英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于 LabVIEW 的混沌信号发生器的设计
赵小磊，马 珺
( 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024)
摘 要: 本文介绍了一种新的方法来实现对 Colpitts 混沌信号的产生，该系统是基于虚拟仪器平台，并且结合 MATLAB 软件中的计算模块实现对Colpitts 混沌信号的产生，同时对混沌信号的自相关和功率谱进行分析。并通过 USB－6009 采集模块外扩高速DAC( 数模转换器) 芯片 AD5405 实现对 Colpitts 混沌信号的单通道输出。本系统可根据用户的需求来调节参数，从而可以实现不同频率混沌信号的产生。相比于传统的混沌信号发生器，该发生器结构简单，操作方便，运行稳定可靠，有一定参考和实用价值。
关键词: Colpitts 混沌; LabVIEW; MATLAB; 采集模块; 自相关
中图分类号: TN702 文献标识码: A 文章编号: 1005－9490( 2014) 04－0631－04
对混沌科学的研究已经从理论研究和控制混沌发展到怎样有效的利用混沌,而Colpitts 混沌信号是最近的一个研究热点[1]，现在目前对 Colpitts 混沌信号的研究主要表现在以下几个方面: Colpitts 电路和蔡氏电路的内在联系; 通过研究电路微分方程的特征值来分析电路可能工作的状态; 对 Colpitts 混沌信号的微分方程的参数关系进行分析; 对 Colpitts 信号的非线性机理的研究，对信号进行混沌分叉分析。基于Colpitts 电路板产生的混沌信号的不稳定性，且调试方法比较繁琐，再加上混沌电路中的寄生电容的影响等缺点。本文利用 LabVIEW 产生Colpitts 混沌信号来克服以上缺点。随着现代测试技术的发展，虚拟仪器技术已经成为设计复杂测试系统和测试仪器的主要方法和手段。文献[2]利用虚拟仪器平台设计实现对 Lorenz混沌信号发生器。而文献[3-4]主要是对 Colpitts混沌电路的研究与仿真。本文利用 LabVIEW软件所产生的 Colpitts 混沌信号，不仅克服了电路板的三极管的寄生电容的影响和调试繁琐的缺点，而且可视化强，能够直观的观察到混沌信号的动态画面，并能在同一个界面上对混沌信号进行自相关和功率谱分析。而且能够根据需要来调节参数产生不同频率的信号等优点。该系统产生的混沌信号更适合作为探物雷达的信号源增强了探地雷达的稳定性。
1 混沌信号原理
混沌石非线性动力系统所特有的一种运动形式[6]，并广泛的存在于自然界，是一类内在确定外在类似随机性的特殊信号。最常见的混沌信号有杜芬混沌信号、Lorenz 混沌信号、以及 Colpitts 混沌信号。 Colpitts 混沌信号是一种典型的类正弦震荡电路混沌信号[7]，在一定的电路参数条件下可以实现混沌震荡生成一个单涡卷混沌吸引子。由于 Colpitts 震荡器电路的系统代数方程较为简单，且方程中只含有一项非线性指数项，因此，在此模型上能实现新的有着重要的理论和工程应用价值的多涡卷混沌系统。混沌是产生于确定性的非线性过程，它的运动看似是无组织和无规则，但实际上，它通常可以通过所有的随机检测检验，并且具有一个恒定的概率分布。其能量谱是类似于噪声，是平坦的，但是也会周期性地分布一些脉冲。也可以从简单的系统里得到馄饨。在非自治系统中，甚至可以在只有一个状态变量的条件下产生混沌，在自治系统中，混沌可以在至少三个状态变量中产生，对给定的状态或者控制参数，混沌可以完全自我产生，换句话说，对其他变量或者参数的改变是不必要的。混沌并不是由数据不准确而产生的，例如采样误差或者测量误差，任何特定的初始条件，只要控制参数在一定范围内，均可以产生混沌，虽然混沌自身表现杂乱无章，但是混沌中包含一个或者多个有序或者结构，其相空间轨道可能存在分形性质。由于混沌吸引子的状态变量的取值被限制在有限的区间中，吸引子将被限制在相空间中的一个特定有限区域内，当控制参数系统地变换时，一个非混沌系统能沿着一些经典的混沌道路通向混沌。Colpitts 混沌系统的归一化状态方程如下:
(1)
其中，n( x2 ) = exp( －x2 ) －1。在式( 1) 所表征的混沌系统中，状态变量的混沌特征性仅与 g* Q 有关，K只是改变状态变量的幅度，而不会引起混沌系统所处的状态( 混沌，平衡点等) 的变化。因此要使系统( 1) 处于混沌状态需要选择合适的 g* ，Q 的值。设计 Colpitts 电路使其产生的混沌信号频率带宽分别为 100 MHz、500 MHz 和 1 GHz 的系统的归一化状态方程的参数合适的参数值，现在以混沌信号带宽为 100 MHz 为例，设定其方程的参数分别为: g* 取值为 16.53，Q 为1.786 为方便起见选取 K为0.5。其系统在 MATLAB 中仿真产生的时序图和相图如图 1 所示。
图 1 Colpitts 混沌信号的时序图和相图
2 基于虚拟仪器的 Colpitts 混沌信号发生器的设计
LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。虚拟仪器 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式虚拟仪器 实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器 的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。
混沌信号发生系统主要包括3部分: LabVIEW接口模块，MATLAB 算法模块，AD 采集模块。系统的流程框图如图2所示。因为 LabVIEW软件调用 MAT-LAB 的程序是通过 MATLAB Script 的连接节点实现的[11]，由于 MATLAB Script 节点是通过 ActiveX 控件与 MAT-LAB Server 进行通信的。因为 LabVIEW 与 MAT-LAB 都支持 ActiveX 技术，实质上是将 MATLAB看作一 个 ActiveX 服 务 器，建 立 ActiveX 通 道，将LabVIEW 的函数或者命令通过 ActiveX 通道发给MATLAB，并由 MATLAB 在后台执行。AD 采集模块采用 NI 公司的USB-6009采集卡外扩高速DAC 芯片 AD5405 完成对信号采集和数模转换。系统工作流程: 将 MATALB 混沌方程的算法子模块放置到 LabViEW 默认路径下，再 LabVIEW 的MATLAB Script 节点中编辑混沌方程的计算模块，并对混沌信号进行自相关和功率谱分析编程，运行LabVIEW，产生的混沌信号将会在 LabVIEW 波形窗口中显示，并将该信号通过 AD 采集模块输出。
图 2 系统流程图
2.1 USB－6009 采集卡和 DAC 芯片 AD5405 的选取
NI USB－6009 提供 8 个模拟输入( Al) 通道、2个模拟输出( AO) 通道、12 个数字输入/输出( DIO)通道以及一个带全速 USB 接口的 32 位计算器。Al分辨率为 14 位查分，13 位单端，最大 Al 采样率，单个通道为 48 ksample /s，多各通道 48 ksample /s． 其价格低廉，采样速率可以满足需求。AD5405 是一款双通道、CMOS、12 bit、电流输出数模转换器( DAC) 。它的特点是: 快速并行接口写入周期为 58 Msample /s; 40 引脚 LFCSP 封装; 保证单调性; 上电复位; 回读功能。AD5405 的建立时间为 80ns． 能够满足要求。由于USB-6009的 DAC 输出最高频率只能达到 150 Hz; 不能满
全文共7225字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[2807]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
