2022TI杯D题混沌信号产生实验装置

前言

    如题所示，刚刚参加完2022年TI杯电子设计大赛D题混沌信号产生实验装置的设计。依据经典蔡氏电路使用电阻、电容和5个运放芯片进行电路设计，单电源供电，利用双通道示波器进行相图观察，实现了单周期信号、双倍周期信号，幅值不小于输入电源$80\%$的单螺旋信号和双螺旋信号。
    其中未完成三倍周期信号和带宽40MHZ的设计。
    写下这篇文章作为记录，以及供后来训练的人来作为电路参考设计。

总体方案描述

    如下图所示，该电路为我们组实验完成的全部实际电路设计。

图 1 总体实际电路     系统采用经典的蔡氏电路进行设计，由于单电源供电的限制，采用稳压芯片对5V输入电源进行2.5V稳压，通过拨码开关对可调电阻进行控制，从而控制系统产生不同的波形，同时将单螺旋信号和双螺旋信号接入运放模块进行放大，达到题目要求的输入电源幅值的80%。

    下面将对每个模块具体参数进行描述。

混沌信号振荡电路设计

    混沌信号产生电路最早由蔡少棠提出，后续也有其他电路如范德坡电路和考必兹电路，进而产生混沌信号。由于题目限制只能用电阻、电容和运放芯片进行设计，选择最经典(最容易找到资料)的蔡氏电路进行设计。
    经典的蔡氏电路包含可变电阻 R（计算时常用其电导 G=1/R 作参数）、电容 C1 和 C2、电感 L 以及非线性负阻 Nr，如下图所示。

图 2 蔡氏电路     由于题目中发挥要求有使用电感，以及不用多于6个运放芯片，我们使用运放进行有源模拟电感的设计，用运放芯片实现非线性负电阻。

    其中由LM324N实现的非线性负电阻的直流传输特性在Multisim上仿真图像如下图所示(好像有点不太像的说)

图 3 非线性负电阻直流传输特性

    总体的设计电路图如下图所示，由4个LM324N运放芯片组成，有源模拟电感和非线性负电阻各2个芯片，运放电路(对两个信号中较大的部分进行放大)由一个OPA354芯片组成。各元件参数需要严格按照电路图中的值进行使用，否则可能导致电路无法起振(问就是换了3种芯片都没有起振的经验)。

图 4 总体电路仿真

运放电路设计

    运放电路采用OPA354轨对轨宽带宽放大芯片进行设计，用正向放大电路进行设计，通过改变反馈电阻R1从而改变放大倍数，我们实际使用的R1大概为13K欧姆，刚好能放大到要求的5V$\times$ 80%=4V，如果采用该电路可以根据实际进行调整。大电容C1与前级之间进行直流隔置，芯片采用单电源+5V进行供电，4脚接地即可(OPA354两脚压差不能超过5.5V，仿真图片是错误的，使用时需要注意，按照该图芯片会直接烧坏)

图 5 运放电路

实际产生波形

    如我在前言中所说，最终该方案实现了单周期信号、双周期信号，不小于输入电源80%的单螺旋信号和双螺旋信号，实际在示波器上观察到的波形如下列图片所示。

    蔡氏电路在只使用电阻、电容以及不超过6个运放的情况下很难达到题目要求的带宽40M，过M的带宽也很难实现，我们没有考虑去达到这个指标，故没有进行相关的设计。

图 6 实际观测波形