一种忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器

1.本发明属于电子、通讯与信息工程类技术，具体涉及一种忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器。


背景技术：

2.忆阻器被认为是一种新的电路设计元件，其特有的非线性使得忆阻同样适合于构建混沌系统，输出具有初值敏感性以及类随机性的混沌吸引子，从而应用于图像加密及流体双向搅拌等。一般的忆阻混沌电路的偏置调控需要多个元器件来实现，调控起来复杂且缺乏可靠性。
3.目前忆阻混沌电路的偏置调控不灵活和且选择性不强，一般要通过多个元器件来调控偏置，输出信号的极性也都是单一极性类型，这样不利于波形调节，从而难以满足混沌信号工程应用的要求。
4.关于忆阻混沌电路，专利[授权号zl202010820774.4]通过将磁控忆阻器模型加入到duffing混沌振子电路结构中，实现了一种具有独特动力学行为的混沌系统，能够产生独特的复杂混沌信号，但是此专利并未调控电路的偏置和极性。专利[授权号zl201720479129.4]在现有电光调制器偏置控制装置的基础上,通过引入新型的偏置控制模块,实现对探测光的频移以及混沌信号的应用，但该专利的偏置控制装置比较复杂，不能对忆阻反馈型混沌信号进行灵活调控。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器，利用某个支路的可调直流电源供电电压和电容器的初始电压实现忆阻混沌信号的偏置控制以及单极性信号选择。
[0006]
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[0007]
一种忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器，包括第一积分支路、第二积分支路、符号函数支路、绝对值函数支路和忆阻器模拟单元支路；其中，所述第一积分支路包括乘法器a1、放大器u1、放大器u2、电容c1、忆阻器w、电阻r1、电阻r2、电阻r5和电阻r6；其中信号y经过所述忆阻器w与sgn(x)信号分别接入所述乘法器a1的输入端，所述乘法器a1的输出端经电阻r2接入所述放大器u1的反向输入端，信号-sgn(x)经电阻r1接入放大器u1的反向输入端，所述放大器u1的正向输入端接地，所述放大器u1的反向输入端经过电容c1后接入放大器u1的输出端，所述放大器u1的输出端输出信号x，所述放大器u1的输出端经过电阻r5后接入放大器u2的反向输入端，所述放大器u2的反向输入端经过电阻r6后接入所述放大器u2的输出端，所述放大器u2的输出端输出信号-x，所述放大器u2的正向输入端接地；
[0008]
所述第二积分支路包括放大器u3、放大器u4、电容c2、电源v1、电阻r3、电阻r4、电阻r7和电阻r8；其中信号-abs(x)经过所述电阻r3后接入放大器u3的反向输入端，电源v1的正极依次连接电阻r4和电容c2后接入放大器u3的输出端，所述放大器u3的输出端输出信号
z，所述电源v1的负极接地，所述放大器u3的正向输入端接地，所述放大器u3的输出端经过电阻r8后接入所述放大器u4的反向输入端，所述放大器u4的反向输入端经过电阻r7后接入放大器u4的输出端，所述放大器u4的输出端输出信号-z，所述放大器u4的正向输入端接地；
[0009]
所述符号函数支路包括放大器u5、放大器u6、放大器u7、电阻r9、电阻r10、电阻r11和电阻r12；其中所述信号x接入所述放大器u5的反向输入端，所述放大器u5的正向输入端接地，所述放大器u5的输出端经过电阻r9后接入放大器u6的反向输入端，所述放大器u6的正向输入端接地，所述放大器u6的输出端输出信号sgn(x)，所述放大器u6的反向输入端依次连接电阻r10和电阻r11后接入所述放大器u7的反向输入端，所述放大器u7的反向输入端经过电阻r12后接入放大器u7的输出端，所述放大器u6的输出端接入电阻r10和电阻r11的公共端，所述放大器u7的输出端输出信号-sgn(x)，所述放大器u7的正向输入端接地；
[0010]
所述绝对值函数支路包括电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电阻r21、放大器u9、放大器u10、放大器u11、二极管d1和二极管d2，其中信号x经过所述电阻r15后接入所述放大器u11的反向输入端，所述放大器u11的正向输入端接地，所述放大器u11的反向输入端连接电阻r16后接入二极管d1的阳极，所述二极管d1的阴极连接放大器u11的输出端，所述放大器u11的反向输入端连接电阻r17后接入二极管d2的阴极，所述二极管d2的阳极接入放大器u11的输出端，所述二极管d1的阳极连接电阻r18后接入放大器u9的反向输入端，所述二极管d2的阴极接入放大器u9的正向输入端，所述放大器u9的反向输入端经连接电阻r19后接入放大器u9的输出端，放大器u9的输出端输出信号abs(x)，所述放大器u9的输出端连接电阻r20后接入放大器u10的反向输入端，放大器u10的正向输入端接地，所述放大器u10的反向输入端连接电阻r21后接入放大器u10的输出端，放大器u10的输出端输出信号-abs(x)；
[0011]
所述忆阻器模拟单元支路包括乘法器a2、乘法器a3、乘法器a4、电阻r13、电阻r14、电阻r22、电阻r23、电阻r24、电阻r25、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电阻r30、电阻r31、电阻r32、电阻r33、放大器u8、放大器u12、放大器u13、放大器u14、放大器u15、放大器u16、二极管d3、二极管d4、电源v2和电容c3；信号z和信号-z分别接入所述乘法器a4的输入端，所述乘法器a4的输出端连接电阻r22后接入所述放大器u16的反向输入端，信号z和信号y分别接入所述乘法器a2的输入端，所述乘法器a2的输出端连接电阻r23后接入所述放大器u16的反向输入端，所述放大器u16的反向输入端连接电容c3后接入所述放大器u16的输出端，所述放大器u16的正向输入端接地，所述放大器u16的输出端输出信号y，所述放大器u16的输出端连接电阻r24后接入所述放大器u12的反向输入端，所述放大器u12的反向输入端连接电阻r25后接入所述二极管d3的阳极，所述二极管d3的阴极接入所述放大器u12的输出端，所述放大器u12的反向输入端连接电阻r26后接入所述二极管d4的阴极，所述二极管d4的阳极接入所述放大器u12的输出端，所述电阻r25和二极管d3的公共端连接电阻r27后接入所述放大器u13的反向输入端，所述电阻r26和二极管d4的公共端接入所述放大器u13的正向输入端，所述放大器u13的反向输入端连接电阻r28后接入所述放大器u13的输出端，所述放大器u13的输出端输出信号abs(y)，所述放大器u13的输出端连接电阻r29后接入所述放大器u14的反向输入端，所述放大器u14的反向输入端连接电阻r30后接入所述放大器u14的输出端，所述放大器u14的正向输入端接地，所述放大器u14的输出端输出信号-abs(y)，所述放大器u14的输出端连接电阻r32后接入所述放大器u15的反向输入端，所述电源v2的
正极连接电阻r31后接入所述放大器u15的反向输入端，所述电源v2的负极接地，所述放大器u15的反向输入端连接电阻r33后接入所述放大器u15的输出端，所述放大器u15的正向输入端接地，所述放大器u15的输出端与信号z分别接入所述乘法器a3的输入端，乘法器a3的输出端输出信号w(y)z，所述信号y连接电阻r13后接入所述放大器u8的反向输入端，所述放大器u8的正向输入端接地，所述放大器u8的反向输入端连接电阻r14后接入所述放大器u8的输出端，所述放大器u8的输出信号-y。
[0012]
优选地，所述电容c1作为所述忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器的极性选择旋钮。
[0013]
优选地，所述电源v1作为所述忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器的偏置调控旋钮。
[0014]
优选地，所述二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4均为1n4148型二极管。
[0015]
采用上述技术方案带来的有益效果：
[0016]
本发明公开的忆阻混沌振荡器电路是通过忆阻器反馈电路、符号函数支路、绝对值函数支路以及两路积分求和运算电路搭建，输出双路单极性偏置可调的混沌信号。通过某个支路的可调直流电源供电电压和电容器的初始电压实现忆阻混沌信号的偏置控制以及通路控制，本发明的忆阻混沌振荡器有两个独立的控制旋钮，增加硬件电路调控的灵活性，极大的降低电路调控的难度，便于忆阻混沌振荡器在信号传输检测等应用领域的研究。
附图说明
[0017]
图1为忆阻器模拟单元支路的电路原理图。
[0018]
图2为忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌电路的电路原理图。
[0019]
图3为忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌电路的相轨在相平面上的投影。
[0020]
图4为忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌电路的双路单极性偏置相轨图以及波形图。
[0021]
图5为忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌电路的仿真相轨图。
[0022]
图6为忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌电路仿真示波器的负极性相轨图以及波形图。
[0023]
图7为忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌电路仿真示波器的正极性相轨图以及波形图。
具体实施方式
[0024]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0025]
本发明公开了一种忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器，包括第一积分支路、第二积分支路、符号函数支路和绝对值函数支路、忆阻器模拟单元支路。其电路图如图1、图2所示，其中第一积分支路包括三个输入端，其中输入信号-sgn(x)、sgn(x)和y分别通过电阻r1、r2连接放大器u1的输入端，放大器u1的输出端连接放大器u2的输入端，最终输出信号-x；第二积分支路包括输入信号-abs(x)和v1两个输入端，依次连接放大器u3和放大器u4，输出信号-z作为第五条支路的输入；符号函数支路输入信号x经过符号函数支路以及放大器u7，输出信号-sgn(x)作为第一条支路的输入；绝对值函数支路输入信号x经过绝对值
函数支路以及放大器u10，输出信号-abs(x)作为第二条支路的输入。忆阻器模拟单元支路的输入信号输出信号分别为z、-z、y、v2和w(y)z。
[0026]
第一积分支路包括乘法器a1、放大器u1、放大器u2、电容c1、忆阻器w、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和电阻r6。其中输入信号y经过忆阻器w与sgn(x)作为乘法器的输入端，乘法器的输出端与输入信号-sgn(x)连接由电阻r1、电阻r2、电容c1、放大器u1搭建的反相积分运算单元的输入端，反相积分运算单元的输出端连接由电阻r5、电阻r6和放大器u2搭建的反相比例运算电路的输入端，反相比例运算电路的输出端为-x。
[0027]
第二积分支路包括放大器u3、放大器u4、电容c2、电源v1、电阻r3、电阻r4、电阻r7和电阻r8。其中电阻r3、电阻r4、电容c2、放大器u3搭建反相积分运算单元，电阻r8、电阻r7和放大器u4搭建反相比例运算电路，输入信号-abs(x)和输入电压v1依次连接反相积分运算单元和反相比例运算电路，输出信号-z。
[0028]
符号函数支路包括放大器u5、放大器u6、放大器u7、电阻r9、电阻r10、电阻r11和电阻r12。其中，放大器的反相输入端连接输入信号，同相输入端接地，放大器u5的输出端依次连接由电阻r9、电阻r10和放大器u6搭建反相比例运算电路和由电阻r11、电阻r12和放大器u7搭建反相比例运算电路，输出信号-sgn(x)。
[0029]
绝对值函数支路包括放大器u9、放大器u10、放大器u11、二极管d1、二极管d2、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20和电阻r21，绝对值电路由放大器u9、放大器u11、二极管d1、二极管d2、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18和电阻r19搭建，第四条支路的反相比例运算电路由放大器u10、电阻r20和电阻r21搭建，输入信号x连接绝对值电路和反相比例运算电路输出信号-abs(x)。
[0030]
忆阻器模拟单元支路包括放大器u8、放大器u12、放大器u13、放大器u14、放大器u15、放大器u16、乘法器a2、乘法器a3、乘法器a4、电容c3、电阻r13、电阻r14、电阻r22、电阻r23、电阻r24、电阻r25、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电阻r30、电阻r31、电阻r32、电阻r33、二极管d3和二极管d4。第五条忆阻器模拟单元支路的输入信号z、-z、y连接由电阻r22、电阻r23、电容c3和放大器u16搭建的反相积分运算单元，反相积分运算单元输出端的一条支路连接由放大器u8、电阻r13和电阻r14搭建的反相比例运算电路得到输出信号-y，反相积分运算单元输出端的另以条支路连接由放大器u12、放大器u13、二极管d3、二极管d4、电阻r25、电阻r26、电阻r27、电阻r28和电阻r24搭建的绝对值电路，放大器u13的输出端连接电阻r29，放大器u14的反相输入端与同相输入端分别连接电阻r29和接地，放大器u14输出端和输入电压v2连接由电阻r31、电阻r32、电阻r33和放大器u15搭建的反相比例运算单元，反相比例运算单元输出端和输入信号z连接乘法器输入端，输出信号w(y)z。
[0031]
具有双路单极性偏置可调功能的忆阻反馈型混沌振荡器系统无量纲数学模型如下所述：
[0032][0033]
其忆阻器方程为：
[0034][0035]
公式(1)中，x,y,z为系统状态变量，参数a,b,c为常数，参数d为单极性偏置调节系数，当参数a＝8,b＝8,c＝3,d＝5，ic＝(-1,1,-1)时，系统输出的混沌吸引子如图3所示。公式(1)可由忆阻反馈电路、绝对值函数支路、符号函数支路以及两条积分运算电路实现，公式(1)所对应的电路方程为：
[0036][0037]
公式(1)中的参数通过电阻和电容的联合设置来实现，初始值x的变化使得电路输出信号x正负极性转变，实现通路的转化，它也可以通过电容的初始电压来实现，忆阻反馈型混沌振荡器电路的偏置由电压v1所调控，对应公式(1)中的参数d。系统仿真相轨以及波形图如图4所示，电路仿真的混沌相轨和波形图如图5、图6、图7所示。
[0038]
(2)双路单极性偏置控制
[0039]
所述的忆阻反馈型双路单极性偏置可调混沌振荡器输出信号x极性的选择可以通过第一条支路中电容的初始电压来实现，当电容的初始电压v
c1
＝1v时，忆阻混沌振荡器输出信号x是负极性，如图6负极性偏置相轨图以及波形图所示；当电容的初始电压减小为-1v时，忆阻混沌振荡器输出信号x是正极性，如图7负极性偏置相轨图以及波形图所示。忆阻混沌振荡器输出信号x由正极性转变为负极性，实现信号由单路到双路的转化。
[0040]
忆阻反馈型混沌振荡器电路的偏置控制由第二条支路的可调直流电源供电电压v1所调控。忆阻混沌振荡器输出信号x的大小随着直流电源供电电压v1的增大而增大。
[0041]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。