12.非线性电路混沌

合集下载

非线性电阻电路-混沌电路

2．实验目的
2.1）了解混沌现象的一些基本概念：混沌的定义，特征等。
2.2）对设计电路进行调试，在示波器上观察相图中的倍周期分岔及混沌，奇怪吸引子等。
2.3）测量有源非线性电阻的伏安特性。
3．实验原理
3.1非线性电路与非线性动力学
实验电路如图1所示。电路中的电感L和电容C1，C2并联构成一个振荡电路。R是一有源非线性负阻元件，电感L和电容器C2组成一损耗可以忽略的谐振回路;可变电阻R和电容C1串联将振荡器产生的正弦信号移相输出。
当R为非线性电阻，由于加在此元件上的电压增加时，通过它的电流却减小，因而此元件称为非线性负阻元件。
3.2有源非线性负阻元件的实现
有源非线性负阻元件R实现的放大有好多，本文采用两个运算放大器（一个双运放TL072）和6个配置的电阻来来实现比较简单的电路。电路图如图2，它的伏安特性如图3。
3.3非线性负阻元件R配置的电路实验
本实验所要研究的是非线性元件R对整个电路的影响，而非线性负阻元件的作用是使振动周期产生分岔和混沌。实际试验电路如图4.
4.实验过程及其结果
4.1有源非线性电阻伏安特性的测量
将元件安图5所示构成的电路图。可变电阻由99999.9Ω起由大到小调节，记录所调解的电阻值数字电压表以及电流表上对应的读书，填入表2中。由电压，电流关系在坐标轴上描点作出有源非线性电路的非线性负阻特性曲线。
记录单吸引子的相图相应的CH1，CH2输出波形图。
项目
相图
CH1波形
CH2波形
单吸引子
双吸引子
（贴Multisim仿真的混沌结果图）
5.结论
从上面试验结果可知，混沌现象表现了非周期有序性，看起来似乎是无序状态，但呈现一定的统计规律。
1）谱分析：R0很小时，系统只有一个稳定的状态，随着R0的变化系统由一个稳定状态变成在两个稳定状态之间跳跃，即由一周期的变化为二周期的。进而当R0继续变化（增大）两个稳定状态分裂为四个稳定状态（四周期），八个稳定状态（八周期）……….直到分裂进入无穷周期，即为连续频谱，接着进入混沌，系统的状态无法确定，分岔是进入混沌的途径。

非线性电路中的混沌现象_电子版实验报告范文

1．计算电感L本实验采用相位测量。

根据RLC 谐振规律，当输入激励的频率LCf π21=时，RLC 串联电路将达到谐振，L 和C 的电压反相，在示波器上显示的是一条过二四象限的45度斜线。

测量得：f=30.8kHz ；实验仪器标示：C=1.145nF 由此可得：mHC f L 32.23)108.30(10145.114.34141239222=⨯⨯⨯⨯⨯==-π估算不确定度：估计u(C)=0.005nF ，u(f)=0.1kHz 则：32222108.7)()(4)(-⨯=+=C C u f f u L L u 即mH L u 18.0)(=最终结果：mH L u L )2.03.23()(±=+2．用一元线性回归方法对有源非线性负阻元件的测量数据进行处理：（1）原始数据：99999.9 -11.750 23499.9 -11.550 13199.9 -11.350 -11.150 -10.950 -10.750 -10.550 -10.350-10.150-9.550-9.350-9.150-8.350-8.150上表为实验记录的原始数据表，下表为数据处理时使用Excle计算的数据及结果。

基础物理实验报告第3页基础物理实验报告（2）数据处理：根据RU I RR可以得出流过电阻箱的电流，由回路KCL 方程和KVL 方程可知：RR R R U U I I =-=11由此可得对应的1R I 值。

对非线性负阻R1，将实验测得的每个（I ，U ）实验点均标注在坐标平面上，可得：图中可以发现，（0.00433464，-9.150）和（0.00118629，-1.550）两个实验点是折线的拐点。

故我们在V U 150.9750.11-≤≤-、550V .1U 9.150-≤<-、V 150.1U 1.550-≤<-这三个区间分别使用线性回归的方法来求相应的I-U 曲线。

⎪⎩⎪⎨⎧≤≤+≤≤+-≤≤+= -1.150U 1.550- 0.00000976U 0.00075901- -1.550U 9.150- 240.0.000609U 0.00040784- 9.150U 11.750- 0.02018437U 0.00170003I经计算可得，三段线性回归的相关系数均非常接近1（r=0.99997），证明在区间内I-V 线性符合得较好。

非线性电路混沌实验报告

非线性电路混沌实验报告本实验旨在通过搭建非线性电路，观察其在一定条件下的混沌现象，并对实验结果进行分析和总结。

在此过程中，我们使用了一些基本的电子元件，如电阻、电容和电感等，通过合理的连接和控制参数，成功地观察到了混沌现象的产生。

首先，我们搭建了一个基本的非线性电路，其中包括了电源、电阻、电容和二极管等元件。

通过调节电路中的参数，我们观察到了电压和电流的非线性响应，这表明电路的行为不再遵循简单的线性关系。

接着，我们进一步调整电路参数，尤其是电容和电阻的数值，使电路处于临界状态，这时我们观察到了电路输出信号的混沌波形。

混沌波形表现出了随机性和不可预测性，这与传统的周期性信号有着明显的区别。

在观察混沌波形的过程中，我们发现了一些有趣的现象。

首先，混沌波形的频谱分布呈现出了宽带特性，这说明混沌信号包含了多个频率成分，这也是混沌信号难以预测的重要原因之一。

其次，混沌信号的自相关函数表现出了指数衰减的特性，这表明混沌信号的相关性极低，难以通过传统的方法进行分析和处理。

最后，我们还观察到了混沌信号的分形特性，即信号在不同时间尺度下呈现出相似的结构，这也是混沌信号独特的特征之一。

综合以上实验结果，我们可以得出以下结论，非线性电路在一定条件下会产生混沌现象，混沌信号具有随机性、不可预测性、宽带特性、自相关性低和分形特性等特点。

这些特点使得混沌信号在通信、加密、混沌电路设计等领域具有重要的应用前景。

同时，我们也需要注意到混沌信号的复杂性和不确定性，这对于混沌信号的分析和处理提出了挑战，需要进一步的研究和探索。

总之，本实验通过搭建非线性电路，成功地观察到了混沌现象，并对混沌信号的特性进行了初步的分析和讨论。

通过本次实验，我们对混沌现象有了更深入的理解，也为混沌信号的应用和研究提供了一定的参考和启发。

希望本实验能够对相关领域的研究和工程实践有所帮助。

感谢各位的参与和支持！非线性电路混沌实验小组。

日期，XXXX年XX月XX日。

非线性电路混沌实验

⎪⎩− 0.000761U...................பைடு நூலகம்.......... ............. −1.8 ≤ U ≤ 0.0
经计算可以
得出，三段线性回归相关系数均非常接近 1（r 分别 0.99732,0.99979,0.99992），
2.非线性电路---蔡氏电路与非线性动力学实验电路如图 1 所示,图 1 是非线性电路系统的一种简单而又经典的电路---
蔡氏电路，它只有一个非线性电阻 R，电感器 L 和电容器 C2 组成一个损耗可以忽略的谐振回路，可调电阻 RV 以及电容器和 C1 串联将振荡器产生的正弦信号移相输出。其中非线性电阻 R 是一个三段分线性元件，它的伏安特性曲线如图二，它的电流随电压增高而减小，称之为非线性负阻元件，它是核心元件，是系统产生混沌的必要条件。
一、引言混沌实验研究起源于 1963 年美国气象学家洛伦茨（E.lorenz）研究天气预
报时用到的三个动力学方程，后来他在《确定论非周期流》一文中，给出了描述大气湍流的洛伦茨方程，并提出了著名的“蝴蝶效应”，从而揭开了对非线性科学深入研究的序幕。混沌来自非线性，是非线性系统中存在的一种普遍现象。无论是复杂系统，如气象系统、太阳系、还是简单系统，如钟摆、滴水龙头等，皆因存在着内在随机性而出现类似无轨、但实际是非周期有序运动，即混沌现象。迄今为止，最丰富的混沌现象是非线性震荡电路中观察到的，这是因为电路可以精密元件控制，因此可以通过精确地改变实验条件得到丰富的实验结果，蔡氏电路是华裔科学家蔡少棠设计的能产生混沌的最简单的电路，它是熟悉和理解非线性现象的经典电路。本实验的目的是学习有源非线性负阻元件的工作原理，借助蔡氏电路掌握非线性动力学系统运动的一般规律性，了解混沌同步和控制的基本概念。二、实验原理 1.名词解释

非线性电路混沌现象研究

非线性电路混沌现象研究对混沌现象的研究，是20世纪物理学的重大事件。

相对论和量子力学的兴起，使牛顿力学受到巨大冲击。

而近二十年内进一步发起挑战的是对混沌现象的研究。

混沌理论是当前物理学范围的前沿课题，涉及物理学、数学、生物学、计算机科学、电子学、经济学等领域，范围相当广泛。

混沌理论包含的物理内容非常多，研究这些内容需要比较深入的数学理论如微分动力学理论、拓扑学、分形几何学等。

研究表明，混沌现象与系统的非线性特征紧密相关。

而非线性特征是自然界普遍存在的现象。

例如，在非线性电路中，往往伴随着混沌现象的出现。

本实验通过chua电路，观察电路混沌现象，包括“蝴蝶效应”分岔、收敛吸引子，奇异吸引子等，从而可以直观地了解混沌观察和理论。

[预习提要]1、什么叫“混沌”？什么叫系统的非线性？2、结合chau’s电路理解。

什么叫“蝴蝶效应”？什么叫“分岔”？什么叫“分形”？什么叫“奇异吸引子”？3、本实验中chua’s电路的非线性电阴伏安特性怎样？如何测量？[实验要求]1、理解混沌及相关概念的含义。

2、学会测量有源理想非线性负电阻伏安特性。

3、掌握一种测有芯电感电感量的方法。

[实验目的]1、理解混沌及相关概论的含义。

2、了解有源理想非线性负电阻的伏安特性及测量方法。

[实验器材]非线性电路混沌实验电路板（包括：1、LC振荡器；2、RC移相器电路；3、双动放及6个电阻组成的等效“有源非线性负阻元件”；4、连接导线及同轴电缆线；5、四位半数字电压表。

）双踪示波器。

[实验原理]一、基本概念在混沌学中，混沌一词一般取其混乱和无序的意思。

在英、法、德文中，都写作“chaos”。

混沌一词的科学定义是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动或表现。

一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性，不可重复、不可预测，这就是混沌现象。

研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。

因为是决定性系统内部所因有的，故又称之为“内禀随机性”。

非线性电路混沌实验报告

非线性电路混沌实验报告本次实验旨在探究非线性电路中的混沌现象，并通过实验数据分析和理论推导，对混沌现象进行深入研究和分析。

本文将从实验目的、实验原理、实验装置、实验步骤、实验结果和分析、实验结论等方面进行详细介绍。

实验目的。

1. 了解非线性电路中混沌现象的产生原理；2. 掌握混沌电路的基本工作原理；3. 通过实验数据分析，验证混沌电路的混沌特性。

实验原理。

混沌电路是一种非线性系统，其混沌现象来源于系统的非线性特性和反馈作用。

在非线性电路中，由于电压和电流的非线性关系，使得系统的输出信号呈现出复杂的、不可预测的混沌运动。

混沌电路的混沌特性通常表现为系统的输出信号呈现出周期性、随机性和规律性交织的运动状态。

实验装置。

本次实验所需的主要仪器设备有，信号发生器、示波器、混沌电路实验板、电压表等。

实验步骤。

1. 将混沌电路实验板连接至信号发生器和示波器，并进行电路连接和参数设置；2. 调节信号发生器的频率和幅值，观察示波器上的波形变化；3. 记录实验数据，包括电路参数设置、示波器波形图、混沌电路输出信号的特性等。

实验结果和分析。

通过实验数据的记录和分析，我们观察到混沌电路在不同频率和幅值下的输出信号呈现出复杂的、随机的波形变化。

在一定范围内，混沌电路的输出信号表现出周期性、随机性和规律性交织的混沌特性，这与混沌电路的非线性特性和反馈作用密切相关。

实验结论。

通过本次实验，我们深入了解了非线性电路中的混沌现象及其产生原理。

混沌电路的混沌特性表现为系统的输出信号呈现出周期性、随机性和规律性交织的运动状态，这为非线性系统的混沌现象提供了重要的实验验证和理论分析依据。

结语。

通过本次实验，我们对非线性电路中的混沌现象有了更深入的理解，同时也掌握了混沌电路的基本工作原理和实验方法。

混沌现象的研究不仅有助于深化对非线性系统的理解，还对信息处理、通信系统和混沌密码学等领域具有重要的理论和应用价值。

希望本次实验能为相关领域的研究和应用提供一定的参考和借鉴。

非线性电路混沌实验报告

非线性电路混沌_实验报告非线性电路混沌实验报告一、实验目的通过搭建非线性电路，观察和研究电路的混沌现象，深入理解和掌握混沌系统的特性。

二、实验原理混沌系统是一类非线性动力系统，其特点是对初始条件极其敏感，微小的初始条件变化会导致系统演化出完全不同的结果。

混沌系统的行为复杂、难以预测，具有高度的随机性。

在电路中，非线性元件的引入可以引起电路的混沌现象。

三、实验器材和仪器1. 函数生成器2. 示波器3. 混沌电路实验板4. 电源5. 电压表和电流表四、实验步骤1. 搭建混沌电路按照实验指导书上的电路图，搭建混沌电路。

其中，电路中需要包含非线性元件，如二极管、晶体管等。

2. 调节函数生成器将函数生成器连接到电路中，调节函数生成器的频率和幅度，使其能够提供合适的输入信号。

同时，设置函数生成器的触发方式和触发电平。

3. 连接示波器将示波器的输入端连接到电路输出端，调节示波器的触发方式和触发电平，使其能够正常显示电路的输出波形。

4. 开始实验打开电源，调节函数生成器和示波器，观察电路的输出波形。

记录不同参数下的波形变化，并观察混沌现象的特点。

五、实验结果与分析在实验中，我们观察到了电路的混沌现象。

随着参数的变化，电路输出的波形呈现出复杂的、不规则的变化。

即使是微小的参数调节，也会导致电路输出的波形发生明显的变化，呈现出不同的分形结构。

这表明混沌系统对初始条件的敏感性。

通过实验结果的观察和分析，我们深入理解了混沌系统的特性。

混沌系统的不可预测性和随机性使其在信息加密、随机数生成等领域具有广泛的应用价值。

六、实验总结通过本次实验，我们成功搭建了混沌电路，并观察到了电路的混沌现象。

通过实验的操作，我们对混沌系统的特性有了更深入的理解，并掌握了观察和研究混沌现象的方法。

混沌系统具有很高的随机性和不可预测性，这为信息加密、随机数生成等领域提供了新的思路和方法。

在今后的学习和研究中，我们将进一步探索混沌系统的特性，并应用于实际问题中。

非线性电路中的混沌现象

非线性电路中的混沌现象39032510赵正 4/25/11 实验时间：第8周周一晚上五：数据处理实验（一）：电感L 的计算：法1：根据RLC 谐振规律，当输入激励的频率LCf π21=时，RLC 串联电路将达到谐振，U(R)波形振幅最大，实验中测量得：通过对U(R)波形的观测得31.0kHz f =, 实验仪器标示：C=1.112F μ 由此可得：2229321123.7275344 3.14 1.11210(31.010)L mH f C π-===⨯⨯⨯⨯⨯ 估算不确定度：估计Fμ，则：3() 4.510u L L -==⨯ 即 ()0.1077u L mH =最终结果：()(23.70.1)L u L mH +=±法2：调节在示波器，使李萨如图为一条过二四象限的45度斜线。

这时电路处于谐振状态观测得30.9kHz f = 按同样的计算方法得2229321123.8813544 3.14 1.11210(30.910)L mH f C π-===⨯⨯⨯⨯⨯ ()0.108426u L mH =最终结果：()(23.90.1)L u L mH +=±两种方法计算结果基本相符合.实验（二）：倍周期分岔和混沌现象的观察。

按实验的要求，记下了如下几个波形1倍周期 2倍周期阵发混沌3倍周期单吸引子双吸引子实验（三）：非线性电阻的伏安特性曲线测量2092.8（2）数据处理：根据RU I RR =可以得出流过电阻箱的电流，由回路KCL 方程和KVL 方程可知：RR R R U U I I =-=11由此可得对应的1R I 值。

图中可以发现，（0.004641，-9.8）和（0.001383，-1.8）两个实验点是折线的拐点。

故我们在V U8.912≤≤-、8V .1U 9.8-≤<-、0V U 1.8≤<-这三个区间分别使用线性回归的方法来求相应的I-U 曲线。

使用Excel 的Linest,和Correl 函数可以求出这三段的线性回归方程(a\b\r)： b1= 0.002061782 a1=0.025015262 r1=0.999103776 b2=-0.000407691 a2=0.00064397 r2=-0.999995364 b3=-0.000761685 a3=0.0000208214 r3=-0.9999194150.002061782 U-0.025015262 -12U 9.78 I -0.000407691U 0.000651953 -9.78U -1.72 -0.000761685U+0.0000208214 -1.72U 0 ≤≤-⎧⎪=+≤≤⎨⎪≤≤⎩经计算可得，三段线性回归的相关系数均非常接近1,证明在区间内I-V 线性符合得较好。

非线性电路的应用——混沌电路

非线性电路的应用——混沌电路摘要本文给出了一种含有由两个运算放大器组成的非线性负电阻的蔡氏混沌电路，如图一所示。

利用非线性电阻电路，设计了如图二所示的非线性伏安特性曲线。

图二即为在示波器中得到的伏安特性曲线。

在实现图二的伏安特性曲线的基础上，设计了图三所示的混沌电路。

使用示波器，连续改变混沌电路的敏感参数（如图中的可变电阻由2K欧姆逐渐减小到零），得到了各种情况下的涡旋现象，得到双涡旋到大极限环变化时的参数，从理论分析与仿真实验两个角度分别研究蔡氏电路的混沌行为，研究结果表明在相同的混沌行为预期下，仿真实验与理论分析结论十分吻合，仿真实验能准确地观测到混沌吸引子的行为特征．通过利用Mutisim7.0进行仿真，观察到由直流平衡态经周期倍增分岔到Hopf分岔形成类似于Rossler吸引子，然后再过渡到双涡卷状的蔡氏吸引子大极限环的全过程。

关键词蔡氏电路；非线性伏安特性曲线；Mutisim7.0仿真；双涡卷混沌吸引子；倍周期分岔引言蔡式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。

该典型电路并不唯一。

蔡式电路在非线性系统及混沌研究中，占有极为严重的地位。

许多非线性动力系统的特性曲线不是跟踪简单、有规则和可预测的轨线，而是围绕像随机且似乎不规则但是明确的形式滑动。

只要有关的过程是非线性的，甚至简单的严格确定性的模型可能发展这样复杂的行为。

这行为被理解或接受为混沌，而且它已经导致非线性科学和动力系统工程的惊人发展。

混沌理论是近年来国际上兴起的新理论，它广泛应用于电路系统，并具有很强的抽象性，不容易被接受．本文通过对一种含由两个运算放大器组成的非线性电阻的RLC电路混沌现象实验分析，让人们从感性上更加清晰地了解混沌现象产生的机理，熟悉混沌现象产生的条件，掌握电路中混沌状态的基本规律，使人们对电路中的混沌现象具有更具体、更形象的认识。

正文电路中存在混沌现象已经是在理论和实验中证明了的不争的事实。

非线性电路中的混沌现象11011079

非线性电路中的混沌现象实验指导及操作说明书北航实验物理中心2013-03-09教师提示：混沌实验简单，模块化操作，但内容较多，需要课前认真预习。

5.2 非线性电路中的混沌现象二十多年来混沌一直是举世瞩目的前沿课题和研究热点，它揭示了自然界及人类社会中普遍存在的复杂性，有序与无序的统一，确定性与随机性的统一，大大拓宽了人们的视野，加深了对客观世界的认识。

许多人认为混沌的发现是继上世纪相对论与量子力学以来的第三次物理学革命。

目前混沌控制与同步的研究成果已被用来解决秘密通讯、改善和提高激光器性能以及控制人类心律不齐等问题。

混沌（chaos）作为一个科学概念，是指一个确定性系统中出现的类似随机的过程。

理论和实验都证实，即使是最简单的非线性系统也能产生十分复杂的行为特性，可以概括一大类非线性系统的演化特性。

混沌现象出现在非线性电路中是极为普遍的现象，本实验设计一种简单的非线性电路，通过改变电路中的参数可以观察到倍周期分岔、阵发混沌和奇导吸引子等现象。

实验要求对非线性电路的电阻进行伏安特性的测量，以此研究混沌现象产生的原因，并通过对出现倍周期分岔时实验电路中参数的测定，实现对费根鲍姆常数的测量，认识倍周期分岔及该现象的普适常数费根鲍姆（Feigenbaum）常数、奇异吸引子、阵发混沌等非线性系统的共同形态和特征。

此外，通过电感的测量和混沌现象的观察，还可以巩固对串联谐振电路的认识和示波器的使用。

5.2.1 实验要求1．实验重点①了解和认识混沌现象及其产生的机理；初步了解倍周期分岔、阵发混沌和奇异吸引子等现象。

②掌握用串联谐振电路测量电感的方法。

③了解非线性电阻的特性，并掌握一种测量非线性电阻伏安特性的方法。

熟悉基本热学仪器的使用，认识热波、加强对波动理论的理解。

④通过粗测费根鲍姆常数，加深对非线性系统步入混沌的通有特性的认识。

了解用计算机实现实验系统控制和数据记录处理的特点。

2．预习要点（1）用振幅法和相位法测电感①按已知的数据信息（L～20mh，r～10Ω，C0见现场测试盒提供的数据）估算电路的共振频率f。

非线性电路混沌现象研究

混沌的产生
混沌的产生
奇异吸引子
英国的海岸线地图
自然界中的分形
山
星云
星
云
天空中的云朵植物的叶子
毛细血管分布
视乳头旁毛细血管瘤视网膜中央动脉颞上支阻塞
河流分布图
自然界中的分形
• 股票价格曲线 • 岩石裂缝 • 金属损伤裂缝 • 道路分布 • 神经末梢的分布 …………
3、当代科学对混沌的研究（主要研究通向混沌的途径）。
后来洛伦兹发现两次计算的差别只是第二次输入中间数据时将原来的0.506127省略为 0.506。洛伦兹意识到，因为他的方程是非线性的，非线性方程不同于线性方程，线性方程对初值的依赖不敏感，而非线性方程对初值的依赖极其敏感。正是初始条件的微小误差导致了计算结果的巨大偏离。由此洛伦兹断言：准确地作出长期天气预报是不可能的。对此，洛伦兹作了个形象的比喻：一只蝴蝶在巴西扇动一下翅膀会在美国的得克萨斯州引起一场龙卷风，这就是蝴蝶效应。
• 逻辑斯蒂映射的形式为
xn1 axn (1 xn )
• 以参数a为横坐标、以x的稳定定态 (stable steady states)为纵坐标作图，得到1、图2等。从图中可以看出开始是周期加倍分岔(也称周期倍化分岔或周期倍分岔)，然后是混沌，混沌区中又有周期窗口。窗口放大后又可见到同样结构的一套东西。此所谓无穷自相似结构。
⑴倍周期分岔进入混沌一个系统，在一定条件下，经过周期加倍，会逐步丧失周期行为而进入混沌。例如，一个非线性电子电路（混沌仪），当我们观察它的输出交变电压随输入电压大小的改变而变化的规律时，可以发现：开始输入电压较低时，输出电压的频率与输入电压的频率一样，而随着输入电压的增加，输出电压的频率经过二分频（具有输入频率及其1/2频率，共两个频率）、四分频、八分频……，最后进入混沌（具有各种各样频率的输出电压）。这就是倍周期分岔进入的混沌，是一种典型的非平衡过程产生的混沌。

非线性电路混沌实验ppt课件

例如：
当=
31 3
时，0.7是周期一点。现用0.669去
迭代，就会出现周期二。迭代情况如下：
0.669---0.738---0.644---0.764---0.601---03 .799---
0.545---0.829---0.472---0.830---0.469---0.830---
0.470---0.830---0.470……
19
实验仪器介绍
LC组成的振荡电路
有源非线性电阻
20
实验内容
1. 连接电路，并将示波器打到合成档。 2. 通过调节电位器W1（粗调）和W2（细调），
在示波器上观察一倍周期李萨茹图、并记录之，
并分别观看1,2通道波形图并记录之。
3.
逐步减小
1 G
，李萨茹图开始出现分叉，即由1倍
周期变为2倍周期，记录之，并分别记录1,2通道
波形图。
4.逐步减小
1 G
，出现四倍周期，8倍周期，期与阵发混沌相
应图形。
21
实验内容
5.
再减小
1 G
，出现三倍周期，图像十分清楚稳定，
并记录相应图形。根据Yorke的著名论断“周期3意
味着混沌”，这说明电路即将出现混沌。
6.
继续减小
1 G
，则出现单个吸引子，并记录相应图
通信在我们的生活中的作用越来越重要,尤其是电子商务的兴起，对保密通信提出了更高的要求。利用混沌进行保密通信是现在十分热门的研究课题。混沌信号最本质的特征是对初始条件极为敏感，并导致了混沌信号的类随机特性。用它作为载波调制出来的信号当然也具有类随机特性。因而，调制混沌信号即使被敌方截获，也很难被破译，这就为混沌应用于保密通信提供了有利条件。因此利用混沌进行保密通信是目前十分热门的研究课题。混沌信号最本质的特征是对初始条件极为敏感，并由此信号又具有整体稳定性,当我们用同一个混沌信号去驱动两个相同的系统时，两个系统的某些部分将产生同步化的行为，这就为混沌应用于保密通信提供了可行性。

非线性物理——混沌

非线性物理——混沌引言非线性是在自然界广泛存在的自然规律，相对于我们熟悉的线性要复杂得多。

随着物理学研究的不断深入，非线性问题逐渐被重视起来，现已出现了多个分支，混沌便是其中之一。

混沌现象在生活中广泛存在，如著名的蝴蝶效应、湍流、昆虫繁衍等[1]。

要直观地演示混沌现象，采用非线性电路是一个非常好的选择。

能产生混沌现象的自治电路至少满足以下三个条件[2]：1）有一个非线性元件，2）有一个用于耗散能量的电阻，3）有三个存储能量的元件。

如图1所示的蔡氏电路（Chua's circuit ）[3,4]是一个符合上述条件、非常简洁的非线性电路，由华裔物理学家蔡绍棠（Leon O. Chua ）教授于1983年提出并实现。

近年来，非线性电路的研究领域有了长足进展，新的混沌与超混沌电路[5]的理论设计与硬件实现等问题备受人们关注。

如Chen 氏电路[6]、Colpitts 振荡电路[7]、基于SETMOS 的细胞神经网络结构的蔡氏电路[8]，都能用于研究混沌现象，并有不同的应用领域。

实验原理在众多的非线性电路中，蔡氏电路因其结构简单、现象明晰，成为教学实验中让学生接触、了解混沌现象的最佳选择，大量基于蔡氏电路的实验仪器[9-11]被广泛应用于高校实验教学。

蔡氏电路（如图一所示）的主要元件有可调电阻R （电路方程中以电导G =1/R 做参数，以下方程求解过程都用G 来表示，而涉及实验的内容采用R 表示）、电容C 1和C 2、电感L 以及非线性负阻Nr 。

它的运行状态可以用以下方程组来描述： ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=+-=--=2212211211)()()(U dt dI L I U U G dt dU C U g U U G dt dU C L L (1)其中U 1为C 1（或负阻Nr ）两端的电压，U 2为C 2（或L ）两端的电压，I L 为通过L 的电流，错误!未指定书签。

g (U)为非线性负阻的I -V 特性函数，其表达式为： |)||(|2)(E U E U G G U G U g a b b +---+= (2) 式中各参数和变量的具体意义间图3。

非线性电路混沌实验

非线性电路混动实验研究王艺涵西南大学物理科学与技术学院,重庆 400715摘要：混沌来自非线性。

非线性电路中有十分丰富的分岔和混沌现象。

本实验建立由有源非线性负阻、LC振荡器和RC移相器组成的非线性电路，通过调整电路的参数，用示波器观察一倍周期、两倍周期、三倍周期、四倍周期、阵法混沌、奇异吸引子和双吸引子及有源非线性负阻原件的伏安特性。

通过观察，加深对混沌现象的认识。

关键字：非线性混沌现象伏安特性电路1.引言混沌理论和量子力学，相对论一起被称之为20世纪物理学的三大科学改革沌研究最先起源于1963年洛伦兹(E．Lorenz)研究天气预报时用到的三个动力学方程，后来又从数学和实验上得到证实。

混沌来自非线性，是非线性系统中存在的一种普遍现象。

无论是复杂系统，如气象系统、太阳系，还是简单系统，如钟摆、滴水龙头等，皆因存在着内在随机性而出现类似无轨、但实际是非周期有序运动，即混沌现象。

其中产生混沌现象最经典的非线性电路是美国加州大学伯克利分校的蔡少棠教授1985年提出的著名的蔡氏电路，蔡氏电路是能产生混沌行为的最简单的自治电路，是至今所知唯一的混沌实际物理系混沌现象。

2.混沌现象及蔡氏电路的介绍2.1.混沌现象混沌现象是指发生在确定性系统中中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测，这就是混沌现象。

混沌现象对初始条件具有极端敏感性，只要初始条件稍有偏差或微小的扰动，则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。

这可以生动的用“蝴蝶效应”来比喻：在做气象预报时，只要一只蝴蝶扇一下翅膀，这一扰动，就会在很远的另一个地方造成非常大的差异。

因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的。

虽然，混沌现象的出现使我们无法对系统的长期行为进行预测，但是我们完全可以利用混沌的规律对系统进行短期的行为预测，这样比传统的统计学方法更加有效。

2.2.非线性电路—蔡氏电路蔡氏电路（英语：Chua's circuit），一种简单的非线性电子电路设计，它可以表现出标准的混沌理论行为。

非线电路混沌实验

L
C2
C1
LF356
LF356
R2
R5
R1
R4
图５非线性电路混沌实验电路
【实验内容和步骤】
１、打开机箱，将铁氧化介质电感连接到与面板上对应接线柱相接。
２、用同轴电缆线将实验仪面板上的ＣＨ２插座连接示波器的Ｙ输入。ＣＨ１插座连接示波器的Ｘ输入，并置Ｘ和Ｙ输入为ＤＣ。以观测二个正弦波构成的李萨如图。
３、按非线性电路图接好电路。接通实验板的电源，这时数字电压表有显示，对应＋１５Ｖ和－１５Ｖ电源指示灯都为亮状态，且有电压输出。
【注意事项】
１、双运算放大器的正负极不能接反，地线与电源接地点必须接下来触良好。
２、关掉电源以后，才能拆实验板上的接线。
３、一起预热１０分钟以后才开始测数据。所测图形如下：
４、调节示波器，用示波器观察相图周期变化。
５、调节图中的Ｗ１和W2的大小，观察并描绘相图周期的分岔混沌现象。将一个环形相图定为Ｐ，那么要求观测并记录2P、４P 、阵发混沌、３Ｐ、单吸引子（混沌）、双吸引子（混沌）共六个相图和相应的ＣＨ１－地和ＣＨ２－地两个输出波形。
R1+R2
C1
R3
R6
非线电路混沌实验
Rv
C2 L
R
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C1
图1 非线性电路原理
I(R)
V(R)
图2 非线性元件伏安特性
图1电路的非线性动力学方程为： C1 d Uc1 /d t=G（Uc2-Uc1）-gUc1
C2d Uc2 /d t=G(Uc1-Uc2)+iL Ld iL /d t= -Uc2 式中，导纳G=1/Rv,Uc2和Uc1分别是加在电容器C2 和C1上的电压，iL表示流过电感器Ｌ的电流，g表示非线性电阻的导纳。

非线性电路的混沌现象

非线性电路的混沌现象1、引言混沌理论（ChaosTheory）是架起确定论和概率论两大理论体系之间的桥梁，与相对论、量子力学一起被称为20世纪物理学的三大科学革命。

混沌研究最先起源于1963年洛伦兹（E.Lorenz）研究天气预报时用到的三个动力学方程，后来又从数学和实验上得到证实。

混沌来自非线性，是非线性系统中存在的一种普遍现象。

近年来，混沌现象及其应用已成为通讯工程、电子工程、生物工程、经济学等领域中的一个研究热点。

由于电学量（如电压、电流）易于观察和显示，因此非线性电路逐渐成为混沌及混沌同步应用的重要途径，其中最典型的电路是美国加州大学伯克利分校的蔡少棠教授1985年提出的著名的蔡氏电路（Chua’sCircuit）。

蔡氏电路是能产生混沌行为的最简单的自治电路，是至今所知唯一的混沌实际物理系统，已被希尔尼柯夫定理严格证明存在混沌现象。

就实验而言，可用示波器观察到电路混沌产生的全过程，并能得到双涡卷混沌吸引子，有兴趣的读者不妨亲自搭试电路，实际观测一番。

2、蔡氏电路图1就是讨论非线性电路系统的一种简单而又经典的电路———蔡氏电路，它是由两个线性电容C1和C2、一个线性电感L、一个可变线性电阻R0和一个非线性电阻R构成。

电感L和电容C2并联构成振荡电路，线性电阻R0的作用是分相。

非线性电阻R的伏安特性iR=g（uR），是一个分段线性的负电阻，如图2所示，整体呈现对称但非线性。

负阻是出现混沌的原因，其特性至少可用三种方法来实现：两个晶体管和两个二极管;一个运算放大器和两个二极管;一个双运算放大器和六个线性电阻组合。

图1电路中有3个状态变量uC1，uC2和uL，电路的非线性动力学状态方程为：式中：uC1，uC2和iL分别表示C1、C2两端的电压，L中的电流。

非线性电路混沌

非线性电路混沌一、实验内容：1．了解混沌的一些基本概念；2．测量有源非线性电阻的伏安特性；3．通过研究一个简单的非线性电路，了解混沌现象和产生混沌的原因。

二、实验仪器：电源，非线性混沌电路板，数字万用表，非线性电阻，电容、电感和电阻箱，双踪示波器等。

三、实验原理：实验电路原理图如图1所示。

电路中的R是非线性元件，是一个分段线性的电阻，整体呈现出非线性。

它的伏安特性如图2所示。

RL图1 电路原理图图2 非线性元件R 的U - I 特性电路的非线性动力学方程为：其中U C1、U C2是电容C 1、C 2上的电压，i L 是电感L 上的电流，G =1/R 0是电导，g 为R 的伏安特性函数。

如果R 是线性的，g 是常数。

实验电路如图3所示。

L 图3 实验电路四、实验步骤：1．倍周期现象的观察、记录按图3连好线路。

将电容C 1，C 2上的电压输入到示波器的X （CH1），Y （CH2）轴，先把R 0调到最小，示波器屏上可观察到一条直线，调节R 0，直线变成椭圆。

增大示波器UI(mA)的倍率，反向微调R 0，可见曲线作倍周期变化，曲线由一周期（P ）增为二周期(2P)，由二周期倍增至四周(4P)。

记录2P 、4P 倍周期时的相图及相应的CH1、CH2输出波形图。

2. 单吸引子和双吸引子的观察、记录在步骤1的基础上，继续调节R 0直至出现一系列难以计数的无首尾的环状曲线，这是一个单涡旋吸引子集。

再细微调节R 0，单吸引子突然变成了双吸引子，只见环状曲线在两个向外涡旋的吸引子之间不断填充与跳跃，这就是混沌研究文献中所描述的“蝴蝶”图像，也是一种奇怪吸引子，它的特点是整体上的稳定性和局域上的不稳定性同时存在。

记录单吸引子和双吸引子的相图相应的CH1、CH2输出波形图。

3. 周期性窗口的观察、记录仔细调节R 0，有时原先的混沌吸引子不是倍周期变化，却突然出现了一个三周期图像，再微调R 0，又出现混沌吸引子，这一现象称为出现了周期性窗口。

12.非线性电路混沌

非线性电路混沌长期以来，人们在认识和描述运动时，大多只局限于线性动力学描述方法，即确定的运动有一个完美确定的解析解.但是自然界在相当多情况下，非线性现象却起着很大的作用。

1963年美国气象学家LORENZ 在分析天气预报模型时，首先发现空气动力学中的混沌现象，该现象只能用非线性动力学来解释。

1975年混沌作为一个新的科学名词首次出现在科学文献中。

此后，非线性动力学迅速发展，并成为有丰富内容的研究领域，该学科涉及非常广泛的科学从电子学到物理学，从气象学到生态学，从数学到经济学等。

混沌通常相应于不规则或非周期性，这是由非线性系统本质产生的。

本实验将引导学生自己建立一个非线性电路，该电路包括有源非线性负阻、LC 振荡器和RC 移相器三部分；采用物理实验方法形容LC 振荡器产生的正弦波与经过RC 移相器三部分；采用物理实验方法研究LC 振荡器产生的正弦波与经过RC 移相器移相的正弦波合成的相图(李萨如图)，观测振动周期发生的分岔及混沌现象；测量非线性单元电路的电流—电压特性，从而对非线性电路及混沌现象有一初步了解；学会自己制作和测量一个带铁磁材料介质的电感器以及测量非线性器件伏安特性的方法［实验原理］1.非线性电路与非线性动力学实验电路如图1所示，图1中只有一个非线性元件R ，它是一个有源非线性负阻器件。

电感器L 和电容C 2组成一个损耗可以忽略的谐振回路；可变电阻R V 和电容器C 1串联将振荡器产生的正弦信号移相输出。

本实验中所用的非线性元件R 是一个三段分段线性元件。

图2所示的是该电阻的伏安特性曲线，从特性曲线显示中加在此非线性元件上电压与通过它的电流极性是相反的。

由于加在此元件上的电压增加时，通过它的电流却减小，因而将此元件称为非线性负阻元件。

图1非线性电路原理图图2非线性元件伏安特性图1电路的非线性动力学方程为： 1121)(1C C C C U g U U G dtdU C ⋅--⋅= L C C C i U U G dt dU C +-⋅=)(21122 (1)2C L U dtdi L -= 式中，导纳V R G /1=，1C U 和2C U 分别为表示加在电容器C 1和C 2上的电压，L i 表示流过电感器L 的电流，G 表示非线性电阻的导纳。