一種基于Chua電路的異構磁控憶阻器模型的電路設計方法技術

一種基于Chua電路的異構磁控憶阻器模型的電路設計方法，(1)構建兩個具有光滑三次非線性特性的異構磁控憶阻器模型；(2)分析(1)異構憶阻Chua系統混沌特性，驗證其是否具有憶阻器本質特征；(3)結合(1)兩個憶阻器模型，在經典三階Chua電路上構建一個五階異構磁控憶阻電路模型；(4)采用Multisim軟件對(3)進行電路仿真，并與(2)數值計算進行比較，驗證所設計的異構磁控憶阻器模型的正確性及憶阻可靠性。本發明專利技術通過數值仿真和電路驗證，憶阻模型均具有斜“8”字形的類緊磁滯回線的伏安特性曲線，同時驗證了新構建的雙異構憶阻Chua電路能夠產生混沌行為，具有復雜的非線性動力學特性。

【技術實現步驟摘要】
一種基于Chua電路的異構磁控憶阻器模型的電路設計方法
本專利技術屬于非線性動力學中的系統理論模型和模擬電路領域，涉及到混沌理論、憶阻器及電路設計與仿真實現。
技術介紹
美國華裔科學家加州大學伯克利分校的蔡少棠(Chua)教授于1971年根據電壓V與電流i、磁通量與電流i、電荷量q與電壓V之間的關系，推測出一個可以用來表示磁通量和電荷量q之間關系的元件的存在，稱作憶阻器，至此電路理論中四個基本電路變量間的關系終于達到完整。2008年，HP實驗室的StanleyWilliams等在《Nature》上報導了一種新型的具有憶阻特性的納米級固態元件，從而進一步驗證了Chua于37年前預測的憶阻器的存在性。由于憶阻器特殊的記憶和非線性特性，為電路的設計和應用帶來了更廣泛的發展空間，其中包括憶阻器電路建模、SPICE宏建模、伏安特性分析及其等效電路的實現等。憶阻器是一個非線性的無源二端口元件，在非線性電路中存在廣泛的應用。韓國Kim教授提出了由四個相同憶阻元件構成的憶阻橋電路，能夠完成神經細胞的突觸運算和實現加權及權值編程；西南大學的王麗丹和段書凱等在HPTiO2憶阻器模型的基礎上構造了一個憶阻混沌電路，生成相應的混沌吸引子；Ahamed和Lakshmanan對憶阻MLC電路進行研究，實驗觀察到了非光滑分叉、瞬態超混沌和超混沌脈動等復雜現象；常州大學的包伯成等利用三次非線性憶阻器模型，實現了磁控憶阻器的等效電路，并對電路的相關特性進行了實驗分析。北京郵電大學的宋德華和呂夢菲等基于有邊界的HPTiO2憶阻非線性模型，對憶阻與電容、電感的串、并聯進行了研究，分析了電路所具有的特性和激勵頻率與電容、電感參數對電路的影響。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出一種基于Chua電路的異構磁控憶阻器模型的電路設計方法，在標準的Chua電路上構建兩個異構磁控憶阻器模型，并用通用電子元件設計電子線路，同時對該模型的動力學特性進行了理論仿真和實驗分析，驗證異構磁控憶阻Chua電路混沌行為的多樣性和可實現性。本專利技術所述的一種基于Chua電路的異構磁控憶阻器模型的電路設計方法，包括以下步驟：(S01)：構建兩個具有光滑三次非線性特性的異構磁控憶阻器模型；其中：分別為兩個憶阻器磁通量，q1,q2分別為累計通過兩個憶阻器的電荷量，a,b,c,d,e為參數。(S02)：分析(S01)異構憶阻Chua系統混沌特性，驗證其是否具有憶阻器本質特征；(S03)：結合(S01)兩個憶阻器模型，在經典三階Chua電路上構建一個五階異構磁控憶阻電路模型。(S04)：對(S02)數值計算和(S03)電路仿真進行比較，驗證所設計的異構磁控憶阻器模型的正確性及憶阻可靠性。更進一步地，本專利技術所述的詳細操作步驟如下：步驟1：構建兩個具有光滑三次非線性特性的異構磁控憶阻器模型。1)構建磁控憶阻器1，具有光滑的三次單調上升的非線性特性曲線，即：可得到它的磁控憶導為：2)構建磁控憶阻器2，同樣具有光滑的三次單調上升的非線性特性曲線：可得到它的磁控憶導為：其中：分別為兩個磁控憶阻器磁通量，q1,q2分別為累計通過兩個磁控憶阻器的電荷量，a,b,c,d,e為參數。選擇a＝2，b＝2，c＝0.75，d＝2，e＝0.1，可以得到如圖1和圖2兩個磁控憶阻器的特性曲線和特性曲線。步驟2：分析異構憶阻Chua系統模型的混沌特性，驗證其是否具有憶阻器的本質特征。為了驗證磁控憶阻器具有經過原點斜“8”字形的類緊磁滯回線特性，本專利技術在磁控憶阻器兩端施加一個正弦電壓v＝sin(wt)，設流過磁控憶阻器的電流為i，則可以得到磁能量：同樣選擇a＝2，b＝2，c＝0.75，d＝2，e＝0.1，圖3和圖4分別給出了兩個磁控憶阻器在不同的角頻率w下的伏安特性曲線，角頻率越大，斜“8”字形收縮的越緊湊，以此可以驗證本專利技術的異構模型具有憶阻特性。步驟3：基于經典的三階Chua電路原理，構建一個五階異構磁控憶阻電路模型；1)經典的三階Chua混沌電路如圖5所示，其中包含兩個電容C1和C2，一個電感L以及一個Chua二極管NR(非線性電阻)。2)本專利技術在經典的三階Chua混沌電路的基礎上，用步驟1的磁控憶阻器1和一個負電導G構成的有源憶阻電路來代替原電路中的Chua二極管，再在LC諧振部分電路之間插入步驟1的磁控憶阻器2，這樣形成的新電路中(圖6)兩個憶阻器相互對稱，但結構方程相異。3)由基爾霍夫定律和元件的伏安特性可得，圖6所示的電路狀態方程為一個五個聯立的一階微分方程組：其中，v1，v2分別是電容C1，C2兩端的電壓，i3是從下到上流經電感L和電阻r的電流，和分別為公式(4)和(6)的磁控憶導值。步驟4：對步驟2數值計算和步驟3電路仿真進行比較，驗證所設計的異構磁控憶阻器模型的正確性及憶阻可靠性。1)設x＝v1，y＝v2，z＝i3，ξ＝G，并定義非線性函數：則(7)式的狀態方程可以重寫為：因此，異構磁控憶阻Chua混沌電路是一個五維系統，它的非線性動力學方程可以由式(10)來描述。2)圖7(a)、(b)、(c)分別顯示的是x(v1)，y(v2)，z(i3)混沌吸引子軌跡；圖8(a)、(b)分別顯示的是磁控憶阻器1磁通與電壓v1之間的關系，以及磁控憶阻器2磁通與電壓v2之間的關系，它們均有一個雙渦卷混沌吸引子；圖9(a)、(b)分別顯示的是兩個磁控憶阻器電壓與電流之間的關系，呈現出與圖3和圖4類似的斜“8”磁滯回線圖案。3)圖10為本專利技術異構磁控憶阻Chua電路仿真整體結構圖，圖11為采用Multisim電路仿真的各變量相圖。圖11電路仿真結果和圖7數值計算結果發現，本專利技術所設計的異構磁控憶阻模型的正確性，在實際電路中是可以物理實現的。本專利技術的特點在于：惠普實驗室使用的憶阻器模型與Chua電路的非線性二極管極為相似，結合其他的電路元件可以實現混沌振蕩器。本專利技術在經典的三維Chua電路的基礎上，利用一個磁控憶阻器替代Chua混沌電路中的二極管，另一個磁控憶阻器位置與其關于電容形成對稱結構，構建了一個異構磁控憶阻Chua電路。采用Matlab/Multisim兩種方式進行數值仿真和電路驗證，變量的運動軌跡均具有斜“8”字形的類緊磁滯回線的伏安特性曲線，同時驗證了新構建的雙異構憶阻Chua電路能夠產生混沌行為，具有復雜的非線性動力學特性。附圖說明圖1為本專利技術構建的磁控憶阻器1和磁控憶阻器2的特性曲線。圖2為本專利技術構建的磁控憶阻器1和磁控憶阻器2的特性曲線。圖3為本專利技術構建的磁控憶阻器1的磁滯回線。圖4為本專利技術構建的磁控憶阻器2的磁滯回線。圖5為經典三維Chua混沌電路圖。圖6為本專利技術構建的異構磁控憶阻器Chua電路模型。圖7為本專利技術混沌吸引子軌跡圖。其中，(a)為x(v1)-y(v2)混沌吸引子軌跡，(b)為y(v2)-z(i3)混沌吸引子軌跡，(c)為y(v2)-z(i3)混沌吸引子軌跡。圖8為本專利技術磁控憶阻器磁通與電壓之間的關系，其中，(a)為磁控憶阻器1磁通與電壓x(v1)之間的關系，(b)為磁控憶阻器2磁通與電壓x(v2)之間的關系。圖9為本專利技術兩個磁控憶阻器電壓v與電流i之間的關系，其中，(a)為磁控憶阻器1，(b)為磁控憶阻器2。圖10為本專利技術異構磁控憶阻Chua電路仿真整體結構圖。圖11為本專利技術采本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于Chua電路的異構磁控憶阻器模型的電路設計方法，其特征是包括以下步驟：(S01)構建兩個具有光滑三次非線性特性的異構磁控憶阻器模型：

【技術特征摘要】
1.一種基于Chua電路的異構磁控憶阻器模型的電路設計方法，其特征是包括以下步驟：(S01)構建兩個具有光滑三次非線性特性的異構磁控憶阻器模型：其中：分別為兩個憶阻器磁通量，q1,q2分別為累計通過兩個憶阻器的電荷量，a,b,c,d,e為參數；(S02)分析(S01)異構憶阻Chua...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張小紅，萬麗娟，鐘小勇，
申請(專利權)人：江西理工大學，
類型：發明
國別省市：江西,36