一種自調理混沌信號源的製作方法

2023-05-06 00:11:46

本發明涉及一種自調理混沌信號源，具體涉及一種幅度與極性同時可調的自調理混沌信號源，屬於電子、通訊與信息工程類技術領域。

背景技術：

混沌信號的寬帶特性、初值敏感性以及類隨機性等，使得其在保密通信、神經電刺激、微弱信號檢測等領域中有廣泛的應用。但是，實際的應用系統對混沌信號的幅度和極性都有一定的要求，通常在信號處理之前需要對信號進行放大或者極性轉換等調理環節。而混沌信號的寬帶特性使得信號的調理非常困難，很難設計與混沌信號匹配的放大電路和極性調控電路，因此尋求一種基於混沌系統內部結構的信號調理方法意義重大。

已經有人嘗試過混沌信號的幅度調控，關於這方面有專利，也有相關的論文。專利「一種四翼混沌信號源電路」通過二次非線性項，得到複雜的混沌波形，並通過對某個二次項反饋強度的調控達到了系統中部分信號幅度調整的目的，然而該電路不能實現信號極性的調控。專利「可切換三階恆lyapunov指數譜混沌電路」通過非線性絕對值項實現混沌，電路中的直流電源電壓可實現混沌信號的幅度調節，而不影響系統的動力學特徵和lyapunov指數譜。如上專利，針對混沌信號的幅度調控問題，提出了詳細的解決方案，在一定程度上解決了混沌信號應用幅度受限的矛盾，但是，混沌信號的極性控制問題依然沒有解決。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種自調理混沌信號源。

為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：

一種自調理混沌信號源，包括三條支路；

第一條支路包括依次連接的第一乘積電路、第一積分求和運算電路和第一反相放大電路，第一乘積電路的輸入端輸入第二和第三支路的輸出信號；

第二條支路包括依次連接的第二積分求和運算電路和第二反相放大電路，第二積分求和運算電路有兩個輸入端，第一輸入端輸入直流電源，第二輸入端與第二乘積電路的輸出端連接，第二乘積電路的輸入端輸入第三支路的輸出信號，第二積分求和運算電路內置有變阻器r3，變阻器r3的一端為第二積分求和運算電路的第二輸入端，另一端與第二積分求和運算電路內的反相加法積分運算單元u2連接；

第三條支路包括第三積分求和運算電路，第三積分求和運算電路有三個輸入端，第一輸入端輸入可調直流電源，第二輸入端輸入第一條支路輸出信號，第三輸入端與第三乘積電路的輸出端連接，第三乘積電路的輸入端輸入第二和第三支路的輸出信號。

第一乘積電路包括乘積單元m1；乘積單元m1的兩個輸入端分別輸入第二和第三支路的輸出信號，輸出端與第一積分求和運算電路的輸入端連接。

第一積分求和運算電路包括反相加法積分運算單元u1、電阻r1和電容c1，電阻r1的一端為第一積分求和運算電路的輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u1的反相輸入端連接，反相加法積分運算單元u1的同相輸入端接地，反相加法積分運算單元u1的輸出端為第一積分求和運算電路的輸出端，電容c1的兩端分別與反相加法積分運算單元u1的反相輸入端和輸出端連接。

第一反相放大電路包括反相比例放大單元u4、電阻r7和電阻r8，電阻r7的一端為第一反相放大電路的輸入端，另一端與反相比例放大單元u4的反相輸入端連接，反相比例放大單元u4的同相輸入端接地，反相比例放大單元u4的輸出端為第一反相放大電路的輸出端，電阻r8的兩端分別與反相比例放大單元u4的反相輸入端和輸出端連接。

第二乘積電路包括乘積單元m2；乘積單元m2的兩個輸入端均輸入第三支路的輸出信號，輸出端與第二積分求和運算電路的第二輸入端連接。

第二積分求和運算電路包括反相加法積分運算單元u2、變阻器r3、電阻r2和電容c2，電阻r2的一端為第二積分求和運算電路的第一輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u2的反相輸入端連接，反相加法積分運算單元u2的同相輸入端接地，反相加法積分運算單元u2的輸出端為第二積分求和運算電路的輸出端，電容c2的兩端分別與反相加法積分運算單元u2的反相輸入端和輸出端連接，變阻器r3的一端為第二積分求和運算電路的第二輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u2的反相輸入端連接。

第二反相放大電路包括反相比例放大單元u5、電阻r9和電阻r10，電阻r9的一端為第二反相放大電路的輸入端，另一端與反相比例放大單元u5的反相輸入端連接，反相比例放大單元u5的同相輸入端接地，反相比例放大單元u5的輸出端為第二反相放大電路的輸出端，電阻r10的兩端分別與反相比例放大單元u5的反相輸入端和輸出端連接。

第三乘積電路包括乘積單元m3；乘積單元m3的兩個輸入端分別輸入第二和第三支路的輸出信號，輸出端與第三積分求和運算電路的第三輸入端連接。

第三積分求和運算電路包括反相加法積分運算單元u3、電阻r4、電阻r5、電阻r6和電容c3，電阻r4的一端為第三積分求和運算電路的第一輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端連接，反相加法積分運算單元u3的同相輸入端接地，反相加法積分運算單元u3的輸出端為第三積分求和運算電路的輸出端，電容c3的兩端分別與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端和輸出端連接，電阻r5的一端為第三積分求和運算電路的第二輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端連接，電阻r6的一端為第三積分求和運算電路的第三輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端連接。

本發明所達到的有益效果：本發明通過第二條支路變阻器調節，實現系統輸出的混沌信號的幅度調節；通過第三條支路的直流電源調節，實現混沌信號的極性控制；混沌信號源具有兩個獨立的控制入口，增加了硬體電路信號供給的靈活性，降低了電路實現和調試的難度，為混沌信號應用於電子與信息工程提供了便利。

附圖說明

圖1為自調理混沌系統振蕩相軌在x－y平面上的投影；

圖2為自調理混沌系統振蕩相軌在x－z平面上的投影；

圖3為自調理混沌系統振蕩相軌在y－z平面上的投影；

圖4為本發明的電路圖；電路中c1＝c2＝c3＝100nf，r1＝r2＝r4＝r5＝r6＝r7＝r8＝r9＝r10＝10kω，v0＝-1v，v1可調，r3可調；

圖5為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在x－y平面上的投影，r3＝10kω；

圖6為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在x－z平面上的投影，r3＝10kω；

圖7為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在y－z平面上的投影，r3＝10kω

圖8為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在x－y平面上的投影，r3＝40kω；

圖9為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在x－z平面上的投影，r3＝40kω；

圖10為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在y－z平面上的投影，r3＝40kω；

圖11為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在x－y平面上的投影，v1＝0v，r3＝10kω；

圖12為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在x－y平面上的投影，v1＝+5v，r3＝10kω；

圖13為自調理混沌信號源電路的仿真示波器相軌在x－y平面上的投影，v1＝-5v，r3＝10kω。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。

一種自調理混沌信號源可以用如下的動力學系統方程來描述，

其中，x、y和z分別為混沌信號在x、y和z軸方向上的分量，a為自調理混沌信號源的參數，和分別為x、y和z對時間的導數。

該方程從形式上來看，包含三個二次非線性反饋和一個內部線性反饋。當a＝1時，系統輸出的混沌吸引子，如圖1、2和3所示，此時系統所對應的李雅譜諾夫指數為(0.1271，0，-0.5526)。

設x→mx，y→y，z→mz方程(1)變為，→表示轉變為；

可見，係數m實現了混沌信號在x和z軸方向的幅度控制。也就是說混沌信號在x和z軸方向的幅度變化反映到系統方程上便是二次項z2的係數的改變。同樣設x→x+n，y→y，z→z方程(1)變為，

可見，混沌信號在x軸方向的極性變化可以通過在系統方程中引入一個直流反饋項n實現其偏置控制而得到。

自調理混沌信號源對應電路可由三條支路構成的閉環反饋系統來實現，當採用三路積分求和運算迴路來實現時，電路圖如圖4所示，應用基爾霍夫定律，結合運放的工作特性，得到電路方程與上述數學方程相似，

這裡x，y，z對應於三條支路上的輸出電壓，對應混沌信號在x、y和z軸方向上的分量。這裡，系統中各個反饋項的係數通過電阻和電容的聯合設置來實現，幅度控制可以通過變阻器r3的調整來實現，極性控制可以通過可調直流電源v1的調整來實現，電路產生的混沌相軌示波器仿真圖形如圖5-13所示。

三條支路具體如下：

第一條支路包括依次連接的第一乘積電路、第一積分求和運算電路和第一反相放大電路，第一乘積電路的輸入端輸入第二和第三支路的輸出信號。

具體電路結構為：第一乘積電路包括乘積單元m1；乘積單元m1的兩個輸入端分別輸入第二和第三支路的輸出信號，輸出端與第一積分求和運算電路的輸入端連接。第一積分求和運算電路包括反相加法積分運算單元u1、電阻r1和電容c1，電阻r1的一端為第一積分求和運算電路的輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u1的反相輸入端連接，反相加法積分運算單元u1的同相輸入端接地，反相加法積分運算單元u1的輸出端為第一積分求和運算電路的輸出端，電容c1的兩端分別與反相加法積分運算單元u1的反相輸入端和輸出端連接。第一反相放大電路包括反相比例放大單元u4、電阻r7和電阻r8，電阻r7的一端為第一反相放大電路的輸入端，另一端與反相比例放大單元u4的反相輸入端連接，反相比例放大單元u4的同相輸入端接地，反相比例放大單元u4的輸出端為第一反相放大電路的輸出端，電阻r8的兩端分別與反相比例放大單元u4的反相輸入端和輸出端連接。

第二條支路包括依次連接的第二積分求和運算電路和第二反相放大電路，第二積分求和運算電路有兩個輸入端，第一輸入端輸入直流電源v0，第二輸入端與第二乘積電路的輸出端連接，第二乘積電路的輸入端輸入第三支路的輸出信號，第二積分求和運算電路內置有變阻器r3，變阻器r3的一端為第二積分求和運算電路的第二輸入端，另一端與第二積分求和運算電路內的反相加法積分運算單元u2連接。

具體電路結構為：第二乘積電路包括乘積單元m2；乘積單元m2的兩個輸入端均輸入第三支路的輸出信號，輸出端與第二積分求和運算電路的第二輸入端連接。第二積分求和運算電路包括反相加法積分運算單元u2、變阻器r3、電阻r2和電容c2，電阻r2的一端為第二積分求和運算電路的第一輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u2的反相輸入端連接，反相加法積分運算單元u2的同相輸入端接地，反相加法積分運算單元u2的輸出端為第二積分求和運算電路的輸出端，電容c2的兩端分別與反相加法積分運算單元u2的反相輸入端和輸出端連接，變阻器r3的一端為第二積分求和運算電路的第二輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u2的反相輸入端連接。第二反相放大電路包括反相比例放大單元u5、電阻r9和電阻r10，電阻r9的一端為第二反相放大電路的輸入端，另一端與反相比例放大單元u5的反相輸入端連接，反相比例放大單元u5的同相輸入端接地，反相比例放大單元u5的輸出端為第二反相放大電路的輸出端，電阻r10的兩端分別與反相比例放大單元u5的反相輸入端和輸出端連接。

第三條支路包括第三積分求和運算電路，第三積分求和運算電路有三個輸入端，第一輸入端輸入可調直流電源v1，第二輸入端輸入第一條支路輸出信號，第三輸入端與第三乘積電路的輸出端連接，第三乘積電路的輸入端輸入第二和第三支路的輸出信號。

具體電路結構為：第三乘積電路包括乘積單元m3；乘積單元m3的兩個輸入端分別輸入第二和第三支路的輸出信號，輸出端與第三積分求和運算電路的第三輸入端連接。第三積分求和運算電路包括反相加法積分運算單元u3、電阻r4、電阻r5、電阻r6和電容c3，電阻r4的一端為第三積分求和運算電路的第一輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端連接，反相加法積分運算單元u3的同相輸入端接地，反相加法積分運算單元u3的輸出端為第三積分求和運算電路的輸出端，電容c3的兩端分別與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端和輸出端連接，電阻r5的一端為第三積分求和運算電路的第二輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端連接，電阻r6的一端為第三積分求和運算電路的第三輸入端，另一端與反相加法積分運算單元u3的反相輸入端連接。

本發明通過第二條支路變阻器調節，實現系統輸出的混沌信號的幅度調節；通過第三條支路的直流電源調節，實現混沌信號的極性控制；混沌信號源具有兩個獨立的控制入口，增加了硬體電路信號供給的靈活性，降低了電路實現和調試的難度，為混沌信號應用於電子與信息工程提供了便利。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。