一种混沌检测电路的制作方法
一种混沌检测电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微弱信号检测领域，尤其涉及用于检测微弱信号的混沌检测电路。
【背景技术】
[0002] 混沌理论应用于信息检测是现阶段混沌学发展的主要趋势之一。混沌检测利用混 沌的固有特性一一初值敏感性对微弱信号进行检测，可在金属探测、超声波液位检测、机械 设备的齿轮故障检测等众多领域中应用。从符号动力学看，初值与系统运动轨迹在一定的 时间内是一一对应的，初始值的细微变化量可以采用符号动力学分析方法高精度测量，从 而可以应用于微弱信号的检测。
[0003] 国内外出版物上公开发表过的混沌检测电路实验，有些只能对大于某临界值的微 弱信号的进行探测，却不能将其进行数字化测量。如山东大学博士生胡文静在2012年的 博士学位论文《用于金属探测的混沌阵子系列研宄》中提出一种改进的L-Y检测电路并在 金属探测器进行了初步的实验，只有调整电压到临界值，才能探测到微弱信号，并不能准确 测量其探测信号值；有些虽然可用于微弱信号的直接数字化测量，精度也较高，但其代价是 实现的检测电路更复杂，对仪器硬件等要求比较高，因此，制作成本也比较高。如西南理工 大学硕士生李虎明在2005年的硕士论文《小信号混沌检测研宄》提到的贝努力映射型混沌 AD/转换电路实验，逻辑控制采用ATLERA公司的CPLD型号为EPM7128SLC84-15芯片，价格 偏贵。再如浙江大学博士生金文光在2003年的博士论文《小信号混沌动力学测量研宄》中 提出了混沌电路的耦合消除混沌测量噪声的新方法和有源积分式混沌测量电路抑制噪声 来提高测量精度，电路耦合需要两个或两个以上测量的电路进行耦合，而有源积分则需要 多个积分器抑制电路中的噪声，其缺点是增加电路的复杂性，同时也增加了成本。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种成本低廉、检测结果精确 的混沌检测电路。
[0005] 为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：
[0006] -种混沌检测电路，包括充电恒流源模块、放电恒流源模块、充放电电容、逻辑控 制电路和比较器，所述充电恒流源模块作为充放电电容的恒流充电电源，所述放电恒流源 模块作为充放电电容的恒流放电电源，所述逻辑控制电路控制充放电电容充电和放电，所 述比较器将充放电电容的电压与基准电压相比较。
[0007] 进一步的，所述充电恒流源模块包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第 一运算放大器的正输入端连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接正电源，所述 第一运算放大器的负输入端连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，所述第一 运算放大器的负输入端还通过第四电阻与其输出端连接，其输出端还连接第五电阻的一 端，所述第五电阻的另一端与第二运算放大器的正输入端连接，所述第二运算放大器的负 输入端与其输出端短接，其输出端还通过第二电阻与第一运算放大器的正输入端连接。
[0008] 进一步的，所述放电恒流源模块包括第三运算放大器和第四运算放大器，所述第 三运算放大器的正输入端连接第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接负电源，所述 第三运算放大器的负输入端连接第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第三 运算放大器的负输入端还通过第九电阻与其输出端连接，其输出端还连接第十电阻的一 端，第十电阻的另一端与第四运算放大器的正输入端连接，所述第四运算放大器的负输入 端与其输出端短接，其输出端还通过第七电阻与第三运算放大器的正输入端连接。
[0009] 进一步的，所述逻辑控制电路包括模拟开关和单片机，待测信号、所述第五电阻与 第二运算放大器正输入端之间的节点、以及所述第十电阻与第四运算放大器正输入端之间 的节点分别连接模拟开关的三个常开端，所述模拟开关其中三个公共端分别与充放电电容 的正极连接，所述充放电电容的负极接地，所述模拟开关其中三个控制端分别与单片机的 三个输入/输出端连接，所述单片机的复位端连接复位电路，所述复位电路连接第一电阻， 所述单片机的晶振输入端和晶振输出端连接外部晶振电路。
[0010] 进一步的，所述比较器的正输入端连接充放电电容的正极，所述比较器的负输入 端连接基准电压，所述比较器的输出端连接单片机其中一个输入/输出端。
[0011] 进一步的，所述基准电压为0-10mV。
[0012] 进一步的，所述复位电路包括相互串联的第十一电阻和第三电容，所述第十一电 阻与第三电容之间的节点连接单片机的复位端连接，所述第三电容的另一端连接第一电 阻，所述第十一电阻的另一端接地。
[0013] 进一步的，所述外部晶振电路包括第一电容、第二电容和晶体振荡器，所述晶体振 荡器的一端连接第一电容的一端，所述晶体振荡器的另一端连接第二电容的一端，所述第 一电容和第二电容的另一端均接地，所述第二电容与晶体振荡器之间的节点连接单片机的 晶振输入端，所述第一电容与晶体振荡器之间的节点连接单片机的晶振输出端。
[0014] 进一步的，所述比较器为电压比较器。
[0015] 进一步的，所述模拟开关的型号为MAX333CPP，所述单片机的型号为STC89C52。
[0016] 本发明不需要AD转换就能测出微弱信号，测量分辨率比AD转换高。而所采用到 的处理芯片、比较器等电路元件都是很低价的，成本低廉，适合推广，且测量结果精度能达 到5%，满足一般的检测微弱信号的要求。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的原理图；
[0018] 图2是本发明的电路图；
[0019] 图3-6是不同待测信号值相同位数符号序列的混沌轨道；
[0020] 图7-8是相同待测信号值不同位数符号序列的混沌轨道；
[0021] 图9是待测信号以及加上噪声后信号的模型仿真轨迹。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步的说明：
[0023] 如图1所示，混沌检测电路以倒锯齿映射为模型，对输入的待测信号初始值 进行迭代，得到一条轨道。具体迭代过程为：输入待测信号初值Us，给电容C充电到电 容电压Uc等于待测信号初值Us，断开待测信号开关K3。当一个时钟周期脉冲CLK到 达逻辑电路G时，G输出信号接通放电恒流源12,让电容C放电。电容电压Uc等于0V 时，断开放电恒流源12,接通充电恒流源I1，给电容C充电，因为电容充放电的过程为
，，若i(U为恒流源，即i(U为常数，则电 容充放电过程是线性的，控制充电速率I1是放电12的2倍。当下一个时钟周期脉冲过来 时，断开充电恒流源I1，接通放电恒流源12,给电容C放电。如此重复，形成一个充放电的 过程，逻辑电路G控制充电恒流源11和放电恒流源12给电容C充放电。从第一个放电周 期开始，记录电容C从充电翻转到放电时刻的电压，得到的一系列轨道点，可得到的符号序 列计算出待测电压Us，对应的计算公式为：
[0025] 如图2所示，本发明所述的混沌检测电路，主要包括充电恒流源模块、放电恒流源 模块、充放电电容C、逻辑控制电路和比较器U3A。其中，充电恒流源模块作为充放电电容C 的恒流充电电源，放电恒流源模块作为充放电电容C的恒流放电电源，逻辑控制电路控制 充放电电容C充电和放电，比较器U3A将充放电电容C的电压与基准电压相比较。
[0026] 优选的，充电恒流源模块包括第一运算放大器U2A和第二运算放大器U2B，其中第 二运算放大器U2B作为电压跟随器，第一运算放大器U2A作为放大器。第一运算放大器U2A 的正输入端连接第一电阻R1的一端，第一电阻R 1的另一端连接正电源+5V，正电源+5V为 充电恒流源模块的供电电压。第一运算放大器U2A的负输入端连接第三电阻R3的一端，第 三电阻R3的另一端接地GND;第一运算放大器U2A的负输入端还通过第四电阻R4与其输出 端连接，其输出端还连接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B 的正输入端连接。第二运算放大器U2B的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过第二 电阻R2与第一运算放大器U2A的正输入端连接。第一运算放大器U2A和第二运算放大器 U2B的电源正极均接+5V电压，电源负极均接-5V电压。R1、R2、R3、R4和R5的作用在于调 节充电恒流源模块的输出电流。在本实施例中，第一运算放大器U2A和第二运算放大器U2B 均采用LM324运算放大器。
[0027] 第一运算放大器U2A的输出电压为：
[0029]式中：
[0030]V02为第一运算放大器U2A的输出电压；
[0031]V01为第二运算放大器U2B的输出电压；
[0032]VU2B_为第二运算放大器的电源负极供电电压；
[0033]VU2B+为第二运算放大器的电源正极供电电压；
[0034]VI为充电恒流源模块的供电电压。
[0035] 则流过第五电阻R5的电流为：
[0036]
[0037]若取Rl=R2 =R3 =R4,（3)式简化为
[0039] 故只要改变输入充电恒流源模块的供电电压VI的极性和大小，以及第五电阻R5 的阻值大小就可以控制I1，取VI= 5V，R5 = 2. 27kD，得到I1 = 2. 2mA。
[0040] 优选的，放电恒流源模块包括第三运算放大器U2C和第四运算放大器U2D，其中第 四运算放大器U2D作为电压跟随器，第三运算放大器U2C作为放大器。第三运算放大器的 正输入端U2C连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接负电源-5V，负电源-5V 为放电恒流源模块的供电电压；第三运算放大器U2C的负输入端连接第八电阻R8的一端， 第八电阻R8的另一端接地GND;第三运算放大器U2C的负输入端还通过第九电阻R9与其 输出端连接，其输出端还连接第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端与第四运算放大 器U2D的正输入端连接，第四运算放大器U2D的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过 第七电阻R7与第三运算放大器U2C的正输入端连接。第三运算放大器U2C和第四运算放 大器U2D的电源正极均接+5V电压，电源负极均接-5V电压。R6、R7、R8、R9和R10的作用 在于调节放电恒流源模块的输出电流。在本实施例中，第三运算放大器U2C和第四运算放 大器U2D均采用LM324运算放大器。
[0041] 按照充电恒流源模块的计算方法，同理可得到放电恒流源模块的电流输出12, 12 =-1.lmA〇
[0042] 优选的，逻辑控制电路包括模拟开关U1和单片机U3。在本实施例中，模拟开关U1 选用MAX333CPP芯片，单片机U3选用STC89C52芯片。待测信号Us连接模拟开关U1的常 开端N02,第五电阻R5与第二运算放大器U2B正输入端之间的节点连接模拟开关U1的常开 端N01，第十电阻R10与第四运算放大器U2D正输入端之间的节点连接模拟开关U1的常开 端N04。模拟开关U1的公共端C0M1、COM2和COM4均与充放电电容C的正极连接，充放电 电容C的负极接地GND。模拟开关U1的电源正极V+接入+5V的供电电源，电源负极V-接 入-5V的供电电源，模拟开关U1的引脚GND接地GND。模拟开关的控制端IN1与单片机的 输入/输出端P2. 1连接，控制端IN2与单片机的输入/输出端P2. 0连接，控制端IN4与单 片机的输入/输出端P2. 2连接。单片机U3的复位端RST接入复位电路，复位电路连接第 一电阻R1，单片机U3的晶振输入端XTAL1和晶振输出端XTAL2接入外部晶振电路。单片机 U3的电源正极VCC和引脚VPP均接入+5V的供电电源，单片机U3的引脚GND接地GND。单 片机U3根据输入的高低电平判断输出端P2. 2，P2. 1的电平，从而控制模拟开关U1的IN1， IN4,达到有效控制充放电电容C充放电的目的。P2. 0脚则控制模拟开关U1的IN2,从而控 制待测电压Us给充放电电容C充电的时间。
[0043] 优选的，比较器U3A的正输入端连接充放电电容C的正极，比较器U3A的负输入端 连接基准电压，比较器U3A的输出端连接单片机U3的输入/输出端P2. 5。基准电压的范 围为0-10mV，优先选用10mV。优选10mV的原因是：①若基准电压取0V时，比较器U3A不能 在输入电压等于基准电压0V时作出判断，而是等到电容电压低于0V才发生翻转；②单片机 U3处理有延时，若基准电压取得过于低，很有可能在单片机U3来不及控制模拟开关U1的时 候就已经电容放电到低于0V，因此实验过程中取lOmV比较合适。比较器U3A为电压比较 器，在本实施例中，采用型号为LM393的电压比较器。当比较器U3A检测到正输入端的电压 比负输入端高时，输出高电平。否则，输出低电平。
[0044] 优选的，复位电路包括相互串联的第十一电阻R11和第三电容C3,第十一电阻R11 与第三电容C3之间的节点连接单片机U3的复位端RST，第三电容C3的另一端连接第一电 阻R1，第i^一电阻R11的另一端接地GND。
[0045] 优选的，外部晶振电路包括第一电容C1、第二电容C2和晶体振荡器Y，晶体振荡器 Y的一端连接第一电容C1的一端，晶体振荡器Y的另一端连接第二电容C2的一端，第一电 容C1和第二电容C2的另一端均接地GND，第二电容C2和晶体振荡器Y之间的交点连接单 片机U3的晶振输入端XTAL1，第一电容C1与晶体振荡器Y之间的节点连接单片机U3的晶 振输出端XTAL2。
[0046] 本发明的工作过程：模拟开关U1的控制端控制其公共端和常开端的接通和断开， 单片机U3的输入/输出端P2. 0输出高电平时，模拟开关U1的控制端IN2输入高电平，公共 端COM2和常开端N02接通；单片机U3的输入/输出端P2.0输出低电平时，模拟开关U1的 控制端IN2输入低电平，公共端COM2和常开端N02断开。单片机U3的输入/输出端P2. 1 输出高电平时，模拟开关U1的控制端IN1输入高电平，公共端C0M1和常开端N01接通，否则 断开。单片机U3的输入/输出端P2. 2输出高电平时，模拟开关U1的控制端IN4输入高电 平，公共端COM4和常开端N04接通，否则断开。待测电压Us给充放电电容C充电，直到电 容电压Uc等于Us，单片机U3的输入/输出端P2. 0输出低电平，模拟开关U1的控制端IN2 输入低电平，断开公共端COM2和常开端N02，Us不能给充放电电容C充电。给单片机U3设 定时中断，当第一个时钟周期到来时，单片机U3进入定时中断模式，单片机U3的输入/输 出端P2. 2输出高电平，模拟开关U1的控制端IN4输入高电平，接通公共端COM4和常开端 N04,充放电电容C开始放电。当电容电压小于10mV时，比较器U3A翻转，单片机U3接收到 信号，停止定时中断模式，返回源程序继续执行，单片机U3的输入/输出端P2. 2变为低电 平，P2. 1输出高电平，模拟开关U1的公共端COM4和常开端N04断开，公共端C0M1和常开 端N01接通，充放电电容C开始充电，直到下个周期时钟到来。进入定时中断磨齿，单片机 U3的输入/输出端P2. 2变为高电平，P2. 1输出低电平，模拟开关U1的公共端COM4和常开 端N04接通，公共端C0M1和常开端N01断开，充放电电容C开始放 电，如此重复。使用示波 器观察并记录充放电电容C开始充放电的前10个周期电压。
[0047] 然后根据符号动力学，轨道点跟阈值（电路测量量程的一半）大小进行比较，判断 轨道点的符号字母，得到符号序列S〇sls2. . .sn...，最后根据混沌检测电路的迭代关系公 式（1)计算出待测信号的初始值。
[0048] 符号序列s0sls2. . .sn...选取的位数不同，其精确度也不一样，若只是选取符号 序列前面的几位，忽略后面符号序列，其具有一定的噪声免疫性。电路中有微弱的噪声时， 混沌轨道迭代的结果会有微弱的偏差，但这种偏差在经过阈值判断后得到的符号序列要到 后面才能体现出来。因而选取的符号序列位数较低时，具有一定的噪声免疫性。
[0049] 假设待测信号V1= 0. 2294V，加上噪声N= 0. 0002V后的信号V2 = 0. 2296V，如图 9所示，虚线为模型仿真轨迹，对应的符号序列Q1为1001 0110 1001 0100 0110;实 线为^的模型仿真轨迹，对应的符号序列Q2为1001 0110 1011 1001 1011。可以观察到 两个符号序列的前面10位的符号序列Q3都为1001 0110 10,根据公式（1)计算出Q3对应 的信号为〇. 2293945V ~ 0. 2294V = Vi。故所取的符号序列位数较低时，检测微弱信号具有 一定的噪声免疫性。
[0050] 如图3-6所示，为不同待测信号值相同位数符号序列的混沌轨道：
[0051] 图3初始值为16. 6mV时的混沌轨道，实测值为17. OmV ;
[0052] 图4初始值为69. 6mV时的混沌轨道，实测值为66. 5mV ;
[0053] 图5初始值为182mV时的混沌轨道，实测值为183. 7mV ;
[0054] 图6初始值为273mV时的混沌轨道，实测值为266. 3mV。
[0055] 如图7-8所示，为相同待测信号值不同位数符号序列的混沌轨道：
[0056] 图7取10位符号序列，初始值为135. 7mV，实测值为135. 3516mV ;
[0057] 图8取20位符号序列，初始值为135. 7mV，实测值为135. 4171mV。
[0058] 从以上电路测量结果看，实验的实测误差都在5%以内，误差主要来源于充电恒流 源与放电恒流源的精度有限、单片机控制逻辑电路转换需要一定的程序执行时间、比较器 的参考电压不是严格的等于0V等。实验使用的器件成本较低，电源的精度在0. 2%、纹波电 压为120mV时，从测量的结果看，倒锯齿混沌检测电路可以实现高精度测量信号初值电压， 同时测量符号序列位数越多，测量的精度越高。这在微弱信号检测上有很好的优势，故混沌 检测电路可应用在微弱信号检测领域。
[0059] 本发明不需要AD转换就能测出微弱信号，测量分辨率比AD转换高。混沌检测电 路的分辨率由取的符号序列位数跟测量量程共同确定。可通过调节电路参数电容值、脉冲 周期周期、放电恒流源的大小改变测量量程，测量的符号序列位数越高，测量的精度越高。
[0060] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上技术方案以及构思，做出其他各种相应 的改变以及变形，而所有的这些改变和变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种混沌检测电路，其特征在于：包括充电恒流源模块、放电恒流源模块、充放电电 容、逻辑控制电路和比较器，所述充电恒流源模块作为充放电电容的恒流充电电源，所述放 电恒流源模块作为充放电电容的恒流放电电源，所述逻辑控制电路控制充放电电容充电和 放电，所述比较器将充放电电容的电压与基准电压相比较。2. 根据权利要求1所述的混沌检测电路，其特征在于：所述充电恒流源模块包括第一 运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的正输入端连接第一电阻的一端，所 述第一电阻的另一端连接正电源，所述第一运算放大器的负输入端连接第三电阻的一端， 所述第三电阻的另一端接地，所述第一运算放大器的负输入端还通过第四电阻与其输出端 连接，其输出端还连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端与第二运算放大器的正输 入端连接，所述第二运算放大器的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过第二电阻与 第一运算放大器的正输入端连接。3. 根据权利要求1或2所述的混沌检测电路，其特征在于：所述放电恒流源模块包括 第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器的正输入端连接第六电阻的一 端，所述第六电阻的另一端连接负电源，所述第三运算放大器的负输入端连接第八电阻的 一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第三运算放大器的负输入端还通过第九电阻与其 输出端连接，其输出端还连接第十电阻的一端，第十电阻的另一端与第四运算放大器的正 输入端连接，所述第四运算放大器的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过第七电阻 与第三运算放大器的正输入端连接。4. 根据权利要求3所述的混沌检测电路，其特征在于：所述逻辑控制电路包括模拟开 关和单片机，待测信号、所述第五电阻与第二运算放大器正输入端之间的节点、以及所述第 十电阻与第四运算放大器正输入端之间的节点分别连接模拟开关的三个常开端，所述模拟 开关其中三个公共端分别与充放电电容的正极连接，所述充放电电容的负极接地，所述模 拟开关其中三个控制端分别与单片机的三个输入/输出端连接，所述单片机的复位端连接 复位电路，所述复位电路连接第一电阻，所述单片机的晶振输入端和晶振输出端连接外部 晶振电路。5. 根据权利要求4所述的混沌检测电路，其特征在于：所述比较器的正输入端连接充 放电电容的正极，所述比较器的负输入端连接基准电压，所述比较器的输出端连接单片机 其中一个输入/输出端。6. 根据权利要求5所述的混沌检测电路，其特征在于：所述基准电压为0-10mV。7. 根据权利要求4所述的混沌检测电路，其特征在于：所述复位电路包括相互串联的 第十一电阻和第三电容，所述第十一电阻与第三电容之间的节点连接单片机的复位端连 接，所述第三电容的另一端连接第一电阻，所述第十一电阻的另一端接地。8. 根据权利要求4或7所述的混沌检测电路，其特征在于：所述外部晶振电路包括第 一电容、第二电容和晶体振荡器，所述晶体振荡器的一端连接第一电容的一端，所述晶体振 荡器的另一端连接第二电容的一端，所述第一电容和第二电容的另一端均接地，所述第二 电容与晶体振荡器之间的节点连接单片机的晶振输入端，所述第一电容与晶体振荡器之间 的节点连接单片机的晶振输出端。9. 根据权利要求1所述的混沌检测电路，其特征在于：所述比较器为电压比较器。10. 根据权利要求4所述的混沌检测电路，其特征在于：所述模拟开关的型号为
【专利摘要】本发明涉及微弱信号检测领域，尤其涉及用于检测微弱信号的混沌检测电路，主要包括充电恒流源模块、放电恒流源模块、充放电电容、逻辑控制电路和比较器，所述充电恒流源模块作为充放电电容的恒流充电电源，所述放电恒流源模块作为充放电电容的恒流放电电源，所述逻辑控制电路控制充放电电容充电和放电，所述比较器将充放电电容的电压与基准电压相比较。本发明不需要AD转换就能测出微弱信号，测量分辨率比AD转换高。而所采用到的处理芯片、比较器等电路元件都是很低价的，成本低廉，适合推广，且测量结果精度能达到5％，满足一般的检测微弱信号的要求。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN104898528
【申请号】CN201510350027
【发明人】杨汝, 王燕芬, 冯锦澎
【申请人】广州大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月19日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微弱信号检测领域，尤其涉及用于检测微弱信号的混沌检测电路。
【背景技术】
[0002] 混沌理论应用于信息检测是现阶段混沌学发展的主要趋势之一。混沌检测利用混 沌的固有特性一一初值敏感性对微弱信号进行检测，可在金属探测、超声波液位检测、机械 设备的齿轮故障检测等众多领域中应用。从符号动力学看，初值与系统运动轨迹在一定的 时间内是一一对应的，初始值的细微变化量可以采用符号动力学分析方法高精度测量，从 而可以应用于微弱信号的检测。
[0003] 国内外出版物上公开发表过的混沌检测电路实验，有些只能对大于某临界值的微 弱信号的进行探测，却不能将其进行数字化测量。如山东大学博士生胡文静在2012年的 博士学位论文《用于金属探测的混沌阵子系列研宄》中提出一种改进的L-Y检测电路并在 金属探测器进行了初步的实验，只有调整电压到临界值，才能探测到微弱信号，并不能准确 测量其探测信号值；有些虽然可用于微弱信号的直接数字化测量，精度也较高，但其代价是 实现的检测电路更复杂，对仪器硬件等要求比较高，因此，制作成本也比较高。如西南理工 大学硕士生李虎明在2005年的硕士论文《小信号混沌检测研宄》提到的贝努力映射型混沌 AD/转换电路实验，逻辑控制采用ATLERA公司的CPLD型号为EPM7128SLC84-15芯片，价格 偏贵。再如浙江大学博士生金文光在2003年的博士论文《小信号混沌动力学测量研宄》中 提出了混沌电路的耦合消除混沌测量噪声的新方法和有源积分式混沌测量电路抑制噪声 来提高测量精度，电路耦合需要两个或两个以上测量的电路进行耦合，而有源积分则需要 多个积分器抑制电路中的噪声，其缺点是增加电路的复杂性，同时也增加了成本。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种成本低廉、检测结果精确 的混沌检测电路。
[0005] 为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：
[0006] -种混沌检测电路，包括充电恒流源模块、放电恒流源模块、充放电电容、逻辑控 制电路和比较器，所述充电恒流源模块作为充放电电容的恒流充电电源，所述放电恒流源 模块作为充放电电容的恒流放电电源，所述逻辑控制电路控制充放电电容充电和放电，所 述比较器将充放电电容的电压与基准电压相比较。
[0007] 进一步的，所述充电恒流源模块包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第 一运算放大器的正输入端连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接正电源，所述 第一运算放大器的负输入端连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，所述第一 运算放大器的负输入端还通过第四电阻与其输出端连接，其输出端还连接第五电阻的一 端，所述第五电阻的另一端与第二运算放大器的正输入端连接，所述第二运算放大器的负 输入端与其输出端短接，其输出端还通过第二电阻与第一运算放大器的正输入端连接。
[0008] 进一步的，所述放电恒流源模块包括第三运算放大器和第四运算放大器，所述第 三运算放大器的正输入端连接第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接负电源，所述 第三运算放大器的负输入端连接第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第三 运算放大器的负输入端还通过第九电阻与其输出端连接，其输出端还连接第十电阻的一 端，第十电阻的另一端与第四运算放大器的正输入端连接，所述第四运算放大器的负输入 端与其输出端短接，其输出端还通过第七电阻与第三运算放大器的正输入端连接。
[0009] 进一步的，所述逻辑控制电路包括模拟开关和单片机，待测信号、所述第五电阻与 第二运算放大器正输入端之间的节点、以及所述第十电阻与第四运算放大器正输入端之间 的节点分别连接模拟开关的三个常开端，所述模拟开关其中三个公共端分别与充放电电容 的正极连接，所述充放电电容的负极接地，所述模拟开关其中三个控制端分别与单片机的 三个输入/输出端连接，所述单片机的复位端连接复位电路，所述复位电路连接第一电阻， 所述单片机的晶振输入端和晶振输出端连接外部晶振电路。
[0010] 进一步的，所述比较器的正输入端连接充放电电容的正极，所述比较器的负输入 端连接基准电压，所述比较器的输出端连接单片机其中一个输入/输出端。
[0011] 进一步的，所述基准电压为0-10mV。
[0012] 进一步的，所述复位电路包括相互串联的第十一电阻和第三电容，所述第十一电 阻与第三电容之间的节点连接单片机的复位端连接，所述第三电容的另一端连接第一电 阻，所述第十一电阻的另一端接地。
[0013] 进一步的，所述外部晶振电路包括第一电容、第二电容和晶体振荡器，所述晶体振 荡器的一端连接第一电容的一端，所述晶体振荡器的另一端连接第二电容的一端，所述第 一电容和第二电容的另一端均接地，所述第二电容与晶体振荡器之间的节点连接单片机的 晶振输入端，所述第一电容与晶体振荡器之间的节点连接单片机的晶振输出端。
[0014] 进一步的，所述比较器为电压比较器。
[0015] 进一步的，所述模拟开关的型号为MAX333CPP，所述单片机的型号为STC89C52。
[0016] 本发明不需要AD转换就能测出微弱信号，测量分辨率比AD转换高。而所采用到 的处理芯片、比较器等电路元件都是很低价的，成本低廉，适合推广，且测量结果精度能达 到5%，满足一般的检测微弱信号的要求。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的原理图；
[0018] 图2是本发明的电路图；
[0019] 图3-6是不同待测信号值相同位数符号序列的混沌轨道；
[0020] 图7-8是相同待测信号值不同位数符号序列的混沌轨道；
[0021] 图9是待测信号以及加上噪声后信号的模型仿真轨迹。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步的说明：
[0023] 如图1所示，混沌检测电路以倒锯齿映射为模型，对输入的待测信号初始值 进行迭代，得到一条轨道。具体迭代过程为：输入待测信号初值Us，给电容C充电到电 容电压Uc等于待测信号初值Us，断开待测信号开关K3。当一个时钟周期脉冲CLK到 达逻辑电路G时，G输出信号接通放电恒流源12,让电容C放电。电容电压Uc等于0V 时，断开放电恒流源12,接通充电恒流源I1，给电容C充电，因为电容充放电的过程为
，，若i(U为恒流源，即i(U为常数，则电 容充放电过程是线性的，控制充电速率I1是放电12的2倍。当下一个时钟周期脉冲过来 时，断开充电恒流源I1，接通放电恒流源12,给电容C放电。如此重复，形成一个充放电的 过程，逻辑电路G控制充电恒流源11和放电恒流源12给电容C充放电。从第一个放电周 期开始，记录电容C从充电翻转到放电时刻的电压，得到的一系列轨道点，可得到的符号序 列计算出待测电压Us，对应的计算公式为：
[0025] 如图2所示，本发明所述的混沌检测电路，主要包括充电恒流源模块、放电恒流源 模块、充放电电容C、逻辑控制电路和比较器U3A。其中，充电恒流源模块作为充放电电容C 的恒流充电电源，放电恒流源模块作为充放电电容C的恒流放电电源，逻辑控制电路控制 充放电电容C充电和放电，比较器U3A将充放电电容C的电压与基准电压相比较。
[0026] 优选的，充电恒流源模块包括第一运算放大器U2A和第二运算放大器U2B，其中第 二运算放大器U2B作为电压跟随器，第一运算放大器U2A作为放大器。第一运算放大器U2A 的正输入端连接第一电阻R1的一端，第一电阻R 1的另一端连接正电源+5V，正电源+5V为 充电恒流源模块的供电电压。第一运算放大器U2A的负输入端连接第三电阻R3的一端，第 三电阻R3的另一端接地GND;第一运算放大器U2A的负输入端还通过第四电阻R4与其输出 端连接，其输出端还连接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B 的正输入端连接。第二运算放大器U2B的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过第二 电阻R2与第一运算放大器U2A的正输入端连接。第一运算放大器U2A和第二运算放大器 U2B的电源正极均接+5V电压，电源负极均接-5V电压。R1、R2、R3、R4和R5的作用在于调 节充电恒流源模块的输出电流。在本实施例中，第一运算放大器U2A和第二运算放大器U2B 均采用LM324运算放大器。
[0027] 第一运算放大器U2A的输出电压为：
[0029]式中：
[0030]V02为第一运算放大器U2A的输出电压；
[0031]V01为第二运算放大器U2B的输出电压；
[0032]VU2B_为第二运算放大器的电源负极供电电压；
[0033]VU2B+为第二运算放大器的电源正极供电电压；
[0034]VI为充电恒流源模块的供电电压。
[0035] 则流过第五电阻R5的电流为：
[0036]
[0037]若取Rl=R2 =R3 =R4,（3)式简化为
[0039] 故只要改变输入充电恒流源模块的供电电压VI的极性和大小，以及第五电阻R5 的阻值大小就可以控制I1，取VI= 5V，R5 = 2. 27kD，得到I1 = 2. 2mA。
[0040] 优选的，放电恒流源模块包括第三运算放大器U2C和第四运算放大器U2D，其中第 四运算放大器U2D作为电压跟随器，第三运算放大器U2C作为放大器。第三运算放大器的 正输入端U2C连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接负电源-5V，负电源-5V 为放电恒流源模块的供电电压；第三运算放大器U2C的负输入端连接第八电阻R8的一端， 第八电阻R8的另一端接地GND;第三运算放大器U2C的负输入端还通过第九电阻R9与其 输出端连接，其输出端还连接第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端与第四运算放大 器U2D的正输入端连接，第四运算放大器U2D的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过 第七电阻R7与第三运算放大器U2C的正输入端连接。第三运算放大器U2C和第四运算放 大器U2D的电源正极均接+5V电压，电源负极均接-5V电压。R6、R7、R8、R9和R10的作用 在于调节放电恒流源模块的输出电流。在本实施例中，第三运算放大器U2C和第四运算放 大器U2D均采用LM324运算放大器。
[0041] 按照充电恒流源模块的计算方法，同理可得到放电恒流源模块的电流输出12, 12 =-1.lmA〇
[0042] 优选的，逻辑控制电路包括模拟开关U1和单片机U3。在本实施例中，模拟开关U1 选用MAX333CPP芯片，单片机U3选用STC89C52芯片。待测信号Us连接模拟开关U1的常 开端N02,第五电阻R5与第二运算放大器U2B正输入端之间的节点连接模拟开关U1的常开 端N01，第十电阻R10与第四运算放大器U2D正输入端之间的节点连接模拟开关U1的常开 端N04。模拟开关U1的公共端C0M1、COM2和COM4均与充放电电容C的正极连接，充放电 电容C的负极接地GND。模拟开关U1的电源正极V+接入+5V的供电电源，电源负极V-接 入-5V的供电电源，模拟开关U1的引脚GND接地GND。模拟开关的控制端IN1与单片机的 输入/输出端P2. 1连接，控制端IN2与单片机的输入/输出端P2. 0连接，控制端IN4与单 片机的输入/输出端P2. 2连接。单片机U3的复位端RST接入复位电路，复位电路连接第 一电阻R1，单片机U3的晶振输入端XTAL1和晶振输出端XTAL2接入外部晶振电路。单片机 U3的电源正极VCC和引脚VPP均接入+5V的供电电源，单片机U3的引脚GND接地GND。单 片机U3根据输入的高低电平判断输出端P2. 2，P2. 1的电平，从而控制模拟开关U1的IN1， IN4,达到有效控制充放电电容C充放电的目的。P2. 0脚则控制模拟开关U1的IN2,从而控 制待测电压Us给充放电电容C充电的时间。
[0043] 优选的，比较器U3A的正输入端连接充放电电容C的正极，比较器U3A的负输入端 连接基准电压，比较器U3A的输出端连接单片机U3的输入/输出端P2. 5。基准电压的范 围为0-10mV，优先选用10mV。优选10mV的原因是：①若基准电压取0V时，比较器U3A不能 在输入电压等于基准电压0V时作出判断，而是等到电容电压低于0V才发生翻转；②单片机 U3处理有延时，若基准电压取得过于低，很有可能在单片机U3来不及控制模拟开关U1的时 候就已经电容放电到低于0V，因此实验过程中取lOmV比较合适。比较器U3A为电压比较 器，在本实施例中，采用型号为LM393的电压比较器。当比较器U3A检测到正输入端的电压 比负输入端高时，输出高电平。否则，输出低电平。
[0044] 优选的，复位电路包括相互串联的第十一电阻R11和第三电容C3,第十一电阻R11 与第三电容C3之间的节点连接单片机U3的复位端RST，第三电容C3的另一端连接第一电 阻R1，第i^一电阻R11的另一端接地GND。
[0045] 优选的，外部晶振电路包括第一电容C1、第二电容C2和晶体振荡器Y，晶体振荡器 Y的一端连接第一电容C1的一端，晶体振荡器Y的另一端连接第二电容C2的一端，第一电 容C1和第二电容C2的另一端均接地GND，第二电容C2和晶体振荡器Y之间的交点连接单 片机U3的晶振输入端XTAL1，第一电容C1与晶体振荡器Y之间的节点连接单片机U3的晶 振输出端XTAL2。
[0046] 本发明的工作过程：模拟开关U1的控制端控制其公共端和常开端的接通和断开， 单片机U3的输入/输出端P2. 0输出高电平时，模拟开关U1的控制端IN2输入高电平，公共 端COM2和常开端N02接通；单片机U3的输入/输出端P2.0输出低电平时，模拟开关U1的 控制端IN2输入低电平，公共端COM2和常开端N02断开。单片机U3的输入/输出端P2. 1 输出高电平时，模拟开关U1的控制端IN1输入高电平，公共端C0M1和常开端N01接通，否则 断开。单片机U3的输入/输出端P2. 2输出高电平时，模拟开关U1的控制端IN4输入高电 平，公共端COM4和常开端N04接通，否则断开。待测电压Us给充放电电容C充电，直到电 容电压Uc等于Us，单片机U3的输入/输出端P2. 0输出低电平，模拟开关U1的控制端IN2 输入低电平，断开公共端COM2和常开端N02，Us不能给充放电电容C充电。给单片机U3设 定时中断，当第一个时钟周期到来时，单片机U3进入定时中断模式，单片机U3的输入/输 出端P2. 2输出高电平，模拟开关U1的控制端IN4输入高电平，接通公共端COM4和常开端 N04,充放电电容C开始放电。当电容电压小于10mV时，比较器U3A翻转，单片机U3接收到 信号，停止定时中断模式，返回源程序继续执行，单片机U3的输入/输出端P2. 2变为低电 平，P2. 1输出高电平，模拟开关U1的公共端COM4和常开端N04断开，公共端C0M1和常开 端N01接通，充放电电容C开始充电，直到下个周期时钟到来。进入定时中断磨齿，单片机 U3的输入/输出端P2. 2变为高电平，P2. 1输出低电平，模拟开关U1的公共端COM4和常开 端N04接通，公共端C0M1和常开端N01断开，充放电电容C开始放 电，如此重复。使用示波 器观察并记录充放电电容C开始充放电的前10个周期电压。
[0047] 然后根据符号动力学，轨道点跟阈值（电路测量量程的一半）大小进行比较，判断 轨道点的符号字母，得到符号序列S〇sls2. . .sn...，最后根据混沌检测电路的迭代关系公 式（1)计算出待测信号的初始值。
[0048] 符号序列s0sls2. . .sn...选取的位数不同，其精确度也不一样，若只是选取符号 序列前面的几位，忽略后面符号序列，其具有一定的噪声免疫性。电路中有微弱的噪声时， 混沌轨道迭代的结果会有微弱的偏差，但这种偏差在经过阈值判断后得到的符号序列要到 后面才能体现出来。因而选取的符号序列位数较低时，具有一定的噪声免疫性。
[0049] 假设待测信号V1= 0. 2294V，加上噪声N= 0. 0002V后的信号V2 = 0. 2296V，如图 9所示，虚线为模型仿真轨迹，对应的符号序列Q1为1001 0110 1001 0100 0110;实 线为^的模型仿真轨迹，对应的符号序列Q2为1001 0110 1011 1001 1011。可以观察到 两个符号序列的前面10位的符号序列Q3都为1001 0110 10,根据公式（1)计算出Q3对应 的信号为〇. 2293945V ~ 0. 2294V = Vi。故所取的符号序列位数较低时，检测微弱信号具有 一定的噪声免疫性。
[0050] 如图3-6所示，为不同待测信号值相同位数符号序列的混沌轨道：
[0051] 图3初始值为16. 6mV时的混沌轨道，实测值为17. OmV ;
[0052] 图4初始值为69. 6mV时的混沌轨道，实测值为66. 5mV ;
[0053] 图5初始值为182mV时的混沌轨道，实测值为183. 7mV ;
[0054] 图6初始值为273mV时的混沌轨道，实测值为266. 3mV。
[0055] 如图7-8所示，为相同待测信号值不同位数符号序列的混沌轨道：
[0056] 图7取10位符号序列，初始值为135. 7mV，实测值为135. 3516mV ;
[0057] 图8取20位符号序列，初始值为135. 7mV，实测值为135. 4171mV。
[0058] 从以上电路测量结果看，实验的实测误差都在5%以内，误差主要来源于充电恒流 源与放电恒流源的精度有限、单片机控制逻辑电路转换需要一定的程序执行时间、比较器 的参考电压不是严格的等于0V等。实验使用的器件成本较低，电源的精度在0. 2%、纹波电 压为120mV时，从测量的结果看，倒锯齿混沌检测电路可以实现高精度测量信号初值电压， 同时测量符号序列位数越多，测量的精度越高。这在微弱信号检测上有很好的优势，故混沌 检测电路可应用在微弱信号检测领域。
[0059] 本发明不需要AD转换就能测出微弱信号，测量分辨率比AD转换高。混沌检测电 路的分辨率由取的符号序列位数跟测量量程共同确定。可通过调节电路参数电容值、脉冲 周期周期、放电恒流源的大小改变测量量程，测量的符号序列位数越高，测量的精度越高。
[0060] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上技术方案以及构思，做出其他各种相应 的改变以及变形，而所有的这些改变和变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种混沌检测电路，其特征在于：包括充电恒流源模块、放电恒流源模块、充放电电 容、逻辑控制电路和比较器，所述充电恒流源模块作为充放电电容的恒流充电电源，所述放 电恒流源模块作为充放电电容的恒流放电电源，所述逻辑控制电路控制充放电电容充电和 放电，所述比较器将充放电电容的电压与基准电压相比较。2. 根据权利要求1所述的混沌检测电路，其特征在于：所述充电恒流源模块包括第一 运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的正输入端连接第一电阻的一端，所 述第一电阻的另一端连接正电源，所述第一运算放大器的负输入端连接第三电阻的一端， 所述第三电阻的另一端接地，所述第一运算放大器的负输入端还通过第四电阻与其输出端 连接，其输出端还连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端与第二运算放大器的正输 入端连接，所述第二运算放大器的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过第二电阻与 第一运算放大器的正输入端连接。3. 根据权利要求1或2所述的混沌检测电路，其特征在于：所述放电恒流源模块包括 第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器的正输入端连接第六电阻的一 端，所述第六电阻的另一端连接负电源，所述第三运算放大器的负输入端连接第八电阻的 一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第三运算放大器的负输入端还通过第九电阻与其 输出端连接，其输出端还连接第十电阻的一端，第十电阻的另一端与第四运算放大器的正 输入端连接，所述第四运算放大器的负输入端与其输出端短接，其输出端还通过第七电阻 与第三运算放大器的正输入端连接。4. 根据权利要求3所述的混沌检测电路，其特征在于：所述逻辑控制电路包括模拟开 关和单片机，待测信号、所述第五电阻与第二运算放大器正输入端之间的节点、以及所述第 十电阻与第四运算放大器正输入端之间的节点分别连接模拟开关的三个常开端，所述模拟 开关其中三个公共端分别与充放电电容的正极连接，所述充放电电容的负极接地，所述模 拟开关其中三个控制端分别与单片机的三个输入/输出端连接，所述单片机的复位端连接 复位电路，所述复位电路连接第一电阻，所述单片机的晶振输入端和晶振输出端连接外部 晶振电路。5. 根据权利要求4所述的混沌检测电路，其特征在于：所述比较器的正输入端连接充 放电电容的正极，所述比较器的负输入端连接基准电压，所述比较器的输出端连接单片机 其中一个输入/输出端。6. 根据权利要求5所述的混沌检测电路，其特征在于：所述基准电压为0-10mV。7. 根据权利要求4所述的混沌检测电路，其特征在于：所述复位电路包括相互串联的 第十一电阻和第三电容，所述第十一电阻与第三电容之间的节点连接单片机的复位端连 接，所述第三电容的另一端连接第一电阻，所述第十一电阻的另一端接地。8. 根据权利要求4或7所述的混沌检测电路，其特征在于：所述外部晶振电路包括第 一电容、第二电容和晶体振荡器，所述晶体振荡器的一端连接第一电容的一端，所述晶体振 荡器的另一端连接第二电容的一端，所述第一电容和第二电容的另一端均接地，所述第二 电容与晶体振荡器之间的节点连接单片机的晶振输入端，所述第一电容与晶体振荡器之间 的节点连接单片机的晶振输出端。9. 根据权利要求1所述的混沌检测电路，其特征在于：所述比较器为电压比较器。10. 根据权利要求4所述的混沌检测电路，其特征在于：所述模拟开关的型号为
【专利摘要】本发明涉及微弱信号检测领域，尤其涉及用于检测微弱信号的混沌检测电路，主要包括充电恒流源模块、放电恒流源模块、充放电电容、逻辑控制电路和比较器，所述充电恒流源模块作为充放电电容的恒流充电电源，所述放电恒流源模块作为充放电电容的恒流放电电源，所述逻辑控制电路控制充放电电容充电和放电，所述比较器将充放电电容的电压与基准电压相比较。本发明不需要AD转换就能测出微弱信号，测量分辨率比AD转换高。而所采用到的处理芯片、比较器等电路元件都是很低价的，成本低廉，适合推广，且测量结果精度能达到5％，满足一般的检测微弱信号的要求。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN104898528
【申请号】CN201510350027
【发明人】杨汝, 王燕芬, 冯锦澎
【申请人】广州大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月19日
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