混沌信号产生装置

2022年“杰创杯”江西省大学生电子综合设计赛TI杯大学生电子设计竞赛--省级二等奖

1项目简介

本设计实现了一种混沌信号产生实验装置。该设计基于经典蔡氏电路方程改进，由电阻、电容和5个运算放大器组成，可通过单片机控制模拟开关切换电阻生成多种稳定周期信号、单涡旋混沌信号和双涡旋混沌信号

2混沌现象

混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动。一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性——不可重复、不可预测，称为混沌现象

3混沌电路

系统的混沌现象可以用非线性系统的动态方程来描述，并使用电阻、电容、电感和运算放大器等器件构成相应的电路来进行具体实现，这种电路称为混沌信号产生电路，典型的混沌信号产生电路包括蔡氏电路Chua's circuit、范德坡电路Vanderbilt circuit、考比兹电路Colpitts circuit等。

3.1蔡氏电路产生混沌信号

蔡氏电路原理图如下：由两个线性电容\(C_{1} 和 C_{2}\)、一个线性电感 L、一个线性电阻 R 和一个蔡氏二极管\(R_{N}\)组成

• 线性电感 L 和电容 C2 组成 LC 谐振电路
• 电阻 R 和电容 C1 组成移相器,将 LC 谐振电路产生的信号移相

3.1.1蔡氏二极管设计

蔡氏二极管是一个分段线性负阻元件，目前常用的是用两个相同的电路单元并联而成，每个电路单元由 1个集成运放和3个线性电阻构成，电路原理图如下：

3.1.2蔡氏二极管伏安特性曲线

当电压在 BCDE 段时，电路呈现非线性负阻特性，蔡氏二极管就工作在该范围内

3.1.3模拟电感设计

1. 里奥登模拟电感：\(L=R^{2}C\)
   
2. 新型无损模拟电感：\(L=2R^{2}C\)
   

4电路方案仿真

4.1无源电感-电路方案仿真

电路图如下：

仿真测试：

周期相图	仿真图像	阻值范围
单倍周期		1.8K+200×(70-98)%
双倍周期		1.8K+200×(65-70)%
三倍周期		1.8K+200×(50-65)%
单涡旋		1.8K+200×(45-50)%
双涡旋		1.8K+200×(0-45)%

4.2里奥登模拟电感-电路方案仿真

电路图如下：

仿真测试：

周期相图	仿真图像	阻值范围
单倍周期		1.8K+200×(79-100)%
双倍周期		1.8K+200×(70-78)%
三倍周期		1.8K+200×(65-70)%
单涡旋		1.8K+200×(53-64)%
双涡旋		1.8K+200×(0-52)%

4.3五运放限幅蔡氏电路-电路方案仿真

电路图如下：

仿真测试：

周期相图	仿真图像	阻值范围
单倍周期		6.2K+2000×(52-100)%
双倍周期		6.2K+2000×(40-51)%
三倍周期		6.2K+2000×(31-39)%
单涡旋		6.2K+2000×(21-30)%
双涡旋		6.2K+2000×(0-20)%

5比赛项目复盘

5.1系统结构框图

5.2电路设计

①混沌电路：

鉴于三种方案的仿真效果，选用的第三种方案：五运放限幅蔡氏电路

该方案与经典蔡氏电路相比，该方案电路性能稳定可靠，元件参数允许范围很大，例如, R6 = 1.72Ω，用1.7 或1.8 Ω代替都可以，减少了混沌电路元件参数误差

②继电器电路：
作用：选择不同的阻值连接P1、P2端子，从而产生不同周期的混沌信号。

5.3软件设计

点击查看代码

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	
	//进行OLED屏初始化
	OLED_Init();	

	//发送数据到OLED屏上，进行初始页面的设计
	OLED_ShowString(36,0,&Font_8x16,"2022");
	OLED_ShowChineseString(70,0,&CN16Font_16x16,"年");
	OLED_ShowString(4,2,&Font_8x16,"TI");
	OLED_ShowChineseString(22,2,&CN16Font_16x16,"杯大学生电子");
	OLED_ShowChineseString(24,4,&CN16Font_16x16,"设计竞赛");
	OLED_ShowString(26,6,&Font_8x16,"D");
	OLED_ShowChineseString(36,6,&CN16Font_16x16,"题展示");

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		
		//不断循环扫描各个按键的按下情况，进行对应的操作
		if(KeyScan() == 1)
    {
				OLED_Clear();
				OLED_ShowChineseString(20,0,&CN16Font_16x16,"单倍周期相图");	
				HAL_GPIO_WritePin(ONE_GPIO_Port,ONE_Pin,GPIO_PIN_SET);
				HAL_GPIO_WritePin(TWO_GPIO_Port,TWO_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(THREE_GPIO_Port,THREE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FOUR_GPIO_Port,FOUR_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FIVE_GPIO_Port,FIVE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
    }
		if(KeyScan() == 2)
		{
				OLED_Clear();
				OLED_ShowChineseString(20,0,&CN16Font_16x16,"双倍周期相图");
				HAL_GPIO_WritePin(ONE_GPIO_Port,ONE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(TWO_GPIO_Port,TWO_Pin,GPIO_PIN_SET);
				HAL_GPIO_WritePin(THREE_GPIO_Port,THREE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FOUR_GPIO_Port,FOUR_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FIVE_GPIO_Port,FIVE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
		}
		if(KeyScan() == 3)
		{
			  OLED_Clear();
				OLED_ShowChineseString(20,0,&CN16Font_16x16,"三倍周期相图");
				HAL_GPIO_WritePin(ONE_GPIO_Port,ONE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(TWO_GPIO_Port,TWO_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(THREE_GPIO_Port,THREE_Pin,GPIO_PIN_SET);
				HAL_GPIO_WritePin(FOUR_GPIO_Port,FOUR_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FIVE_GPIO_Port,FIVE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
		}
		if(KeyScan() == 4)
		{
			  OLED_Clear();
				OLED_ShowChineseString(20,0,&CN16Font_16x16,"单涡旋混沌");
				OLED_ShowChineseString(25,2,&CN16Font_16x16,"信号相图");
				HAL_GPIO_WritePin(ONE_GPIO_Port,ONE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(TWO_GPIO_Port,TWO_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(THREE_GPIO_Port,THREE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FOUR_GPIO_Port,FOUR_Pin,GPIO_PIN_SET);
				HAL_GPIO_WritePin(FIVE_GPIO_Port,FIVE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
		}
		if(KeyScan() == 5)
		{
			  OLED_Clear();
				OLED_ShowChineseString(20,0,&CN16Font_16x16,"双涡旋混沌");
				OLED_ShowChineseString(25,2,&CN16Font_16x16,"信号相图");
				HAL_GPIO_WritePin(ONE_GPIO_Port,ONE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(TWO_GPIO_Port,TWO_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(THREE_GPIO_Port,THREE_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FOUR_GPIO_Port,FOUR_Pin,GPIO_PIN_RESET);
				HAL_GPIO_WritePin(FIVE_GPIO_Port,FIVE_Pin,GPIO_PIN_SET);
		}
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

参考文献

[1]段晓飞,高同强.一种基于有源模拟电感的单电源蔡氏电路[J].太赫兹科学与电子信息学报, 2021, 19(6):7.DOI:10.11805/TKYDA2020025.
[2]张新国,孙洪涛,赵金兰,等.蔡氏电路的功能全同电路与拓扑等效电路及其设计方法[J].物理学报, 2014(20):8.DOI:10.7498/aps.63.200503.
[3]刘恒;刘远林;吴朝阳;孙亚坤;刘泽.一种蔡氏混沌电路实验设计[J].实验科学与技术2020 18(06):8-13
[4]戚慧珊;杨明健;刘百钊;曾键桦;李伟锦.蔡氏混沌电路实验的改进设计[J].大学物理实验2019 32(02):66-71.