信号，乘积单元M2的两个输入端分别接第一条支路输出信号的反相信号和第三条支路的输出端；第三条支路包括三个输入端，且第三条支路的三个输入端分别通过电阻R3、R4和电阻R5接乘积单元M3、M4和M5的输出端，乘积单元M3的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出信号和第一条支路输出信号的反相信号，乘积单元M4的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出端和第二条支路的输出信号的反相信号，乘积单元M5的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出信号的反相信号和第三条支路的输出端。
所述第一条支路包括求和积分运算单元U1、反相放大单元U4、变阻器R6、电阻R7和R8以及可调电容C1，其中：第二条支路的输出端经过变阻器R6接求和积分运算单元U1的反相输入端，求和积分运算单元U1的反相输入端与可调电容C1的一端相连，可调电容C1的另一端和求和积分运算单元U1的输出端经电阻R7接反相放大单元U4的反相输入端，反相放大单元U4的反相输入端与电阻R8的一端相连，并且电阻R8的另一端和反相放大单元U4的输出端接第一条支路的输出端。
所述第二条支路包括乘积单元M1和M2、求和积分运算单元U2、反相放大单元U5、电阻R1、R2、R9和R10以及电容C2，其中：乘积单元M1的输出端经过电阻R1接求和积分运算单元U2的反相输入端，乘积单元M2的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U2的反相输入端，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R9接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R10的一端相连，且电阻R10的另一端和反相放大单元U5的输出端接第二条支路的输出端。
所述第三条支路包括乘积单元M3、M4和M5、求和积分运算单元U3、电阻R3、R4和R5以及电容C3，其中：乘积单元M3的输出端经过电阻R3接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R4接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M5的输出端经过电阻R5接求和积分运算单元U3的反相输入端，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端以及求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。
所述第一条支路的变阻器R6或可调电容C1用于调节输出的混沌信号的幅度和频率的变化。
所述积分求和运算单元U1、U2和U3的同相输入端均接地，反相放大单元U4和U5的同相输入端接地。
有益效果：与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明通过三路积分求和运算电路，采用五个乘法器电路和两个反相运算单元，输出幅度和频率可调的混沌信号。通过某个支路的变阻器和可调电容调节电路输出混沌信号的幅度和频率，实现幅度频率联合调控，幅频联合控制具有不同于其他电路的两个控制入口，增加了硬件电路的灵活性，降低了电路实现和调试的难度，为混沌信号应用于电子与信息工程提供了便利。
附图说明
图1是可用时间常数实现幅频控制的混沌系统相轨在相平面上的投影，实线和虚线分别对应于系数m＝1，1.5，其中：图(a)是x－z平面，(b)y－z平面图；
图2是可用时间常数实现幅频控制的混沌电路图；
图3是可用时间常数实现幅频控制的混沌电路实验仿真示波器相轨图(C1＝C2＝C3＝10nF,R6依据电路设置为100kΩ,66.667kΩ(对应于系数m＝1，1.5)，R1＝25kΩ，R2＝R3＝R4＝R5＝10kΩ，R7＝R8＝R9＝R10＝20kΩ)：图(a)是x－z平面图(R6＝100kΩ)，图(b)是x－z平面(R6＝66.667kΩ)；
图4是可用时间常数实现幅频控制的混沌电路实验仿真示波器相轨图(C2＝C3＝10nF,C1依据电路设置为10nF,6.667nF(同样对应于系数m＝1，1.5)，R1＝25kΩ，R2＝R3＝R4＝R5＝10kΩ，R6＝100kΩ，R7＝R8＝R9＝R10＝20kΩ)：图(a)是x－z平面图(C1＝10nF)，图(b)是x－z平面(C1＝6.667nF)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明以三个支路的积分求和电路为框架，通过五个乘法器内部反馈电路和一个内部线性反馈项，输出三路混沌信号。通过第一维线性反馈支路上电阻或者电容的调节，实现系统输出的混沌信号的幅度与频率的联合调控。
一种可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，其特征在于：包括三条支路，其中，第一条支路包括一个输入端，通过变阻器R6接第二条支路的输出端；第二条支路包括两个输入端，且第二条支路的两个输入端分别通过电阻R1和电阻R2接乘积单元M1和乘积单元M2的输出端，乘积单元M1的两个输入端的信号分别为第二条支路的输出信号和第二条支路输出信号的反相信号，乘积单元M2的两个输入端分别接第一条支路输出信号的反相信号和第三条支路的输出端；第三条支路包括三个输入端，且第三条支路的三个输入端分别通过电阻R3、R4和电阻R5接乘积单元M3、M4和M5的输出端，乘积单元M3的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出信号和第一条支路输出信号的反相信号，乘积单元M4的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出端和第二条支路的输出信号的反相信号，乘积单元M5的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出信号的反相信号和第三条支路的输出端。
所述第一条支路包括求和积分运算单元U1、反相放大单元U4、变阻器R6、电阻R7和R8以及可调电容C1，其中：第二条支路的输出端经过变阻器R6接求和积分运算单元U1的反相输入端，求和积分运算单元U1的反相输入端与可调电容C1的一端相连，可调电容C1的另一端和求和积分运算单元U1的输出端经电阻R7接反相放大单元U4的反相输入端，反相放大单元U4的反相输入端与电阻R8的一端相连，并且电阻R8的另一端和反相放大单元U4的输出端接第一条支路的输出端。
所述第二条支路包括乘积单元M1和M2、求和积分运算单元U2、反相放大单元U5、电阻R1、R2、R9和R10以及电容C2，其中：乘积单元M1的输出端经过电阻R1接求和积分运算单元U2的反相输入端，乘积单元M2的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U2的反相输入端，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R9接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R10的一端相连，且电阻R10的另一端和反相放大单元U5的输出端接第二条支路的输出端。
所述第三条支路包括乘积单元M3、M4和M5、求和积分运算单元U3、电阻R3、R4和R5以及电容C3，其中：乘积单元M3的输出端经过电阻R3接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R4接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M5的输出端经过电阻R5接求和积分运算单元U3的反相输入端，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端以及求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。
所述第一条支路的变阻器R6或可调电容C1用于调节输出的混沌信号的幅度和频率的变化，本发明输出的混沌信号，其幅度和频率的变化既可以通过第一条支路的变阻器R6的调节来实现，也可以通过第一条支路的可调电容C1的调节来实现。
所述积分求和运算单元U1、U2和U3的同相输入端均接地，反相放大单元U4和U5的同相输入端接地。
可用时间常数实现幅频控制的混沌电路动力学方程与电路结构，本发明的电路可以用如下的动力学系统方程来描述，
该方程从形式上来看，包含五个二次非线性反馈和一个内部线性反馈。当a＝0.4，b＝1，m＝1或者1.5时，系统输出的两个频率与幅度不同的混沌吸引子，如图1所示，此时系统所对应的李雅谱诺夫指数分别为(0.0749,0，-0.7391)和(0.0991,0，-0.9889)。可见，由于混沌信号的频率变化，相应的李雅谱诺夫指数也有了相应的变化。
本发明可由三条支路构成的封闭反馈系统来实现，当采用三路积分求和运算回路来实现时，电路图如图2所示，上述数学方程转化为更加具体的电路方程便是，
电路方程与系统动力学方程相一致。这里，系统中各个反馈项的系数通过电阻和电容的联合设置来实现，而线性项系数m可以实现信号的幅频联控，它可以通过变阻器R6或者电容C1(对应于时间常数R6C1)的调整来实现，电路产生的混沌相轨在示波器上的显示电路仿真图形如图3，4所示。
第一条支路包括求和积分运算单元U1、反相放大单元U4、变阻器R6、电阻R7、电阻R8以及可调电容C1，其中，第二条支路的输出端经过变阻器R6接求和积分运算单元U1的反相输入端，积分求和运算单元U1的同相输入端接地，求和积分运算单元U1的反相输入端与可调电容C1的一端相连，可调电容C1的另一端和求和积分运算单元U1的输出端经电阻R7接反相放大单元U4的反相输入端，反相放大单元U4的同相输入端接地，反相放大单元U4的反相输入端与电阻R8的一端相连，并且电阻R8的另一端和反相放大单元U4的输出端接第一条支路的输出端。
第二条支路包括乘积单元M1、乘积单元M2、求和积分运算单元U2、反相放大单元U5、电阻R1、电阻R2、电阻R9、电阻R10以及电容C2，其中，乘积单元M1的输出端经过电阻R1接求和积分运算单元U2的反相输入端，乘积单元M2的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U2的反相输入端，积分求和运算单元U2的同相输入端接地，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R9接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的同相输入端接地，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R10的一端相连，并且电阻R10的另一端和反相放大单元U5的输出端接第二条支路的输出端。
第三条支路包括乘积单元M3、乘积单元M4、乘积单元M5、求和积分运算单元U3、电阻R3、电阻R4、电阻R5以及电容C3，其中，乘积单元M3的输出端经过电阻R3接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R4接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M5的输出端经过电阻R5接求和积分运算单元U3的反相输入端，积分求和运算单元U3的同相输入端接地，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端以及求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。
幅度频率时间常数控制方法，所述的可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，其特征是输出的混沌信号，其幅度和频率的变化既可以通过第一条支路的变阻器R6的调节来实现，也可以通过第一条支路的可调电容C1的调节来实现。由方程(1)可知，当引入系数m时，输出的三维混沌信号的幅度与频率也随之一起变化，这可由x→mx,y→my,z→mz,t→t/m，系统表达式(1)(相比于m＝1的情形)的不变性得到证明，可见当变阻器R6或者可调电容C1变化时，引起了幅度和频率的不同尺度的变化。
本发明属于电子、通讯与信息工程类技术，涉及一种幅度与频率同时可调的混沌电路设计，通过五个以乘法器为核心的非线性反馈支路和一个线性反馈输入，输出混沌信号；信号的幅度和频率可自由调控。这种幅度和频率的大小调控可以通过对应支路的连接电阻来调节，也可以通过对应支路的积分电容来调节，也就是说某个支路的时间常数可以调控电路输出混沌信号的幅度和频率。本发明设计的混沌电路，由于将时间常数反应到混沌信号的幅度和频率中，因此，可广泛应用于传热系统、电机系统、信号检测、仪器仪表、雷达与通信等领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，其特征在于：包括三条支路，其中，第一条支路包括一个输入端，通过变阻器R6接第二条支路的输出端；第二条支路包括两个输入端，且第二条支路的两个输入端分别通过电阻R1和电阻R2接乘积单元M1和乘积单元M2的输出端，乘积单元M1的两个输入端的信号分别为第二条支路的输出信号和第二条支路输出信号的反相信号，乘积单元M2的两个输入端分别接第一条支路输出信号的反相信号和第三条支路的输出端；第三条支路包括三个输入端，且第三条支路的三个输入端分别通过电阻R3、R4和电阻R5接乘积单元M3、M4和M5的输出端，乘积单元M3的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出信号和第一条支路输出信号的反相信号，乘积单元M4的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出端和第二条支路的输出信号的反相信号，乘积单元M5的两个输入端的信号分别为第一条支路的输出信号的反相信号和第三条支路的输出端；
所述第一条支路包括求和积分运算单元U1、反相放大单元U4、变阻器R6、电阻R7和R8以及可调电容C1，其中：第二条支路的输出端经过变阻器R6接求和积分运算单元U1的反相输入端，求和积分运算单元U1的反相输入端与可调电容C1的一端相连，可调电容C1的另一端和求和积分运算单元U1的输出端经电阻R7接反相放大单元U4的反相输入端，反相放大单元U4的反相输入端与电阻R8的一端相连，并且电阻R8的另一端和反相放大单元U4的输出端接第一条支路的输出端；
所述第二条支路包括乘积单元M1和M2、求和积分运算单元U2、反相放大单元U5、电阻R1、R2、R9和R10以及电容C2，其中：乘积单元M1的输出端经过电阻R1接求和积分运算单元U2的反相输入端，乘积单元M2的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U2的反相输入端，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R9接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R10的一端相连，且电阻R10的另一端和反相放大单元U5的输出端接第二条支路的输出端；
所述第三条支路包括乘积单元M3、M4和M5、求和积分运算单元U3、电阻R3、R4和R5以及电容C3，其中：乘积单元M3的输出端经过电阻R3接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R4接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M5的输出端经过电阻R5接求和积分运算单元U3的反相输入端，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端以及求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。
2.根据权利要求1所述的可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，其特征在于：所述第一条支路的变阻器R6或可调电容C1用于调节输出的混沌信号的幅度和频率的变化。
3.根据权利要求1所述的可用时间常数实现幅频控制的混沌电路，其特征在于：所述求和积分运算单元U1 、U2和 U3的同相输入端均接地，反相放大单元U4和U5的同相输入端接地。
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