一种基于DSP Builder的异构双磁控忆阻器模型数字化电路设计方法技术

一种基于DSP Builder的异构双磁控忆阻器模型数字化电路设计方法，首先构建两个具有光滑三次非线性特性的异构磁控忆阻器模型；然后结合两个忆阻器模型，构建一个五阶异构磁控忆阻电路模型；最后将构建的五阶异构磁控忆阻电路模型，用DSP Builder平台数字化实现。本发明专利技术克服了设计混沌模拟电路参数配置难和性能不稳定的缺点，数字化精细程度能达到小数点后12位精度，同时具有参数易修改、动力学系统易于设计和性能稳定的优点，为非线性动力学系统的数字化设计提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DSPBuilder的异构双磁控忆阻器模型数字化电路设计方法
本专利技术属于数字电路
，涉及忆阻器电路设计与仿真。
技术介绍
忆阻(memristor)是描述电荷(charge)和磁通(magneticflux)关系的实现电路的基本组成元件。根据电路基本变量组合完备性原理，1971年美国加州大学伯克利分校蔡少棠教授从理论上预测了忆阻元件的存在性，并在后续论文中进一步阐述了忆阻的基本特性、合成原理及其应用。2008年美国惠普(HP)公司实验室的Strukov等在《自然》上首次报道了忆阻器的实现性，研究成果震惊了国际电工电子技术世界。紧接着美国加州大学的Pershin和DiVentra两位学者在半导体自旋电子器件中发现了自旋记忆效应(memoryeffect)，提出了自旋电子忆阻性器件；希捷公司的王小斌和陈怡然等阐述了三种可能的磁性忆阻器例子，专利技术了一种全新的基于电子磁性特性的电子自旋忆阻器。忆阻器可实现性成果的进一步出现，在全球各个领域内掀起了学者对忆阻及其系统的研究狂潮，短短几年内取得了十分丰硕的研究成果。忆阻器具有其他三种基本电路元件的任意组合都不能复制的特性，它是一种有记忆功能的非线性电阻(nonlinearresistor)，可以记忆流经它的电荷数量，也可以通过控制电流(current)的变化改变其阻值，而且这种变化在断电时还能继续保持，这就使得忆阻成为天然的非挥发性存储器。忆阻的出现将使集成电路元件变得更小，计算机可以即开即关，而且拥有可以模拟复杂的人脑神经功能的超级能力。因此，忆阻的记忆特性将对计算机科学、生物工程学、神经网络、电子工程、通信工程等产生极其深远的影响；同时忆阻元件的存在，使基础电路元件由电阻(resistor)、电容(capacitor)和电感(inductor)增加到了四个，忆阻为电路设计与电路应用提供了全新的发展空间。采用分立元器件设计模拟忆阻混沌电路，受温度、工作电压及自身参数等影响不可忽视，这样就无形中限制了模拟混沌电路在实际中的应用。基于半定制集成芯片的FPGA技术，是一门通过EDA软件设计IC芯片的DSP技术，支持硬件描述语言作为编译程序，生成的系统不易受其它因素的干扰，且可进行反复擦写，算法的改进非常容易。DSPBuilder是一个算法级设计工具，它作为Matlab的一个Simulink工具箱，使得FPGA设计DSP系统完全通过Simulink的图形化界而进行建模，系统级仿真，再通过SignalCompiler可以把Matlab/Simulink的设计文件(.mdl)转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件(.vhd)，并可调用QuartusII等EDA设计软件，完成综合，网表生成以及器件适配乃至FPGA的配置下载，使得系统描述与硬件实现有机地融为一体，充分显示了现代电子设计自动化开发的特点与优势。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于DSPBuilder的异构双磁控忆阻器模型数字化电路设计方法，同时对该模型的动力学特性进行了理论仿真和实验分析，验证异构磁控忆阻电路混沌行为的多样性和可实现性，并用数字电路实现了该系统。本专利技术是通过以下技术方案实现的。本专利技术所述的一种基于DSPBuilder的异构双磁控忆阻器模型数字化电路设计方法，包括以下步骤：(S01)：构建两个具有光滑三次非线性特性的异构磁控忆阻器模型；其中：分别为两个忆阻器磁通量，q1,q2分别为累计通过两个忆阻器的电荷量，a,b,c,d为参数。(S02)：结合(S01)的两个忆阻器模型，构建一个五阶异构磁控忆阻电路模型；(S03)：将(S02)所构建的模拟电路，用DSPBuilder平台数字化实现。更进一步地，本专利技术所述的详细操作步骤如下：步骤1：构建两个具有光滑三次非线性特性的异构磁控忆阻器模型。1)构建磁控忆阻器1，具有光滑的三次非线性特性曲线，即：可得到它的磁控忆导为：2)构建磁控忆阻器2，同样具有光滑的三次非线性特性曲线，即：可得到它的磁控忆导为：其中：分别为两个磁控忆阻器磁通量，q1,q2分别为累计通过两个磁控忆阻器的电荷量，W1,W2为两个磁控忆阻器忆导，a,b,c,d为参数。由于电流i、电压v及磁控忆阻W存在：关系，且假设i＝Asinωt，A为振幅，ω为角频率。选择a＝-1.2,b＝3,c＝0.9,d＝2.7，可以得到如图1、2所示两个磁控忆阻器在不同的角频率ω的i-v紧磁滞回线特性曲线。步骤2：构建一个五阶异构磁控忆阻电路模型；1)将步骤1的两个磁控忆阻器分别与两个电容C1和C2并联，再与电感L和电阻R串联，双构双磁控忆阻电路图如图3所示。2)由基尔霍夫定律和元件的伏安特性可得，图3所示的电路状态方程为五个一阶微分方程联立的方程组：其中，v1，v2分别是电容C1,C2两端的电压，c1，c2分别是电容C1,C2的电容，iL是流经电感L和电阻R的电流，和分别为公式(4)和(6)的磁控忆导值。步骤3：对步骤2电路仿真进行比较，验证所设计的异构磁控忆阻器模型的正确性及忆阻可靠性。1)将方程组(7)进行变量代换，x＝v1,y＝v2,z＝iL,方程组可以重写为2)因此，步骤2构建的异构磁控忆阻电路模型是一个五维系统，它的非线性动力学方程可以由式(8)来描述。图4(a)、(b)、(c)、(d)依次显示的x-y,y-μ,ω-y,ω-x各相位图；图5(a)、(b)显示的是电路中两个忆阻器两端电流电压关系曲线，它与图1和图2具有相似的图形轨迹。步骤4：异构磁控忆阻器数字化实现1)一阶数字差分算法常规的解微分方程的方法主要是四阶定步长或变步长的龙格-库塔法。由于这两种方法计算量大，不太适合用硬件实现。因此，这里采用一种快速的数字差分算法，算法简单，计算量和存储量大大减少。采用一阶离散化公式：即上式Δt为系统采样时间，xi(i＝1,2,…,k)为采样变量，k为采样数，xk+1和xk分别表示第k+1次和第k的采样值。对连续混沌系统离散化，采样间隔时间Δt的取值必须要合理。根据奈奎斯特采样定理，取样频率至少应大于混沌信号截止频率的2倍，才能使离散化的混沌系统与连续混沌系统保持相同的动力学特性。在仿真中，Δt取得越小，离散化后的系统就越能精确反映连续系统的动态特性。如果Δt取得过大，将无法得到正确的仿真结果。2)采用DSPBuilder15.0和Matlab/SimulinkR2014b开发平台，设计异构双磁控忆阻混沌数字电路。为了实现一阶数字差分算法，本专利技术使用了Matlab/Simulink库中的数据选择器(Multiplexer)进行迭代运算，可获得个向量第k和第k+1次的值。本专利技术利用了增益模块(Gain)和乘法模块(Product)实现了离散化方程中数乘和二项式乘积。本专利技术的数字电路模型运行产生数据的仿真结果如图9所示。通过对比两组图可以发现，本专利技术所提出的异构双磁控忆阻混沌系统在DSPBuilder平台中与Matlab平台中的仿真结果基本一致。由于受到采样频率的限制，最终实现数字电路硬件上需要考虑到资源的应用。本专利技术通过把两个具有光滑特性曲线的磁控忆阻器引入到蔡氏混沌振荡电路中，得到了一个新的具有两个忆阻器的混沌电路，利用动力学分析方法，定性分析了忆阻混沌电路的平衡点集在一个平面上的稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DSP Builder的异构双磁控忆阻器模型数字化电路设计方法，其特征是包括以下步骤：(S1)构建两个具有光滑三次非线性特性的异构磁控忆阻器模型：(1)构建磁控忆阻器1，具有光滑的三次非线性特性曲线，即：

【技术特征摘要】
1.一种基于DSPBuilder的异构双磁控忆阻器模型数字化电路设计方法，其特征是包括以下步骤：(S1)构建两个具有光滑三次非线性特性的异构磁控忆阻器模型：(1)构建磁控忆阻器1，具有光滑的三次非线性特性曲线，即：它的磁控忆导为：(2)构建磁控忆阻器2，同样具有光滑的三次非线性特性曲线，即：可得到它的磁控忆导为：其中：分别为两个忆阻器磁通量，q1,q2分别为累计通过两个忆阻器的电荷量，W1,W2为两个磁控忆阻器忆导，a,b,c,d为参数；(S2)结合(S1)两个忆阻器模型，构建一个五阶异构磁控忆阻电路模型：该模型由两个磁控忆阻器分别与两个电容C1,C2并联、再由一个电感L与一个电阻R串联构成；具体电路状态方程可表示为：其中，v1，v2分别是电容C1,C2两端的电压，iL是流经电感L和电阻R的电流，和分别为两个忆阻器的磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小红，陈皓琦，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36