ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ С ИНЕРЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ
GENERATOR OF RANDOM OSCILLATIONS WITH INERTIAL NONLINEARITY

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.
y
ф
ф
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является генератор хаотических колебаний, содержащий неинвертирующий усилитель с регулируемым с помощью резистора R 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 и конденсатора С, выход которой соединен со вторым входом усилителя. Изменение величин резистора
у
ф
R и конденсатора С 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
1
A - первый операционный усилитель;
2
А - второй операционный усилитель;
1
V - первый полевой транзистор;
2
V - второй полевой транзистор;
1
2
1
2
RС-цепь Вина, содержащая резистор R и R и конденсаторы C и С;
3
5
6
R, R, R - переменные резисторы;
3
4
С и С - переходные емкости;
4
7
R, R - постоянные резисторы;
ф
R - резистор;
ф
С - конденсатор;
отс
U - напряжение отсечки тока транзистора;
1
U - входное напряжение первого операционного усилителя;
вых
U - выходное напряжение первого операционного усилителя и генератора хаотических колебаний в целом;
U' - выходное напряжение второго операционного усилителя;
U" - выходное напряжение нелинейного инерционного преобразователя.
1
3
1
1
2
2
ф
ф
1
Генератор хаотических колебаний с инерционной нелинейностью содержит первый операционный усилитель А, цепь отрицательной обратной связи которого содержит переменный резистор R и первый полевой транзистор V, вход которого соединен с выходом первого операционного усилителя А с помощью RC-цепи Вина и с входом второго операционного усилителя А, выход которого соединен с входом инерционной цепи, содержащей второй полевой транзистор V и фильтр нижних частот, содержащий резистор R и конденсатор С, а выход инерционной цепи соединен с входом первого полевого транзистора V.
1
1
2
2
5
отс
2
Cm2
2
Генератор хаотических колебаний с инерционной нелинейностью функционирует следующим образом. При подключении RC-цепи Вина ко входу и выходу первого операционного усилителя А и установке коэффициента усиления, равного 3, в первом операционном усилителе возникают гармонические колебания. Напряжение U, усиленное вторым операционным усилителем А, поступает на вход второго полевого транзистора V, у которого с помощью переменного резистора R напряжение смещения затвора устанавливается равным напряжению отсечки U тока транзистора. При этом ток второго полевого транзистора V отличен от нуля только при положительных значениях напряжения U' и строго пропорционален U', т.е. I=
0
0
ф
ф
Cm2
Cm2
ф
ф
2
"
SU'σ(U')/2, где S - удельная крутизна полевого транзистора, . Проходя через RС - звено, ток I создает на нем напряжение U, причем ток I равен сумме токов, протекающих через R и С. Поэтому
или
1
0
Принимая во внимание, что U' пропорционально U, и вводя безразмерные переменные z и τ=ωt, получим дифференциальное уравнение инерционного преобразователя
где , ,
ф
ф
ф
0
ф
1max
τ=R·С - постоянная времени фильтра. При SR/2U=1 имеем g'=g и уравнение становится каноническим.
1
Напряжение U" с выхода инерционного преобразователя поступает на затвор первого полевого транзистора V, сопротивление которого между истоком и стоком при отрицательном (запирающем) напряжении на затворе удовлетворяет формуле
,
min
ЗИ
min
ЗИ
отc
1
ЗИ
отс
отс
V1
1
где R - минимальное сопротивление канала при U=0 (R=200÷1000 Ом), U - модуль отрицательного напряжения затвора относительно истока, U - напряжение отсечки тока транзистора. Если на затворе V задано напряжение U=U/2+U" и U"<<U, то сопротивление R транзистора V имеет вид
,
1
а коэффициент усиления К усилителя А
2
6
3
6
ф
3
6
ф
3
6
ф
изменяется пропорционально управляющему сигналу U". Необходимая величина U" устанавливается вторым операционным усилителем А с помощью переменного резистора R и при определенных значениях переменных резисторов R, R и конденсатора С в генераторе устанавливаются хаотические колебания, параметры которых можно регулировать, изменяя независимо друг от друга R, R и С. 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 R, R и конденсатора С позволяет независимо друг от друга регулировать параметры генерируемых хаотических колебаний.
1
2
1
2
3
5
6
3
6
5
ф
ф
Пример конкретного исполнения генератора хаотических колебаний с инерционной нелинейностью. В генераторе использовалась микросхема сдвоенного операционного усилителя К140УД20А и два полевых транзистора типа 2П302Б. Резисторы R и R имели величину 1 кОм, конденсаторы С и С - емкость 10 нФ. Переменные резисторы R R и R типа СП5-14, R=R=100 кОм, R=10 кОм. Резистор R=1 кОм, конденсатор С представляет магазин емкостей 5 до 50 нФ.