《现代电路与系统》课程教学课件（PPT讲稿）第8章 混沌电路的分析与设计

第8章混沌电路的分析与设计

第8章 混沌电路的分析与设计

本章介绍现代电路理论的一个重要内容就是现代非线性电路理论，而现代非线性电路的一个重要内容就是混沌电路。传统的非线性电路主要研究频率变换电路、非线性器件、功率放大电路、振荡电路、模拟乘法电路、混频电路、调制与解调电路以及这些电路中的非线性特性及分析与设计方法等。它的一个主要特征是，当信号经过这种电路后将会产生新的频率分量。现代非线性电路则主要研究混沌电路

本章介绍 现代电路理论的一个重要内容就是现代非线性 电路理论，而现代非线性电路的一个重要内容就 是混沌电路。 传统的非线性电路主要研究频率变换电路、非 线性器件、功率放大电路、振荡电路、模拟乘法 电路、混频电路、调制与解调电路以及这些电路 中的非线性特性及分析与设计方法等。它的一个 主要特征是，当信号经过这种电路后将会产生新 的频率分量。现代非线性电路则主要研究混沌电 路

本章介绍“混沌”一词的基本含义是无序、不确定混沌作为一门科学，至今在学术界尚无统一的定义。一般来说，混沌是自然界中由确定性的运动条件而导致的不确定、如同随机运动的一类运动状态。混沌运动是普遍存在于人类生活、自然科学各个领域的一种基本的非线性现象。当然混沌也存在于电子学的各个领域，它在电子学中涉及的范围也是相当广泛的

“混沌”一词的基本含义是无序、不确定。 混沌作为一门科学，至今在学术界尚无统一 的定义。一般来说，混沌是自然界中由确定 性的运动条件而导致的不确定、如同随机运 动的一类运动状态。 混沌运动是普遍存在于人类生活、自然科 学各个领域的一种基本的非线性现象。当然， 混沌也存在于电子学的各个领域，它在电子 学中涉及的范围也是相当广泛的。 本章介绍

本章介绍过去，由于技术和观念的局限，我们总是将不少的非线性系统在某个区间内或在一定的条件下简化为线性问题来处理。然而，我们周围的很多事物实际上都是以非线性的规律运行着。混沌学就是力图探索非线性系统运动的真实规律，揭示它的本质，刻画它的基本特征，了解它的动力学行为，并对它加以控制和利用。本章主要研究非线性电路的一般处理方法、典型的混沌电路以及混沌电路的分析与设计方法。同时还简单介绍混沌电路在保密通信方面的运用

过去，由于技术和观念的局限，我们总是将不 少的非线性系统在某个区间内或在一定的条件下 简化为线性问题来处理。然而，我们周围的很多 事物实际上都是以非线性的规律运行着。 混沌学就是力图探索非线性系统运动的真实规 律，揭示它的本质，刻画它的基本特征，了解它 的动力学行为，并对它加以控制和利用。本章主 要研究非线性电路的一般处理方法、典型的混沌 电路以及混沌电路的分析与设计方法。同时还简 单介绍混沌电路在保密通信方面的运用。 本章介绍

8.1混沌电路为了对混沌电路有一个初步的了解，下面介绍如下图所示的最简单的混沌电路，该电路称为林森混沌电路。电路由电阻R、电感L、变容二极管D和一个外加输入信号u组成。如果元件值取R=200，L=100uH，变容二极管D选1N4001型输入信号u是频率f2MHz、振幅值Um可以变化的正弦波电压。K100μHD本u=Umcos(t)IN4011林森混沌电路

8.1 混沌电路 为了对混沌电路有一个初步的了解，下面介绍 如下图所示的最简单的混沌电路，该电路称为林 森混沌电路。电路由电阻R、电感L、变容二极管 D和一个外加输入信号u组成。如果元件值取 R=200，L=100µH，变容二极管D选1N4001型， 输入信号u是频率f=2MHz、振幅值Um可以变化 的正弦波电压。 林森混沌电路

8.1混沌电路当改变输入信号的振幅值而观察电路中回路电流的变化情况时，就会发现如下现象：当输入电压的振幅值U小于1V时，回路申流是一个与输入信号同频率、同周期的非正弦电流。回路电流的频率为f2MHz，周期为T-1/f-0.5us。回路电流的周期变化与输入信号的幅值Um的关系如下图中0～Um段所示UmTmUm2Um4Um8Um3Um6Um12

当改变输入信号的振幅值而观察电路中回路 电流i的变化情况时，就会发现如下现象： 当输入电压的振幅值Um小于1V时，回路电 流i是一个与输入信号同频率、同周期的非正弦 电流。回路电流i的频率为f=2MHz，周期为 T=1/f=0.5μs。回路电流i的周期变化与输入信号 的幅值Um的关系如下图中0～Um1段所示。 8.1 混沌电路

8.1混沌电路当输入电压的幅值U增加至1~2V之间的某一个值Um,时，回路电流是一个周期性的非正弦电流，而且它的幅度具有如下的规律：在激励信号的第一个周期，响应电流的振幅较小。而在激励信号的第二个周期，响应电流i的的振幅较大。在激励信号的第三周期，响应电流的振幅与激励信号的第一个周期时相同。在激励信号的第四个周期，响应电流的振幅与激励信号的第二个周期时相同。可见，在这个电路中，激励信号变化了四个周期，响应信号变化了两个周期。这种现象称为2周期分岔

当输入电压的幅值Um增加至1~2V之间的某一 个值Um1时，回路电流i是一个周期性的非正弦电 流，而且它的幅度具有如下的规律： 在激励信号的第一个周期，响应电流i的振幅 较小。而在激励信号的第二个周期，响应电流i 的的振幅较大。在激励信号的第三周期，响应电 流i的振幅与激励信号的第一个周期时相同。在 激励信号的第四个周期，响应电流i的振幅与激 励信号的第二个周期时相同。可见，在这个电路 中，激励信号变化了四个周期，响应信号变化了 两个周期。这种现象称为2周期分岔。 8.1 混沌电路

8.1混沌电路以输入激励信号的幅值U为横轴，以等激励周期横截输出所得点为纵轴，得到倍周期分岔图如下图所示当输入电压的幅值Um继续增长，例如达到Um2时，回路电流仍为周期性的非正弦电流，但它的周期变为输入信号周期的4倍，即Tm2=4T=1/(4)这种现象称为4周期分岔。回路电流的周期数与输入信号的幅值Um的关系如下图中Um2～Um4段所示。11KUmm6Um122m4.Lm

以输入激励信号的幅值Um为横轴，以等激励周 期横截输出所得点为纵轴，得到倍周期分岔图如 下图所示。 当输入电压的幅值Um继续增长，例如达到Um2 时，回路电流仍 为周期性的非正弦电流，但它 的周期变为输入信号周期的4倍，即Tm2=4T=1/(4f)。 这种现象称为4周期分岔。回路电流i的周期数与 输入信号的幅值Um的关系如下图中Um2 ～Um4段所 示。 8.1 混沌电路

8.1混沌电路之后，回路电流仍然是周期性的非正弦电流但它的周期会变为输入信号周期的8倍、16倍。即出现8周期分分和16周期分岔。自16周期分岔后，电路的申流开始变成非周期性的非正弦电流，而且该电流在一定区域内进行永不重复的振荡，如右图所示。这时我们称电路进入了混沌状态。外大UmUm3Um6Um12mUmzUm4Um

之后，回路电流仍然是周期性的非正弦电流， 但它的周期会变为输入信号周期的8倍、16倍。即 出现8周期分岔和16周期分岔。 自16周期分岔后，电路的电流开始变成非周期 性的非正弦电流，而且该电流在一定区域内进行 永不重复的振荡，如右图所示。这时我们称电路 进入了混沌状态。 8.1 混沌电路

8.1混沌电路如果电路的条件不发生变化或在一定的范围内变化，这种状态将会在电路中一直持续下去。输入电压变化时混沌持续进行的这个区域称为混沌区。在该电路中，混沌区实际上是指能够使混沌持续进行的输入电压变化的一个范围。在经过一个混沌区后，随着输入电压幅值的增加，电路中还会出现3周期分岔、6周期分岔、12周期分岔。然后再进入另一个混沌区

如果电路的条件不发生变化或在一定的范围内 变化，这种状态将会在电路中一直持续下去。输 入电压变化时混沌持续进行的这个区域称为混沌 区。 在该电路中，混沌区实际上是指能够使混沌持 续进行的输入电压变化的一个范围。在经过一个 混沌区后，随着输入电压幅值的增加，电路中还 会出现3周期分岔、6周期分岔、12周期分岔。然 后再进入另一个混沌区。 8.1 混沌电路