ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ С ИНЕРЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ Российский патент 2010 года по МПК H03B29/00 

Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний.

Известен генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первыми входами конденсатора и резистора, второй вход устройства с отрицательным сопротивлением соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым входом резистора (Т.Мацумото, Хаос в электронных схемах. ТИИЭР, 1987. Т.75. Т.8, с.67-68).

Недостатком этого генератора хаотических колебаний является то, что в нем используется нелинейный резистор с отрицательным сопротивлением, совмещающий разнородные функции резистивного элемента с заданным нелинейным номиналом сопротивления и нелинейного преобразователя сигналов с заданной нелинейностью, что ограничивает возможность изменения параметров нелинейности, сужая тем самым пределы регулирования характеристик генерируемых колебаний.

Известен генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первыми выводами нелинейного элемента и второй катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен со вторыми выводами нелинейного элемента и устройства с отрицательным сопротивлением (см. патент РФ №2207710, МПК Н03В 29/00).

Однако и этот генератор хаотических колебаний не допускает изменения параметров нелинейности и тем самым не позволяет изменять характеристики генерируемых хаотических сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является генератор хаотических колебаний, содержащий неинвертирующий усилитель с регулируемым с помощью резистора R_y коэффициентом усиления, в котором входной каскад, собранный на пентоде, имеет два входа, первый из которых является сигнальным, а второй - управляющим, и позволяет изменять коэффициент усиления усилителя пропорционально амплитуде поступающего на этот вход переменного напряжения. Выход усилителя подключен к входу RC-цепи Вина, состоящей из последовательного соединения конденсатора С, резистора R и параллельного соединения еще одного конденсатора С и еще одного резистора R, а выход RC-цепи Вина соединен с первым входом усилителя. С выхода усилителя сигнал дополнительно подается на вход инерционной нелинейной цепи, состоящей из последовательного соединения нелинейного элемента с квадратичной характеристикой и фильтра нижних частот, состоящего из параллельного соединения резистора R_ф и конденсатора С_ф, выход которой соединен со вторым входом усилителя. Изменение величин резистора

R_у и конденсатора С_ф позволяет независимо друг от друга регулировать два параметра генерируемых хаотических колебаний (В.В.Астахов, Механизмы перехода к стохастичности в генераторе с инерционной нелинейностью: Канд. дис. Саратов, 1983).

Недостатком генераторов хаотических колебаний с инерционной нелинейностью, в том числе и рассматриваемого генератора хаотических колебаний, является то, что он собран на электронных лампах. При этом из-за приближенной реализации линейности динамической характеристики усилителя и квадратичного закона в инерционном преобразователе точность генерирования хаотических колебаний недостаточна. Кроме этого генератор имеет крупные габариты и высокое энергопотребление, так как содержит 4 источника постоянного напряжения, в том числе один высоковольтный, и источник переменного напряжения для питания цепей накала электронных ламп.

Перевод генератора хаотических колебаний с инерционной нелинейностью на современные полупроводниковые элементы затруднен отсутствием полупроводниковых приборов, аналогичных многосеточным электронным лампам.

Задачей настоящего изобретения является создание генератора хаотических колебаний с инерционной нелинейностью с использованием современных полупроводниковых приборов.

Технический результат заключается в повышении точности генерирования хаотических автоколебаний с заданной структурой, упрощении конструкции и энергопотребления генератора. При этом генератор хаотических колебаний становится компактным и использует единственный стандартный источник с напряжениями +15 и -15 В.

Поставленная задача достигается тем, что генератор хаотических колебаний с инерционной нелинейностью, содержит операционный усилитель, цепь отрицательной обратной связи которого содержит переменный резистор и первый полевой транзистор, вход которого соединен с выходом операционного усилителя с помощью RC-цепи Вина и с входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного преобразователя, а выход нелинейного преобразователя соединен с входом полевого транзистора.

Нелинейный инерционный преобразователь выполнен в виде второго полевого транзистора с фильтром нижних частот в качестве нагрузки.

Для питания генератора выбран единственный стандартный источник напряжения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема предлагаемого генератора хаотических колебаний, где

A₁ - первый операционный усилитель;

А₂ - второй операционный усилитель;

V₁ - первый полевой транзистор;

V₂ - второй полевой транзистор;

RС-цепь Вина, содержащая резистор R₁ и R₂ и конденсаторы C₁ и С₂;

R₃, R₅, R₆ - переменные резисторы;

С₃ и С₄ - переходные емкости;

R₄, R₇ - постоянные резисторы;

R_ф - резистор;

С_ф - конденсатор;

U_отс - напряжение отсечки тока транзистора;

U₁ - входное напряжение первого операционного усилителя;

U_вых - выходное напряжение первого операционного усилителя и генератора хаотических колебаний в целом;

U' - выходное напряжение второго операционного усилителя;

U" - выходное напряжение нелинейного инерционного преобразователя.

Генератор хаотических колебаний с инерционной нелинейностью содержит первый операционный усилитель А₁, цепь отрицательной обратной связи которого содержит переменный резистор R₃ и первый полевой транзистор V₁, вход которого соединен с выходом первого операционного усилителя А₁ с помощью RC-цепи Вина и с входом второго операционного усилителя А₂, выход которого соединен с входом инерционной цепи, содержащей второй полевой транзистор V₂ и фильтр нижних частот, содержащий резистор R_ф и конденсатор С_ф, а выход инерционной цепи соединен с входом первого полевого транзистора V₁.

Генератор хаотических колебаний с инерционной нелинейностью функционирует следующим образом. При подключении RC-цепи Вина ко входу и выходу первого операционного усилителя А₁ и установке коэффициента усиления, равного 3, в первом операционном усилителе возникают гармонические колебания. Напряжение U₁, усиленное вторым операционным усилителем А₂, поступает на вход второго полевого транзистора V₂, у которого с помощью переменного резистора R₅ напряжение смещения затвора устанавливается равным напряжению отсечки U_отс тока транзистора. При этом ток второго полевого транзистора V₂ отличен от нуля только при положительных значениях напряжения U' и строго пропорционален U'², т.е. I_Cm2=

S₀U'²σ(U')/2, где S₀ - удельная крутизна полевого транзистора, . Проходя через R_фС_ф - звено, ток I_Cm2 создает на нем напряжение U^", причем ток I_Cm2 равен сумме токов, протекающих через R_ф и С_ф. Поэтому

или

Принимая во внимание, что U' пропорционально U₁, и вводя безразмерные переменные z и τ=ω₀t, получим дифференциальное уравнение инерционного преобразователя

где , ,

τ_ф=R_ф·С_ф - постоянная времени фильтра. При S₀R_ф/2U_1max=1 имеем g'=g и уравнение становится каноническим.

Напряжение U" с выхода инерционного преобразователя поступает на затвор первого полевого транзистора V₁, сопротивление которого между истоком и стоком при отрицательном (запирающем) напряжении на затворе удовлетворяет формуле

,

где R_min - минимальное сопротивление канала при U_ЗИ=0 (R_min=200÷1000 Ом), U_ЗИ - модуль отрицательного напряжения затвора относительно истока, U_отc - напряжение отсечки тока транзистора. Если на затворе V₁ задано напряжение U_ЗИ=U_отс/2+U" и U"<<U_отс, то сопротивление R_V1 транзистора V₁ имеет вид

,

а коэффициент усиления К усилителя А₁

изменяется пропорционально управляющему сигналу U". Необходимая величина U" устанавливается вторым операционным усилителем А₂ с помощью переменного резистора R₆ и при определенных значениях переменных резисторов R₃, R₆ и конденсатора С_ф в генераторе устанавливаются хаотические колебания, параметры которых можно регулировать, изменяя независимо друг от друга R₃, R₆ и С_ф. Таким образом, в предлагаемом устройстве создаются условия для более точной реализации линейности динамической характеристики усилителя и квадратичного закона в инерционном преобразователе, а изменение величин резисторов R₃, R₆ и конденсатора С_ф позволяет независимо друг от друга регулировать параметры генерируемых хаотических колебаний.

Пример конкретного исполнения генератора хаотических колебаний с инерционной нелинейностью. В генераторе использовалась микросхема сдвоенного операционного усилителя К140УД20А и два полевых транзистора типа 2П302Б. Резисторы R₁ и R₂ имели величину 1 кОм, конденсаторы С₁ и С₂ - емкость 10 нФ. Переменные резисторы R₃ R₅ и R₆ типа СП5-14, R₃=R₆=100 кОм, R₅=10 кОм. Резистор R_ф=1 кОм, конденсатор С_ф представляет магазин емкостей 5 до 50 нФ.

Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний. Достигаемый технический результат - повышение точности генерирования хаотических автоколебаний с заданной структурой, упрощение конструкции и обеспечения энергопотребления генератора. Генератор хаотических колебаний с инерционной нелинейностью содержит операционный усилитель, цепь отрицательной обратной связи которого содержит переменный резистор и первый полевой транзистор, вход которого соединен с выходом операционного усилителя с помощью RC-цепи Вина и с входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного инерционного преобразователя, а выход нелинейного инерционного преобразователя соединен с входом полевого транзистора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор хаотических колебаний с инерционной нелинейностью,
характеризующийся тем, что он содержит операционный усилитель, цепь отрицательной обратной связи которого содержит переменный резистор и первый полевой транзистор, вход которого соединен с выходом операционного усилителя с помощью RC-цепи Вина и с входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного инерционного преобразователя, а выход нелинейного инерционного преобразователя соединен с входом полевого транзистора.

2. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что нелинейный инерционный преобразователь выполнен в виде второго полевого транзистора с фильтром нижних частот в качестве нагрузки.

3. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что для питания генератора выбран единственный стандартный источник напряжения.