电工电子综合实验论文

             课题名称：混沌电路

             姓名：庄加兴

             院系：自动化

             班级：9131102002

             学号：913110200234

             

非线性电阻电路的应用——混沌电路

庄加兴

（南京理工大学  自动化学院  南京  210094）

摘要：应用运算放大器及电阻等元件设计出非线性电阻，对其伏安特性曲线进行测量和观察，并以此为基础研究蔡氏混沌电路，本文利用Multisim仿真软件着重对实验中的混沌电路进行了仿真，仔细记录了仿真下来的各个波形。同时，也利用该软件，通过搭建电路，用示波器获得了有源非线性负阻的伏安特性曲线，验证了通过实验数据获得的图像。最后对此现象进行原理上的尝试性解释说明。

关键词：非线性电阻   伏安特性曲线   混沌电路   敏感参数   混沌现象

1.引言

控制和利用混沌是当前自然科学基础研究的热门课题之一。自然界中，诸如物理、化学、生物学、地学……以及技术科学学、社会科学等各种科学领域中已经发现了混沌现象的存在，有人认为这是续相对论、量子论之后的又一重大科学发现。它揭示了自然界及人类社会中普遍存在的复杂性、有序性和无序的统一，大大拓宽了人们的视野，加深了人们对客观世界的认识。目前混沌控制与同步的研究成果已被用来解决秘密通信、改善和提高激光器性能以及控制人类心律不齐等问题。在混沌应用研究中,混沌保密通信研究得最多,竞争也最为激烈,它已经成为保密通信的一个新的发展方向。蔡氏电路是美国贝克莱大学的蔡少棠教授设计的能产生混沌行为的最简的一种自治电路。首先，何为混沌？顾名思义，混沌是指确定的非线性动力学系统中出现的貌似无规则的类随机现象。其次，混沌理论作为一个科学理论,具有以下三个核心概念: 对初始条件的敏感性、分形、奇异吸引子。蔡氏电路是目前众多混沌电路中最具代表性的一种,其典型的电路结构已成为理论和实验研究混沌的一个范例。在蔡氏电路及蔡氏振荡器的分析及实验研究中，为电路建立一个精确的试验模型，从而观察混沌现象并定量的分析它，这一点十分重要。而其中非线性电阻电路的实现是这一环节是一个关键。因此，要想实现对混沌电路的研究，首先就要设计出符合要求的非线性电阻电路，这是最基础的也是最关键的一步。本文也通过Multisim仿真软件对设计出来的非线性电阻以及混沌电路进行了观察和验证，其中非线性电阻采用两个运算放大器和六个电阻来实现，而使用示波器对混沌现象进行观察。

2.实验原理

本实验采用的电路图如图1所示，即蔡氏电路。蔡氏电路是由美国贝克莱大学的蔡少棠教授设计的能产生混沌行为的最简单的一种自制电路。R是非线性电阻元件，这是该电路中唯一的非线性元件，是一个有源负阻元件。电容C2与电感L组成一个损耗很小的振荡回路。可变电阻1/G和电容C1构成移相电路。最简单的非线性元件R可以看作由三个分段线性的元件组成。由于加在此元件上的电压增加时，电流非线性变化，故称为非线性负阻元件（如图2）。

上述电路满足如下所示的方程组：

 

式中，G代表可变电阻的导纳， 、 分别表示加在电容上C_1，C₂上的电压，表示流过L的电流u，g=1/R表示非线性电阻R的导纳。若R为线性电阻，G为常数，把C₁和C₂两端的电压分别输入到示波器的x,y轴，示波器显示的图形为椭圆形；若R为非线性负电阻，把C₁ 和C₂两端的电压分别输入到示波器的x,y轴，调节G值就会观察到不同的混沌现象。混沌现象如下图所示。

                              图3 混沌现象

3.实验材料与电路设计

3.1设计要求

利用非线性负电阻电路，设计如图所示的非线性伏安特性曲线。在书本图9-17中，横坐标为电压，小于正负18V，纵坐标为电流，小于正负18mA。

（1）用列表法测量并作出该伏安特性曲线。

（2）试使用示波器观察该伏安特性曲线。

3.2设计参数

查找资料，以上述伏安特性曲线为基础，设计混沌电路。

（1）试使用示波器观察该混沌电路的混沌现象。

（2）改变混沌电路的敏感参数，观察记录混沌现象。

（3）总结混沌电路的研究工作。

3.3设计步骤

首先要设计非线性电阻电路，通过查询网上的相关资料，我对非线性电阻部分进行如下图所示设计，即采用两个运算放大器，加上六个配置电阻，电阻相关参数如下：R1=3.3kΩ，R2=22kΩ,R3=22kΩ,R4=2.2kΩ，R5=220Ω,R6=220Ω，V1=15V,V2=15V。非线性电阻电路图如下所示：

图4 非线性部分电路图

设计好非线性部分后，对其进行伏安特性曲线的测量，得出其伏安特性曲线。再将其作为非线性部分连入蔡氏电路形成混沌电路，通过不断改变可调电阻R7的大小，观察混沌现象。除了非线性部分外的其他器件参数如下：R7为可调电阻，电容C1=100nF，C2=10nF，电感L=17mH，另外加Xscl示波器一个用以观察混沌现象。组合完整电路图5所示：

图5 混沌电路

4.实验过程及结果

  4.1非线性电阻电路伏安特性曲线的测量

   将图4左端接入电源V3或示波器，分别用列表法和示波器观察法作出其伏安特性曲线。

   4.1.1 列表法绘制伏安特性曲线

上表通过不断改变V3的值而得到，用excel作出其折线图如下：

4.1.2用示波器观察伏安特性曲线

将非线性电阻部分与示波器相连可得如下伏安特性曲线：

4.2混沌现象的观察

   电路图如图5所示，混沌电路中连入示波器即可，不断该表可调电阻R7的阻值来得到一系列的混沌现象。

（1）R₇=2.5K时，1倍周期：

（2）R7=2.3K时，2倍周期：

（3）R7=2K时，单吸引子：

（4）R­7=1.8K时，奇异吸引子

（5）R7=1.75时，双吸引子

（6）R₇=1.5时，双吸引子

（7）R=1.3K时

4.3结果讨论

由图可知，随着R7从3K～1K 逐步减小，整个过程出现了所谓的阵发混沌,单吸引子，双吸引子，当R7减到1.5kΩ以下后又产生了另一种与混沌无关的状态，称为单叶周期。由此可见，混沌电路的状态极其不稳定，但却也能体现出她的非周期有序性，必定是满足某种统计规律的。

5.结论

   首先，非线性电阻部分是混沌电路的关键，然而它的设计有很多种，并不局限于六个配置电阻和两个运放的组合，还有其他的方法。其次，关于混沌现象，正如上面讨论的一样，

其状态极其不稳定，但却也能体现出它的非周期有序性，追究到原理的部分，便可发现它的变化是有规律可循的。我也在网上查阅到相关的解释，但由于大部分内容是超纲的，这里也就不做过多的阐述了。最后一点是关于Multisim这个软件，事实上这个软件的仿真能力以及实验结果准确性方面给我留下了很深刻的印象，我觉得在以后相关学科的学习中也会用到它，作为一个工科学生这类软件应该好好掌握并且多多运用才行。

6.致谢

感谢实验过程中老师和同学们的帮助，包括从软件的下载到运用，他们都教会了我很多，也包括混沌电路这个实验的具体研究步骤，相关参数的给定等等，虽然几经波折，中间遇到过很多困难以至于差点想换课题，但最后还是坚持了下来，非常感谢！

7.参考文献

【1】   马鑫金. 电工仪表与电路实验技术，南京：机械工业出版社，2006.

【2】   杨晓松.混沌系统与混沌电路，北京：科学出版社，2007.

【3】   百度百科

 

第二篇：电工电子实习报告

山　东　轻　工　业　学　院

电工电子实习报告

院系名称       机械学院        

姓名学号   王春富 201001052081 

专业班级      机专10级2班    

指导教师        王士军         

二○##年三月十九日

                   实习情况一览表

电工电子实习报告

一、实习目的

1、安全用电常识    

  掌握安全用电常识，预防触电的知识以及触电时的应急措施。懂得安全用、谨慎用电。 机电不分家，作为一位机械学生懂得用电和掌握一定的电学知识是十分有必要的。

2、锡焊技能训练

  熟练掌握焊接相关知识，并且能掌握焊接技巧，能够做到同组两人在相互配合下完成一个器件的拆卸与装配，并测试。掌握焊接过程中的注意事项，尤其是电烙铁的使用。

3、配电盘的安装

  掌握家用电表的工作原理以及正确使用方法，记住其工作电路，能够做到同组两人在相互配合下完成简单的配电表的安装，并测试。

二、实习内容

1、安全用电 

  由老师讲解有关安全用电的相关知识，预防触电的知识以及触电时的应急措施。必须认识到安全用电的重要性。安全用电知识是关于如何预防用电事故及保障人身、设备安全的知识。在电子装焊调试中，要使用各种工具、电子仪器等设备，同时还要接触危险的高电压，如果不掌握必要的安全知识，操作中缺乏足够的警惕，就可能发生人身、设备事故。所以必须在了解触电对人体的危害和造成触电原因的基础上，掌握一些安全用电知识，做到防患未然。

   触电及相关防护策施。1.触电的种类：（1）电伤，电伤通常有灼伤、电烙伤、皮肤金属化三种。电伤对人体造成的危害一般是非致命的。（2）电击，是指电流流过人体，严重影响人体呼吸、心脏和神经系统，造成肌肉痉挛、神经紊乱，导致呼吸停止，严重危害生命的触电事故。触电死亡大部分是电击造成的。决定电击强度的是流经人体的电流，而非电压。2.影响触电造成人体伤害程度的因素：电流的大小、电流种类、电流作用时间、电流途径、人体电阻。人体电阻会随着人体皮肤的干燥程度和人的年龄而变化。干燥时可呈现100 000欧姆以上，二潮湿时，电阻可降到1000欧姆以下，并且随着人的年龄的增加而变大。3.触电原因：直接触电、间接触电、静电触电、跨步电压引起的触电。4.防止触电的技术措施：（1）保护接地和保护接零（2）触电保护装置

还有一点比较重要就是若真的看到别人发生触电，该采取些什么样的措施。先保证把电源断开或用绝缘体把电线从触电者身上移开，若触电者呼吸停止但有心跳，应对其进行人工呼吸或胸外心脏挤压。

2、锡焊技能训练

 (1) 锡焊的基本概念:锡焊是利用低熔点的金属焊料加热熔化后，渗入并充填金属件连接处间隙的焊接方法。因焊料常为锡基合金，故名。常用烙铁作加热工具。广泛用于电子工业中。作为一种操作技术，手工锡焊主要是通过实际训练才能掌握，但是遵循基本的原则，学习前人积累的经验，运用正确的方法，可以事半功倍地掌握操作技术。

（2）焊接工具：电烙铁、锡条。

（3）焊接训练：

A、五步焊接法及焊点检验知识：

焊件表面处理 　　手工烙铁焊接中遇到的焊件是各种各样的电子零件和导线，除非在规模生产条件下使用“保险期”内的电子元件，一般情况下遇到的焊件往往都需要进行表面清理工作，去除焊接面上的锈迹，油污，灰尘等影响焊接质量的杂质。手工操作中常用机械刮磨和酒精，丙酮擦洗等简单易行的方法。

预焊 　　预焊就是将要锡焊的元器件引线或导电的焊接部位预先用焊锡润湿，一般也称为镀锡，上锡，搪锡等。称预焊是准确的，因为其过程合机理都是锡焊的全过程——焊料润湿焊件表面，靠金属的扩散形成结合层后而使焊件表面“镀”上一层焊锡。

保持烙铁头的清洁 　　因为焊接时烙铁头长期处于高温状态，又接触焊剂等受热分解的物质，其表面很容易氧化而形成一层黑色杂质，这些杂质几乎形成隔热层，使烙铁头失去加热作用。因此要随时在烙铁架上蹭去杂质。用一块湿布或湿海绵随时擦烙铁头，也是常用的方法。

焊件要牢固 　　在焊锡凝固之前不要使焊件移动或振动，特别使用镊子夹住焊件时一定要等焊锡凝固再移去镊子。这是因为焊锡凝固过程是结晶过程，根据结晶理论，在结晶期间受到外力（焊件移动）会改变结晶条件，导致晶体粗大，造成所谓“冷焊”。外观现象是表面无光泽呈豆渣状；焊点内部结构疏松，容易有气隙和裂隙，造成焊点强度降低，导电性能差。因此，在焊锡凝固前一定要保持焊件静止，实际操作时可以用各种适宜的方法将焊件固定，或使用可靠的夹持措施。

烙铁撤离有讲究 　　烙铁处理要及时，而且撤离时的角度和方向对焊点形成有一定关系。撤烙铁时轻轻旋转一下，可保持焊点适当的焊料，这需要在实际操作中体会。

焊点要有足够的机械强度，保证被焊件在受振动或冲击时不致脱落、松动。不能用过多焊料堆积，这样容易造成虚焊、焊点与焊点的短路。焊接可靠，具有良好导电性，必须防止虚焊。虚焊是指焊料与被焊件表面没有形成合金结构。只是简单地依附在被焊金属表面上。焊点表面要光滑、清洁，焊点表面应有良好光泽，不应有毛刺、空隙，无污垢，尤其是焊剂的有害残留物质，要选择合适的焊料与焊剂。

B、元器件常识（电阻色码识别、电子器件的测试等）及通孔焊接训练

电阻器的检测与识别、电容器的检测与识别、 电感器和变压器的检测与识别、半导体二极管的检测与识别、  开关与接插件的检测与识别。

C、±5v直流稳压电源的拆装及调试，附电子版原理图。

3、配电盘的安装

A、配电盘的作用

    配电盘一般由柜体、开关、保护装置、监视装置、电能计量表，以及其他二次元器件组成。安装在发电站﹑变电站以及用电量较大的电力客户处。 便于管理，当发生电路故障时有利于检修。方便停、送电，起到计量和判断停、送电的作用。 配电盘是将所有电气元器件装在一个平面上,大一点的叫配电屏,配电箱是将配电盘装在了箱壳内;是使用在供电或配电的中间环节,按其控制的设备不同,可分为照明配电盘和动力配电盘.安装在发电站、变电站以及用电量较大的电力用户中,上面装着各种控制开关、监视仪表及保护装置.

B、电度表、漏电保护器等主要器件的结构原理及作用简介。

　电度表的基本结构主要包括测量机构和辅助部件。测量机构是电能测量的核心部分，由驱动元件、转动元件、制动元件、轴承、计度器和调整装置组成。驱动元件由电压元件和电流元件组成，用来将交变的电压和电流转变为交变磁通，切割转盘形成驱动力矩，使转盘转动。制动力矩由磁钢形成，磁钢产生磁通，被转动着的转盘切割转盘中的感应电流，相互作用形成制动力矩从而阻止转盘加速转动。电度表是利用电压和电流线圈在铝盘上产生的涡流与交变磁通相互作用产生电磁力，使铝盘转动，同时引入制动力矩，使铝盘转速与负载功率成正比，通过轴向齿轮传动，由计度器积算出转盘转数而测定出电能。故电度表主要结构是由电压线圈、电流线圈、转盘、转轴、制动磁铁、齿轮、计度器等组成。

　漏电保护器主要由三部分组成：检测元件、中间放大环节、操作执行机构。漏电保护器工作原理，正常工作时电路中除了工作电流外没有漏电流通过漏电保护器，此时流过零序互感器的电流大小相等，方向相反，总和为零，互感器铁芯中感应磁通也等于零，二次绕组无输出，自动开关保持在接通状态，漏电保护器处于正常运行。当被保护电器与线路发生漏电或有人触电时，就有一个接地故障电流，使流过检测互感器内电流量和不为零，互感器铁芯中感应出现磁通，其二次绕组有感应电流产生，经放大后输出，使漏电脱扣器动作推动自动开关跳闸达到漏电保护的目的。

C、配电盘的安装、测试过程简介，附电子版安装图。

电度表有四个接头，要保证1、3进，2、4出，不能弄错。这是配电表安装的重点。其他的用电器和电路保护装置按照电路图依次连入电路中即可。测试时，将配电盘接入220V电压中，注意将表盘正方，观察通电后电表的转动情况，分析用电器用电情况与电表转动的相符情况。

三、实习总结 

通过这次实习，让我懂得了正确用电的重要性，了解了平时家用电尝识，家用电表的拆卸装配，还有锡焊技术的相关知识，可以说很有收获。为今后的专业实验、毕业设计准备必要的工艺知识和操作技能，同时培养了自己的严谨工作作风和良好的工作习惯，既是基本技能和工艺知识的入门向导，又是创新实践的开始和创新精神的启蒙。在电工方面我们掌握了常用的电工工具，如钢丝钳、尖嘴钳、螺丝刀、万用表、电烙铁等使用方法及注意事项。在电子方面，熟悉了常用电子器件类别，如电容、电阻、二极管等型号、规格、性能、使用范围及基本测试方法。

1、对电子工艺的理论有了初步的系统了解。我们了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、印制电路板图的设计制作与工艺流程、收音机的工作原理与组成元件的作用等。这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义。
　2、对自己的动手能力是个很大的锻炼。实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。在实习中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。比如做收音机组装与调试时，好几个焊盘的间距特别小，稍不留神，就焊在一起了，但是我还是完成了任务。

3.这次实习，使我更深刻地了解到了实践的重要性”，通过实习他们更加体会到了“学以致用”这句话的道理，终于体会到“实习前的自大，实习时的迷惘，实习后的感思”这句话的含义了，有感思就有收获，有感思就有提高。