CN107317668A - 一种自调理混沌信号源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自调理混沌信号源，通过第二条支路变阻器调节，实现系统输出的混沌信号的幅度调节；通过第三条支路的直流电源调节，实现混沌信号的极性控制；具有两个独立的控制入口，增加了硬件电路信号供给的灵活性，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

一种自调理混沌信号源
技术领域
本发明涉及一种自调理混沌信号源，具体涉及一种幅度与极性同时可调的自调理混沌信号源，属于电子、通讯与信息工程类技术领域。
背景技术
混沌信号的宽带特性、初值敏感性以及类随机性等，使得其在保密通信、神经电刺激、微弱信号检测等领域中有广泛的应用。但是，实际的应用系统对混沌信号的幅度和极性都有一定的要求，通常在信号处理之前需要对信号进行放大或者极性转换等调理环节。而混沌信号的宽带特性使得信号的调理非常困难，很难设计与混沌信号匹配的放大电路和极性调控电路，因此寻求一种基于混沌系统内部结构的信号调理方法意义重大。
已经有人尝试过混沌信号的幅度调控，关于这方面有专利，也有相关的论文。专利“一种四翼混沌信号源电路”通过二次非线性项，得到复杂的混沌波形，并通过对某个二次项反馈强度的调控达到了系统中部分信号幅度调整的目的，然而该电路不能实现信号极性的调控。专利“可切换三阶恒Lyapunov指数谱混沌电路”通过非线性绝对值项实现混沌，电路中的直流电源电压可实现混沌信号的幅度调节，而不影响系统的动力学特征和Lyapunov指数谱。如上专利，针对混沌信号的幅度调控问题，提出了详细的解决方案，在一定程度上解决了混沌信号应用幅度受限的矛盾，但是，混沌信号的极性控制问题依然没有解决。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自调理混沌信号源。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种自调理混沌信号源，包括三条支路；
第一条支路包括依次连接的第一乘积电路、第一积分求和运算电路和第一反相放大电路，第一乘积电路的输入端输入第二和第三支路的输出信号；
第二条支路包括依次连接的第二积分求和运算电路和第二反相放大电路，第二积分求和运算电路有两个输入端，第一输入端输入直流电源，第二输入端与第二乘积电路的输出端连接，第二乘积电路的输入端输入第三支路的输出信号，第二积分求和运算电路内置有变阻器R3，变阻器R3的一端为第二积分求和运算电路的第二输入端，另一端与第二积分求和运算电路内的反相加法积分运算单元U2连接；
第三条支路包括第三积分求和运算电路，第三积分求和运算电路有三个输入端，第一输入端输入可调直流电源，第二输入端输入第一条支路输出信号，第三输入端与第三乘积电路的输出端连接，第三乘积电路的输入端输入第二和第三支路的输出信号。
第一乘积电路包括乘积单元M1；乘积单元M1的两个输入端分别输入第二和第三支路的输出信号，输出端与第一积分求和运算电路的输入端连接。
第一积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U1、电阻R1和电容C1，电阻R1的一端为第一积分求和运算电路的输入端，另一端与反相加法积分运算单元U1的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U1的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U1的输出端为第一积分求和运算电路的输出端，电容C1的两端分别与反相加法积分运算单元U1的反相输入端和输出端连接。
第一反相放大电路包括反相比例放大单元U4、电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端为第一反相放大电路的输入端，另一端与反相比例放大单元U4的反相输入端连接，反相比例放大单元U4的同相输入端接地，反相比例放大单元U4的输出端为第一反相放大电路的输出端，电阻R8的两端分别与反相比例放大单元U4的反相输入端和输出端连接。
第二乘积电路包括乘积单元M2；乘积单元M2的两个输入端均输入第三支路的输出信号，输出端与第二积分求和运算电路的第二输入端连接。
第二积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U2、变阻器R3、电阻R2和电容C2，电阻R2的一端为第二积分求和运算电路的第一输入端，另一端与反相加法积分运算单元U2的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U2的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U2的输出端为第二积分求和运算电路的输出端，电容C2的两端分别与反相加法积分运算单元U2的反相输入端和输出端连接，变阻器R3的一端为第二积分求和运算电路的第二输入端，另一端与反相加法积分运算单元U2的反相输入端连接。
第二反相放大电路包括反相比例放大单元U5、电阻R9和电阻R10，电阻R9的一端为第二反相放大电路的输入端，另一端与反相比例放大单元U5的反相输入端连接，反相比例放大单元U5的同相输入端接地，反相比例放大单元U5的输出端为第二反相放大电路的输出端，电阻R10的两端分别与反相比例放大单元U5的反相输入端和输出端连接。
第三乘积电路包括乘积单元M3；乘积单元M3的两个输入端分别输入第二和第三支路的输出信号，输出端与第三积分求和运算电路的第三输入端连接。
第三积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C3，电阻R4的一端为第三积分求和运算电路的第一输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U3的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U3的输出端为第三积分求和运算电路的输出端，电容C3的两端分别与反相加法积分运算单元U3的反相输入端和输出端连接，电阻R5的一端为第三积分求和运算电路的第二输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接，电阻R6的一端为第三积分求和运算电路的第三输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接。
本发明所达到的有益效果：本发明通过第二条支路变阻器调节，实现系统输出的混沌信号的幅度调节；通过第三条支路的直流电源调节，实现混沌信号的极性控制；混沌信号源具有两个独立的控制入口，增加了硬件电路信号供给的灵活性，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为自调理混沌系统振荡相轨在x－y平面上的投影；
图2为自调理混沌系统振荡相轨在x－z平面上的投影；
图3为自调理混沌系统振荡相轨在y－z平面上的投影；
图4为本发明的电路图；电路中C1＝C2＝C3＝100nF，R1＝R2＝R4＝R5＝R6＝R7＝R8＝R9＝R10＝10kΩ，V0＝-1V，V1可调，R3可调；
图5为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在x－y平面上的投影，R3＝10kΩ；
图6为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在x－z平面上的投影，R3＝10kΩ；
图7为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在y－z平面上的投影，R3＝10kΩ
图8为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在x－y平面上的投影，R3＝40kΩ；
图9为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在x－z平面上的投影，R3＝40kΩ；
图10为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在y－z平面上的投影，R3＝40kΩ；
图11为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在x－y平面上的投影，V1＝0V，R3＝10kΩ；
图12为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在x－y平面上的投影，V1＝+5V，R3＝10kΩ；
图13为自调理混沌信号源电路的仿真示波器相轨在x－y平面上的投影，V1＝-5V，R3＝10kΩ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种自调理混沌信号源可以用如下的动力学系统方程来描述，
其中，x、y和z分别为混沌信号在x、y和z轴方向上的分量，a为自调理混沌信号源的参数，和分别为x、y和z对时间的导数。
该方程从形式上来看，包含三个二次非线性反馈和一个内部线性反馈。当a＝1时，系统输出的混沌吸引子，如图1、2和3所示，此时系统所对应的李雅谱诺夫指数为(0.1271，0，-0.5526)。
设x→mx，y→y，z→mz方程(1)变为，→表示转变为；
可见，系数m实现了混沌信号在x和z轴方向的幅度控制。也就是说混沌信号在x和z轴方向的幅度变化反映到系统方程上便是二次项z2的系数的改变。同样设x→x+n，y→y，z→z方程(1)变为，
可见，混沌信号在x轴方向的极性变化可以通过在系统方程中引入一个直流反馈项n实现其偏置控制而得到。
自调理混沌信号源对应电路可由三条支路构成的闭环反馈系统来实现，当采用三路积分求和运算回路来实现时，电路图如图4所示，应用基尔霍夫定律，结合运放的工作特性，得到电路方程与上述数学方程相似，
这里x，y，z对应于三条支路上的输出电压，对应混沌信号在x、y和z轴方向上的分量。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，幅度控制可以通过变阻器R3的调整来实现，极性控制可以通过可调直流电源V1的调整来实现，电路产生的混沌相轨示波器仿真图形如图5-13所示。
三条支路具体如下：
第一条支路包括依次连接的第一乘积电路、第一积分求和运算电路和第一反相放大电路，第一乘积电路的输入端输入第二和第三支路的输出信号。
具体电路结构为：第一乘积电路包括乘积单元M1；乘积单元M1的两个输入端分别输入第二和第三支路的输出信号，输出端与第一积分求和运算电路的输入端连接。第一积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U1、电阻R1和电容C1，电阻R1的一端为第一积分求和运算电路的输入端，另一端与反相加法积分运算单元U1的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U1的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U1的输出端为第一积分求和运算电路的输出端，电容C1的两端分别与反相加法积分运算单元U1的反相输入端和输出端连接。第一反相放大电路包括反相比例放大单元U4、电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端为第一反相放大电路的输入端，另一端与反相比例放大单元U4的反相输入端连接，反相比例放大单元U4的同相输入端接地，反相比例放大单元U4的输出端为第一反相放大电路的输出端，电阻R8的两端分别与反相比例放大单元U4的反相输入端和输出端连接。
第二条支路包括依次连接的第二积分求和运算电路和第二反相放大电路，第二积分求和运算电路有两个输入端，第一输入端输入直流电源V0，第二输入端与第二乘积电路的输出端连接，第二乘积电路的输入端输入第三支路的输出信号，第二积分求和运算电路内置有变阻器R3，变阻器R3的一端为第二积分求和运算电路的第二输入端，另一端与第二积分求和运算电路内的反相加法积分运算单元U2连接。
具体电路结构为：第二乘积电路包括乘积单元M2；乘积单元M2的两个输入端均输入第三支路的输出信号，输出端与第二积分求和运算电路的第二输入端连接。第二积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U2、变阻器R3、电阻R2和电容C2，电阻R2的一端为第二积分求和运算电路的第一输入端，另一端与反相加法积分运算单元U2的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U2的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U2的输出端为第二积分求和运算电路的输出端，电容C2的两端分别与反相加法积分运算单元U2的反相输入端和输出端连接，变阻器R3的一端为第二积分求和运算电路的第二输入端，另一端与反相加法积分运算单元U2的反相输入端连接。第二反相放大电路包括反相比例放大单元U5、电阻R9和电阻R10，电阻R9的一端为第二反相放大电路的输入端，另一端与反相比例放大单元U5的反相输入端连接，反相比例放大单元U5的同相输入端接地，反相比例放大单元U5的输出端为第二反相放大电路的输出端，电阻R10的两端分别与反相比例放大单元U5的反相输入端和输出端连接。
第三条支路包括第三积分求和运算电路，第三积分求和运算电路有三个输入端，第一输入端输入可调直流电源V1，第二输入端输入第一条支路输出信号，第三输入端与第三乘积电路的输出端连接，第三乘积电路的输入端输入第二和第三支路的输出信号。
具体电路结构为：第三乘积电路包括乘积单元M3；乘积单元M3的两个输入端分别输入第二和第三支路的输出信号，输出端与第三积分求和运算电路的第三输入端连接。第三积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C3，电阻R4的一端为第三积分求和运算电路的第一输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U3的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U3的输出端为第三积分求和运算电路的输出端，电容C3的两端分别与反相加法积分运算单元U3的反相输入端和输出端连接，电阻R5的一端为第三积分求和运算电路的第二输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接，电阻R6的一端为第三积分求和运算电路的第三输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接。
本发明通过第二条支路变阻器调节，实现系统输出的混沌信号的幅度调节；通过第三条支路的直流电源调节，实现混沌信号的极性控制；混沌信号源具有两个独立的控制入口，增加了硬件电路信号供给的灵活性，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。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自调理混沌信号源，其特征在于：包括三条支路；
第一条支路包括依次连接的第一乘积电路、第一积分求和运算电路和第一反相放大电路，第一乘积电路的输入端输入第二和第三支路的输出信号；
第二条支路包括依次连接的第二积分求和运算电路和第二反相放大电路，第二积分求和运算电路有两个输入端，第一输入端输入直流电源，第二输入端与第二乘积电路的输出端连接，第二乘积电路的输入端输入第三支路的输出信号，第二积分求和运算电路内置有变阻器R3，变阻器R3的一端为第二积分求和运算电路的第二输入端，另一端与第二积分求和运算电路内的反相加法积分运算单元U2连接；
第三条支路包括第三积分求和运算电路，第三积分求和运算电路有三个输入端，第一输入端输入可调直流电源，第二输入端输入第一条支路输出信号，第三输入端与第三乘积电路的输出端连接，第三乘积电路的输入端输入第二和第三支路的输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第一乘积电路包括乘积单元M1；乘积单元M1的两个输入端分别输入第二和第三支路的输出信号，输出端与第一积分求和运算电路的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第一积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U1、电阻R1和电容C1，电阻R1的一端为第一积分求和运算电路的输入端，另一端与反相加法积分运算单元U1的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U1的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U1的输出端为第一积分求和运算电路的输出端，电容C1的两端分别与反相加法积分运算单元U1的反相输入端和输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第一反相放大电路包括反相比例放大单元U4、电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端为第一反相放大电路的输入端，另一端与反相比例放大单元U4的反相输入端连接，反相比例放大单元U4的同相输入端接地，反相比例放大单元U4的输出端为第一反相放大电路的输出端，电阻R8的两端分别与反相比例放大单元U4的反相输入端和输出端连接。
5.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第二乘积电路包括乘积单元M2；乘积单元M2的两个输入端均输入第三支路的输出信号，输出端与第二积分求和运算电路的第二输入端连接。
6.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第二积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U2、变阻器R3、电阻R2和电容C2，电阻R2的一端为第二积分求和运算电路的第一输入端，另一端与反相加法积分运算单元U2的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U2的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U2的输出端为第二积分求和运算电路的输出端，电容C2的两端分别与反相加法积分运算单元U2的反相输入端和输出端连接，变阻器R3的一端为第二积分求和运算电路的第二输入端，另一端与反相加法积分运算单元U2的反相输入端连接。
7.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第二反相放大电路包括反相比例放大单元U5、电阻R9和电阻R10，电阻R9的一端为第二反相放大电路的输入端，另一端与反相比例放大单元U5的反相输入端连接，反相比例放大单元U5的同相输入端接地，反相比例放大单元U5的输出端为第二反相放大电路的输出端，电阻R10的两端分别与反相比例放大单元U5的反相输入端和输出端连接。
8.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第三乘积电路包括乘积单元M3；乘积单元M3的两个输入端分别输入第二和第三支路的输出信号，输出端与第三积分求和运算电路的第三输入端连接。
9.根据权利要求1所述的一种自调理混沌信号源，其特征在于：第三积分求和运算电路包括反相加法积分运算单元U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C3，电阻R4的一端为第三积分求和运算电路的第一输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接，反相加法积分运算单元U3的同相输入端接地，反相加法积分运算单元U3的输出端为第三积分求和运算电路的输出端，电容C3的两端分别与反相加法积分运算单元U3的反相输入端和输出端连接，电阻R5的一端为第三积分求和运算电路的第二输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接，电阻R6的一端为第三积分求和运算电路的第三输入端，另一端与反相加法积分运算单元U3的反相输入端连接。
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