電子元件研究

侯香妮

摘 要： 本實驗所建立的非線性電路包括有源非線性負阻、LC振蕩器和RC移相器三部分；采用物理實驗方法研究LC振蕩器產生的正弦波與經過RC移相器移相的正弦波合成的相圖（李薩如圖），觀測振動周期發生的分岔及混沌現象。

關鍵詞： 電子元件；混沌實驗；非線性負阻

【中圖分類號】 0415.5 【文獻標識碼】 A【文章編號】 2236-1879（2018）14-0196-02

引言

混沌實驗研究起源于1963年美國氣象學家洛倫茨（E.lorenz）研究天氣預報時用到的三個動力學方程，后來他在《確定論非周期流》一文中，給出了描述大氣湍流的洛倫茨方程，并提出了著名的“蝴蝶效應”，從而揭開了對非線性科學深入研究的序幕。混沌來自非線性，是非線性系統中存在的一種普遍現象。無論是復雜系統，如氣象系統、太陽系、還是簡單系統，如鐘擺、滴水龍頭等，皆因存在著內在隨機性而出現類似無軌、但實際是非周期有序運動，即混沌現象。

由于電學量（如電壓、電流）易于觀察和顯示，因此非線性電路逐漸成為混沌及混沌同步應用的重要途徑，其中最典型的電路是美國加州大學伯克利分校的蔡少棠教授1985年提出的著名的蔡氏電路（Chuas Circuit）。就實驗而言，可用示波器觀察到電路混沌產生的全過程，并能得到雙渦卷混沌吸引子。

一、實驗目的

觀測振動周期發生的分岔及混沌現象；測量非線性單元電路的電流—電壓特性；了解非線性電路混沌現象的本質；學會自己制作和測量一個使用帶鐵磁材料介質的電感器以及測量非線性器件伏安特性的方法。

二、實驗儀器

非線性電路混沌實驗儀由四位半電壓表（量程0～20，分辨率1）；-15～0～+15穩壓電源和非線性電路混沌實驗線路板三部分組成。觀察倍周期分岔和混沌實驗線路板三部分組成。觀察倍周期分岔和混沌現象用雙蹤示波器。

'FD-NCE-II非線性電路混沌實驗儀，YB4325雙蹤示波器，電阻箱等。

三、實驗原理

利用李雅普諾夫指數λ，相空間內初始時刻的兩點距離將隨時間（迭代次數）作指數分離：

在一維映射中只有一個λ值，而在多位相空間情況下一般就有多個λ，而且沿著相空間的不同方向，λ值一般也不同。

設ε0為多維相空間中兩點的初始距離，經過n次迭代以后兩點間的距離為：

式中指數λi可正可負，當其為正時表示沿該方向擴展，為負數時表示沿

該方向收縮。在經過一段時間（數次迭代）以后，兩個不同李雅普諾夫指數將使相空間中原來的圓演變為橢圓。

穩定體系的相軌線相應于趨向某個平衡點，如果出現越來越遠離平衡點，則系統是不穩定的。系統只要有一個正直就會出現混沌運動。

判斷一個非線性體統是否存在混沌運動時，需要檢查它的李雅普諾夫指數λ是否為正值。

在高維相空間中大于零的李雅普諾夫指數可能不止一個，這樣體系的運動將更為復雜。人們稱高維相空間中有多個正值指數的混沌為超混沌。

1.非線性電路與非線性動力學。

實驗電路，只有一個非線性元件，它是一個有源非線性負阻器件。電感器L和電容C2組成一個損耗可以忽略的諧振回路；可變電阻V和電容器C1串聯將振蕩器產生的正弦信號移相輸出。本實驗中所用的非線性元件是一個三段分段線性元件。圖2所示的是該電阻的伏安特性曲線，從特性曲線顯示中加在此非線性元件上電壓與通過它的電流極性是相反的。由于加在此元件上的電壓增加時，通過它的電流卻減小，因而將此元件稱為非線性負阻元件。

2.有源非線性負阻元件的實現。

有源非線性負阻元件實現的方法有多種，這里使用的是一種較簡單的電路，采用兩個運算放大器（一個雙運放TL082）和六個配置電阻來實現其電路如圖4所示，實驗所要研究的是該非線性元件對整個電路的影響，而非線性負阻元件的作用是使振動周期產生分岔和混沌等一系列非線性現象。

四、實驗步驟

測量一個鐵氧體電感器的電感量，觀測倍周期分岔和混沌現象。

1.電感器由實驗者用漆包銅線手工纏繞。可在線框上繞70-75圈，然后裝上鐵氧體磁心，并把引出漆包線端點上的絕緣漆用刀片刮去，使兩端點導電性能良好。也可以用儀器附帶的鐵氧體電感器。

2.串聯諧振法測電感器電感量。把自制電感器、電阻箱（取30.00Ω）串聯，并與低頻信號發生器連接。用示波器測量電阻兩端的電壓，調節低頻信號發生器正弦波頻率，使電阻兩端電壓達到最大值。同時測量通過電阻的電流值I。要求測量通過電阻的電流值I=5mA（有效值）時電感器電感量。

3.把自制電感器接入電路中，調節1+2阻值。在示波器CH1-地和CH2-地調節1+2電阻值由大到小時，描繪相圖周期的分岔及混沌現象。將一個環形相圖的周期定為P，那么，要求觀測并記錄2、4、陣發混沌、3、單吸引子（混沌）、雙吸引子（混沌）共六個相圖和相應的CH1-地和CH2-地兩個輸出波形。

五、實驗結果分析

混沌現象的本質：

混沌是一種確定系統中出現的貌似不規則的有序運動。這種有序是亂中有序，是有序與無序的結合，是非線性序———混沌序。變是混沌的本性。分岔是進入混沌的途徑。隨著時間的推移，系統運動狀態在不斷變化。當控制參量λ（λ=0對應于平衡態）由小到大變化時，系統由穩定有序逐漸失穩，開始分岔，隨著分岔按幾何級數的不斷增長，系統由有序到無序。當控制參量達到一個臨界值時系統進入混沌區，當再增大時又會遇到一個個的周期窗口，一個個混沌區……當控制參量不斷減少時系統又會由混沌逐漸向有序演化。現已知道在倍周期分岔進入混沌的過程中存在一個普適常數———費根鮑姆常數（Feigenbaum contant）， 即

上式中λn是第n次分岔出現的參數值，δ是相繼分岔的間距之比的極限，是一個類似π、e和普朗克常數的無理數。這是美國物理學家費根鮑姆利用計算機在1978年計算發現的。現已有數學家用泛函方法得到證明。費根鮑姆常數的存在反映了混沌演化過程中的有序性。

參考文獻

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