Генератор хаотических колебаний

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний. Генератор хаотических колебаний содержит устройство с отрицательным сопротивлением, состоящее из четырех транзисторов, двух источников тока и одного резистора, две катушки индуктивности, конденсатор и нелинейный элемент, состоящий из четырех транзисторов, четырех резисторов и источника тока. Достигаемый технический результат - возбуждение хаотических колебаний в двухполюсной резонансной системе с последовательным резонансом, а также расширение интервала рабочих температур. 2 ил.

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

Известен генератор хаотических колебаний (А.Р.Волковский. Хаотический релаксационный генератор. Изв. вузов "Прикладная нелинейная динамика", 1994, Т.2, N 2, С.50), представляющий собой блокинг-генератор, в коллекторную цепь транзистора которого включен дополнительный конденсатор.

Также известен генератор хаотических колебаний (А.С.Пиковский, М.И.Рабинович. Простой автогенератор со стохастическим поведением. Доклады Академии Наук СССР, 1978, Т.239, N 2, С.302), содержащий туннельный диод, анод которого соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, второй вывод которого соединен с катодом туннельного диода, причем параллельно туннельному диоду и устройству с отрицательным сопротивлением подключены соответственно первый и второй конденсаторы.

Однако колебательная система этих генераторов должна иметь более двух отводов для соединения с остальными элементами схемы. Это не позволяет использовать данные генераторы для возбуждения хаотических колебаний в колебательных системах, имеющих только одну пару внешних выводов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является генератор хаотических колебаний (N. Inaba, T.Saito and S.Mori. Chaotic Phenomena in a circuit with a negative resistance and ideal switch of diodes//The transactions of the IECE, Vol.E70, N 8, August 1987, Fig.1), содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом нелинейного элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора и вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением.

Недостатком этого генератора хаотических колебаний является то, что его построение основано на использовании параллельного резонансного контура, что не позволяет применить данную схему для возбуждения хаотических колебаний в резонансных системах с последовательным резонансом, например, в последовательном LC-контуре. Другим недостатком данного генератора является зависимость условий возбуждения хаотических колебаний от температуры. Эта зависимость, обусловленная повышенной температурной нестабильностью вольт- амперной характеристики нелинейного элемента, ограничивает интервал рабочих температур генератора хаотических колебаний.

Целью изобретения является возбуждение хаотических колебаний в двухполюсной резонансной системе с последовательным резонансом, а также расширение интервала рабочих температур генератора хаотических колебаний.

Цель изобретения достигается тем, что в генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом нелинейного элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора и вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, введена вторая катушка индуктивности, первый и второй выводы которой соединены соответственно с первым выводом нелинейного элемента и вторым выводом конденсатора, причем устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока и базой и коллектором четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора и базой первого транзистора, нелинейный элемент содержит пятый транзистор, коллектор которого соединен с базой шестого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором шестого транзистора и базой пятого транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом нелинейного элемента и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом нелинейного элемента и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером шестого транзистора.

Заявляемый генератор хаотических колебаний поясняется фиг. 1, на которой приведена его схема электрическая принципиальная, и фиг. 2, на которой показано распределение токов и напряжений в схеме генератора при его работе.

Генератор хаотических колебаний содержит устройство с отрицательным сопротивлением 1, нелинейный элемент 2, конденсатор 3, первую 4 и вторую 5 катушки индуктивности, причем устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 транзисторы, первый резистор 10, первый 11 и второй 12 источники тока, нелинейный элемент содержит пятый 13, шестой 14, седьмой 15 и восьмой 16 транзисторы, второй 17, третий 18, четвертый 19 и пятый 20 резисторы и третий источник тока 21.

Запишем уравнения, описывающие динамику данного генератора (см. фиг. 2): U_L1 = Ri_L1 + U_НЭ(i); U_L2 = -U_C - U_НЭ(i); i = i_L2 - i_L1; (1) где R - модуль эквивалентного сопротивления устройства с отрицательным сопротивлением 1; С - емкость конденсатора 3; ₁ и L₂ - индуктивности первой 4 и второй 5 катушек индуктивности соответственно; i_L1, i_L2 - переменные токи, протекающие соответственно в первой 4 и второй 5 катушках индуктивности; U_C - переменное напряжение на конденсаторе 3; U_НЭ(i) - динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного элемента 2.

Разрешив уравнения (1) относительно получим следующую систему дифференциальных уравнений: (2) Вводя нормированные переменные Y = i_L2/I₀, Z = i_L1/I₀ (где I₀ - величина граничного тока между средним и боковыми участками вольт-амперной характеристики нелинейного элемента) и безразмерное время приведем систему (2) к стандартному виду: (3) где f(y-z) = U_НЭ(i)/RI₀.

Полученная система уравнений идентична стандартной системе уравнений, описывающей динамику прототипа, так как исходные уравнения, описывающие прототип:

приводятся к виду (2) подстановкой:
Y = U₁/U; Z = U₂/U;
B = A•C/C₀; f(y-z) = i_d(u)/qU,
где u = u₁ - u₂;

динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного элемента в прототипе; U - граничное напряжение между средним и боковыми участками вольт-амперной характеристики, следовательно:

где
Ввиду идентичности нормированных уравнений, описывающих динамику прототипа и заявленного генератора, хаотические колебания в последнем наблюдаются при тех же значениях коэффициентов А, В, λ и δ, что и в прототипе. Поэтому хаотические колебания в заявленном генераторе будут наблюдаться, если:
L₁ = CR²/AB; L₂ = CR²/A², а вольт-амперная характеристика нелинейного элемента соответствует следующему уравнению:

где r₁ = Rλ и r₂ = Rδ - дифференциальные сопротивления среднего и боковых участков вольт-амперной характеристики нелинейного элемента соответственно.

Если в схеме заявленного генератора все транзисторы идентичны, а их базовые токи пренебрежимо малы по сравнению с коллекторными токами, то:
R ≈ R₁; r₂ ≈ 2R₃; I₀ ≈ I₂/2,
где R₁ - сопротивление первого резистора; R₂ - сопротивление второго и пятого резисторов; R₃ - сопротивление третьего и четвертого резисторов; I₂ - выходной ток третьего источника тока.

При этом рабочие участки вольт-амперных характеристик устройства с отрицательным сопротивлением и нелинейного элемента равны соответственно: I₁ и I₁ + I₀, где I₁ - выходной ток первого и второго источников тока. Поэтому ток I₁ должен удовлетворять условию I₁ >> I₀.

Хаотические колебания в прототипе наблюдаются, в частности, при λ ≪ 1; δ ≫ 1; A = 0,2...0,35; B = 0,6...0,7. Следовательно? значения элементов схемы заявленного генератора можно выбирать, исходя из следующих соотношений: R₁ ≈ R;




I₂ ≈ 2I₀. Если взять R = 500 Ом; C = 10 нФ; I₀ = 50 мкА, то хаотические колебания в заявленном генераторе можно наблюдать, например, при R₁ ≈ 500 Ом; R₂ ≈ 25 Ом; R₃ ≈ 2,5 кОм; L1 ≈ 14 мГн; L2 ≈ 30 мГн; I₂ ≈ 100 мкА; I₁ ≈ 2 мA.

При идентичности транзисторов в схеме заявленного генератора и малости их базовых токов по сравнению с коллекторными эмиттерные сопротивления первого и третьего, второго и четвертого, пятого и седьмого, шестого и восьмого транзисторов взаимно компенсируются. В результате эквивалентное сопротивление устройства с отрицательным сопротивлением и вольт-амперная характеристика нелинейного элемента практически не зависят от параметров транзисторов, что обусловливает расширение интервала рабочих температур заявленного генератора хаотических колебаний по сравнению с аналогами и прототипом.

Таким образом, предложенный генератор обеспечивает возбуждение хаотических колебаний в последовательном колебательном контуре (образованном второй катушкой индуктивности и конденсатором), который соединен с остальными элементами схемы только двумя отводами, а также имеет расширенный по сравнению с аналогами и прототипом интервал рабочих температур.

Формула изобретения

Генератор хаотических колебаний, содержащий устройство с отрицательным сопротивлением, первый вывод которого соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первым выводом нелинейного элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора и вторым выводом устройства с отрицательным сопротивлением, отличающийся тем, что в него введена вторая катушка индуктивности, первый и второй выводы которой соединены соответственно с первым выводом нелинейного элемента и вторым выводом конденсатора, причем устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока и базой и коллектором четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора и базой первого транзистора, нелинейный элемент содержит пятый транзистор, коллектор которого соединен с базой шестого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором шестого транзистора и базой пятого транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом нелинейного элемента и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом нелинейного элемента и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером шестого транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2