整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
【專利摘要】一種整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，是可以實(shí)現(xiàn)三維或四維整數(shù)階或分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)雙蹤示波器輸出時(shí)序圖或相圖的混沌實(shí)驗(yàn)儀，包括殼體和安裝在殼體里的內(nèi)置電路板；內(nèi)置電路板上設(shè)有電源電路、用于產(chǎn)生混沌信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)相同的Ⅰ部分電路和Ⅱ部分電路，并且每個(gè)部分都是由四個(gè)通道組成，每個(gè)通道均包括信號(hào)輸入電路、加法器電路、積分電路和混沌信號(hào)輸出電路；加法器電路分別與信號(hào)輸入電路、積分電路相連接，積分電路的輸出端與混沌信號(hào)輸出電路相連接。該混沌實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、穩(wěn)定性好、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、可以用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)，也可以作為研究機(jī)關(guān)的常用的科研設(shè)備，完全滿足了當(dāng)前混沌現(xiàn)象研究需要。
【專利說(shuō)明】整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于在物理、數(shù)學(xué)研究教學(xué)中演示和測(cè)試各種混沌實(shí)驗(yàn)的儀器，具體涉及了一種整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌試驗(yàn)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]混沌是自然界中普遍存在的一個(gè)現(xiàn)象，是非線性動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域一個(gè)研究的熱點(diǎn)，自上世紀(jì)70代開(kāi)始，特別是90年代以來(lái)，研究獲得了前所未有的成果。然而，混沌的應(yīng)用研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于理論研究的水平。目前，混沌、超混沌等的實(shí)驗(yàn)測(cè)試都是通過(guò)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，可是在實(shí)驗(yàn)室、研究機(jī)構(gòu)還沒(méi)有一個(gè)功能全面的混沌實(shí)驗(yàn)儀器。在我國(guó)實(shí)驗(yàn)室中使用的混沌實(shí)驗(yàn)儀器，主要有上海大學(xué)研究的非線性混沌實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀器采用一塊雙運(yùn)放構(gòu)成負(fù)電阻電路，和其他阻容元件構(gòu)成的非線性電路實(shí)現(xiàn)蔡氏電路的混沌演示功能，但是對(duì)于其他系統(tǒng)，如1renz系統(tǒng)、Iiu系統(tǒng)、Iu系統(tǒng)等卻無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，至于其他高維及分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)的演示和測(cè)試，更加無(wú)法實(shí)現(xiàn)。其他的混沌實(shí)驗(yàn)主要是采用分立元件搭建，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通用性能差，比如做好的電路板，只能做某一個(gè)系統(tǒng)的混沌實(shí)驗(yàn)，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化，又不得不重新設(shè)計(jì)電路，另一種是采用電路仿真軟件進(jìn)行仿真，盡管現(xiàn)在的電路仿真軟件做得比較好，但是和實(shí)際元件構(gòu)成的電路相比較還是有不小的差距。所以，能夠綜合目前常見(jiàn)的混沌系統(tǒng)并能經(jīng)過(guò)小的改變?cè)獏?shù)，就可以適應(yīng)新系統(tǒng)的混沌實(shí)驗(yàn)儀還沒(méi)有。因此，市場(chǎng)上急需一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目前的各種混沌系統(tǒng)進(jìn)行演示和測(cè)試的多功能混沌試驗(yàn)儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、穩(wěn)定性好、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、可以用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)，也可以作為研究機(jī)關(guān)的常用的科研設(shè)備，完全滿足了當(dāng)前混沌現(xiàn)象研究需要的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌試驗(yàn)儀。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案:
[0005]一種整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，是根據(jù)不同的混沌系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)定電路元件的連接關(guān)系和元件參數(shù)，產(chǎn)生的混沌信號(hào)經(jīng)混沌實(shí)驗(yàn)儀處理后輸出到雙蹤示波器顯示的混沌實(shí)驗(yàn)儀，該混沌實(shí)驗(yàn)儀包括殼體和安裝在殼體里的內(nèi)置電路板；其中，所述的內(nèi)置電路板上設(shè)有電源電路和用于產(chǎn)生混沌信號(hào)的電路，用于產(chǎn)生混沌信號(hào)的電路包括結(jié)構(gòu)相同的I部分電路和II部分電路，所述I部分電路和II部分電路都是由通道A、通道B、通道C、通道D四個(gè)電路組成，每個(gè)通道電路均包括信號(hào)輸入電路、加法器電路、積分電路和混沌信號(hào)輸出電路；其中通道B、C、D的電路中還設(shè)有乘法器；所述加法器電路分別與乘法器、信號(hào)輸入電路、積分電路相連接，積分電路的輸出端與混沌信號(hào)輸出電路的輸入端相連接，信號(hào)輸入電路的輸入端通過(guò)連接線與混沌系統(tǒng)相連接，混沌信號(hào)輸出電路的輸出端通過(guò)連接線與雙蹤示波器相連接；所述乘法器、加法器電路、積分電路、混沌信號(hào)輸出電路分別與電源電路相連接。[0006]所述的加法器電路、積分電路、混沌信號(hào)輸出電路均設(shè)有集成運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器相應(yīng)的阻容元件構(gòu)成了上述電路；其中集成運(yùn)算放大器采用LM741CN，乘法器采用AD633，主要完成不同的混沌系統(tǒng)的乘法或平方的運(yùn)算。通過(guò)改變輸入電路的電阻值以及輸入電路的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)所有混沌、超混沌系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
[0007]所述的積分電路設(shè)有切換開(kāi)關(guān)JP和插件模塊接口。電路I和電路II兩部分均能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)三維混沌和四維超混沌的實(shí)驗(yàn)，而通過(guò)積分電路的切換開(kāi)關(guān)和插件模塊接口，還可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)階和分?jǐn)?shù)階混沌/超混沌的切換，進(jìn)行整數(shù)階和分?jǐn)?shù)階混沌/超混沌系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。插件模塊接口即為電路圖中積分電路部分的接頭。
[0008]所述的插件模塊接口為分?jǐn)?shù)階模塊插座,插接分?jǐn)?shù)階模塊電路；所述的分?jǐn)?shù)階模塊電路包括0.1階電路、0.2階電路、0.3階電路、0.4階電路、0.5階電路、0.6階電路、0.7階電路、0.8階電路和0.9階電路。分?jǐn)?shù)階模塊電路由若干組電阻、電容串并聯(lián)連接構(gòu)成。分?jǐn)?shù)階模塊電路，不同的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)，產(chǎn)生混沌的階數(shù)不同，為了能夠涵蓋所有的階數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了從0.1階到0.9階的所有模塊，模塊電路結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)隨階數(shù)的不同而不同，本試驗(yàn)儀8個(gè)通道共可組合連接72個(gè)模塊，具有豐富的插件資源，完全滿足了實(shí)際科研的需要。
[0009]所述的信號(hào)輸入電路設(shè)有參數(shù)調(diào)節(jié)電路接口和信號(hào)輸入切換接口。參數(shù)調(diào)節(jié)電路接口可連接精密微調(diào)電阻，這樣通過(guò)調(diào)節(jié)精密微調(diào)電阻，可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)改變，而通過(guò)信號(hào)輸入切換接口的選擇來(lái)改變輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)不同的混沌系統(tǒng)的組成項(xiàng)的不同。
[0010]所述的信號(hào)輸入電路的輸入端和混沌信號(hào)輸出電路的輸出端的接口均為單孔銅插座。
[0011 ] 所述的電源電路由接頭P6、橋式整流電路D1、三端穩(wěn)壓集成電路VRpVR2和電容C3、C4、C5、C6、C9、C10, Cn、C12 連接構(gòu)成。
[0012]所述的電容C3、C4、C9、C1Q為有極性電容；所述的三端穩(wěn)壓集成電路VR1采用LM7805型號(hào)的三端穩(wěn)壓集成電路，三端穩(wěn)壓集成電路VR2采用LM7905型號(hào)的三端穩(wěn)壓集成電路；所述接頭P6的引腳1、3分別與橋式整流電路D1連接，引腳2接地；所述三端穩(wěn)壓集成電路VR1的輸入端分別與C3的正極端、C5的一端、橋式整流電路D1的輸出端相連接,三端穩(wěn)壓集成電路VR1的輸出端分別與C6的一端、C4的正極端相連接；所述三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸入端分別與C9的負(fù)極端、C11的一端、橋式整流電路D1的輸入端相連接，三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸出端分別與C12的一端、Cltl的負(fù)極端相連接；所述的三端穩(wěn)壓集成電路VRp VR2的接地端，C3、C4的負(fù)極端，C9、C10的正極端，C5、C6、C11、C12的另一端均接地。
[0013]所述通道B的乘法器U6采用AD633型號(hào)的乘法器；所述通道B的混沌信號(hào)輸入電路由接頭p5、P7和P8相互連接構(gòu)成；通道B的加法器電路由集成運(yùn)算放大器U4和電阻R5、R7連接構(gòu)成；通道B的積分電路由集成運(yùn)算放大器U5、電容C2、接頭P2、切換開(kāi)關(guān)JP2連接構(gòu)成；通道B的混沌信號(hào)輸出電路包括倒相電路，倒相電路由電阻R8、R6和集成運(yùn)算放大器U7連接構(gòu)成；所述集成運(yùn)算放大器U4、U5' U7采用LM741CN型號(hào)的集成運(yùn)算放大器；所述乘法器隊(duì)的引腳I與接頭P5的引腳1、3連接，乘法器U6的引腳8與接頭P5的引腳5、7連接，乘法器U6的引腳2、7接地，乘法器U6的引腳3、4接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸出端，乘法器U6的引腳6接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VR1的輸出端，乘法器U6的引腳5與接頭P7的引腳7連接；接頭P7的引腳2、4、6、8分別與接頭P8的引腳5、6、7、8相連接；接頭P8的引腳1、2、3、4均與集成運(yùn)算放大器U4的引腳2連接；集成運(yùn)算放大器U4的引腳3接地，集成運(yùn)算放大器U4的引腳1、5、8置空，集成運(yùn)算放大器U4的引腳4接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸出端，集成運(yùn)算放大器U4的引腳7接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VR1的輸出端，集成運(yùn)算放大器U4的引腳6分別與電阻R5、R7的一端連接；電阻R5的另一端與集成運(yùn)算放大器U4的引腳2連接；電阻R7的另一端分別與集成運(yùn)算放大器U5的引腳2、電容C2的一端、接頭P4的引腳I連接；集成運(yùn)算放大器U5的引腳3接地，集成運(yùn)算放大器U5的引腳1、5、8置空，集成運(yùn)算放大器U5的引腳4接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸出端，集成運(yùn)算放大器U5的引腳7接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VRl的輸出端，集成運(yùn)算放大器U5的引腳6分別與電阻R8的一端、切換開(kāi)關(guān)JP2的引腳2連接；電容C2的另一端、接頭P4的引腳2分別與切換開(kāi)關(guān)JP2的引腳3、1連接；電阻R8的另一端分別與電阻R6的一端、集成運(yùn)算放大器U7的引腳2連接；集成運(yùn)算放大器U7的引腳3接地，引腳1、
5、8置空，引腳4接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸出端，引腳7接電源電路的三端穩(wěn)壓集成電路VR1的輸出端，引腳6與電阻R6的另一端連接。
[0014]通道A、C、D的電路連接結(jié)構(gòu)與通道B相應(yīng)的電路連接結(jié)構(gòu)相同。[0015]本實(shí)用新型的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能實(shí)驗(yàn)電路中使用的模擬乘法器是對(duì)兩個(gè)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)相乘功能的有源非線性器件，主要功能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互不相關(guān)信號(hào)相乘，乘法器的輸入可以電壓也可以是電流，輸出信號(hào)等于兩個(gè)輸入信號(hào)的積；在混沌實(shí)驗(yàn)儀中，主要實(shí)現(xiàn)混沌系統(tǒng)的非線性項(xiàng)的乘積運(yùn)算，也可以實(shí)現(xiàn)變量的平方運(yùn)算。
[0016]I和II兩部分的電路的設(shè)計(jì)，可以運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM741CN組成加法器、積分器等，乘法器采用AD633。根據(jù)以上的方案，以Lorenz系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:
【權(quán)利要求】
1.一種整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，是根據(jù)不同的混沌系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)定電路元件的連接關(guān)系和元件參數(shù)，產(chǎn)生的混沌信號(hào)經(jīng)處理后輸出到雙蹤示波器顯示的混沌實(shí)驗(yàn)儀，該混沌實(shí)驗(yàn)儀包括殼體和安裝在殼體里的內(nèi)置電路板；其特征在于:所述的內(nèi)置電路板上設(shè)有電源電路和用于產(chǎn)生混沌信號(hào)的電路，用于產(chǎn)生混沌信號(hào)的電路包括結(jié)構(gòu)相同的I部分電路和II部分電路，所述I部分電路和II部分電路都是由通道A、通道B、通道C、通道D四個(gè)電路組成，每個(gè)通道電路均包括信號(hào)輸入電路、加法器電路、積分電路和混沌信號(hào)輸出電路；其中通道B、C、D的電路中還設(shè)有乘法器；所述加法器電路分別與乘法器、信號(hào)輸入電路、積分電路相連接，積分電路的輸出端與混沌信號(hào)輸出電路的輸入端相連接，信號(hào)輸入電路的輸入端通過(guò)連接線與混沌系統(tǒng)相連接，混沌信號(hào)輸出電路的輸出端通過(guò)連接線與雙蹤示波器相連接；所述乘法器、加法器電路、積分電路、混沌信號(hào)輸出電路分別與電源電路相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述的加法器電路、積分電路、混沌信號(hào)輸出電路均設(shè)有集成運(yùn)算放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述的積分電路設(shè)有切換開(kāi)關(guān)JP和插件模塊接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述的插件模塊接口為分?jǐn)?shù)階模塊插座，插接分?jǐn)?shù)階模塊電路；所述的分?jǐn)?shù)階模塊電路包括0.1階電路、0.2階電路、0.3階電路、0.4階電路、0.5階電路、0.6階電路、0.7階電路、0.8階電路和0.9階電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述的信號(hào)輸入電路設(shè)有參數(shù)調(diào)節(jié)電路接口和信號(hào)輸入切換接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述的信號(hào)輸入電路的輸入端和混沌信`號(hào)輸出電路的輸出端的接口均為單孔銅插座。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，2或4-6任一所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述的電源電路由接頭P6、橋式整流電路D1、三端穩(wěn)壓集成電路VRp VR2和電容C3、C4、C5、C6、C9、C1Q、Cn、C12 連接構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述的電容C3、C4、C9、C10為有極性電容；所述的三端穩(wěn)壓集成電路VR1采用LM7805型號(hào)的三端穩(wěn)壓集成電路，三端穩(wěn)壓集成電路VR2采用LM7905型號(hào)的三端穩(wěn)壓集成電路；所述接頭P6的引腳1、3分別與橋式整流電路D1連接，引腳2接地；所述三端穩(wěn)壓集成電路VR1的輸入端分別與C3的正極端、C5的一端、橋式整流電路D1的輸出端相連接，三端穩(wěn)壓集成電路VR1的輸出端分別與C6的一端、C4的正極端相連接；所述三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸入端分別與C9的負(fù)極端、C11的一端、橋式整流電路D1的輸入端相連接，三端穩(wěn)壓集成電路VR2的輸出端分別與C12的一端、C10的負(fù)極端相連接；所述的三端穩(wěn)壓集成電路VRp VR2的接地端，C3、C4的負(fù)極端，C9, C10的正極端，C5, C6, Cn、C12的另一端均接地。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述通道B的乘法器U6采用AD633型號(hào)的乘法器；所述通道B的混沌信號(hào)輸入電路由接頭P5、P7和P8相互連接構(gòu)成；通道B的加法器電路由集成運(yùn)算放大器U4和電阻&、1?7連接構(gòu)成；通道B的積分電路由集成運(yùn)算放大器U5'電容C2、接頭P2、切換開(kāi)關(guān)JP2連接構(gòu)成；通道B的混沌信號(hào)輸出電路包括倒相電路，倒相電路由電阻r8、r6和集成運(yùn)算放大器U7連接構(gòu)成；所述集成運(yùn)算放大器u4、U5' U7采用LM741CN型號(hào)的集成運(yùn)算放大器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的整數(shù)階分?jǐn)?shù)階多功能混沌實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:通道A、C、D與通道B相應(yīng)的電路的連接 結(jié)構(gòu)相同。
【文檔編號(hào)】G09B23/08GK203455977SQ201320580484
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月26日
【發(fā)明者】龐壽全 申請(qǐng)人:玉林師范學(xué)院