偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

孫福玉，曹萬(wàn)蒼

（赤峰學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

孫福玉，曹萬(wàn)蒼

（赤峰學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

文章分析了555電路、74HC160計(jì)數(shù)器、CD4511譯碼器等器件的基本工作原理，用555電路產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)，用74HC160計(jì)數(shù)，通過CD4511譯碼后送入數(shù)碼管顯示一個(gè)隨機(jī)數(shù).

隨機(jī)數(shù)；偽隨機(jī)數(shù)；發(fā)生器

1 引言

隨機(jī)數(shù)在我們的生活中隨處可見，例如擲一枚色子所得到的點(diǎn)數(shù)、任何一個(gè)班級(jí)的學(xué)生數(shù)、某一路段的車流量或者是迎面行駛而來的車輛的車牌號(hào)等等.伴隨隨機(jī)事件而產(chǎn)生的隨機(jī)的數(shù)字稱為隨機(jī)數(shù).因?yàn)殡S機(jī)數(shù)的不可預(yù)知性，單一或者小規(guī)模的試驗(yàn)是不能正確的估算出隨機(jī)數(shù)的規(guī)律的，試驗(yàn)次數(shù)越多，則得到的結(jié)果越接近真正的答案.本文利用555電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，用74HC160計(jì)數(shù)，通過CD4511譯碼后送入數(shù)碼管顯示一個(gè)隨機(jī)數(shù).

2 基本器件介紹

2.1 CD4511的功能介紹

首先，我們介紹一下支持?jǐn)?shù)字輸出的7段譯碼器CD4511.圖1為七段顯示譯碼器的管腳圖.

圖1 七段顯示譯碼器的管腳圖

4管腳BI管腳為消隱輸入控制端子，如果BI為0，不論其它管腳輸入什么值，七段顯示數(shù)碼管處于熄滅狀態(tài)，也稱為消隱狀態(tài)，七段顯示數(shù)碼不顯示數(shù)字.如果BI為1，各筆段均正常顯示.

3管腳LT管腳為測(cè)試輸入端子，當(dāng)BI為1，LT為0時(shí)，譯碼輸出全為高電平，不論輸入端子輸入何值，七段顯示譯碼器均工作，從而顯示數(shù)字8.各筆段均被點(diǎn)亮，以檢查顯示是否有故障發(fā)生.

5管腳LE管腳為鎖定控制端，CD4511中的譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成，傳輸門的導(dǎo)通或截止由控制端LE的電平狀態(tài).當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出.LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值.

A1、A2、A3、A4為譯碼器輸入端.a、b、c、d、e、f、g為譯碼輸出端，用于驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管工作，輸出為高電平1時(shí)有效.

另外，譯碼器在顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱；顯示數(shù)“9”時(shí)，d、段消隱，所以顯示6、9這兩個(gè)數(shù)時(shí)，字形不太美觀.所謂共陰LED數(shù)碼管是指7段LED的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地.限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時(shí)可使用300歐姆的限流電阻.

由以上關(guān)于CD4511的介紹可知，它能夠根據(jù)外部信號(hào)使LED點(diǎn)亮或者熄滅，從而達(dá)到譯碼輸出的功能.

2.2 74HC160的功能介紹

74HC160是74系列的4位同步式十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，74HC160管腳圖如圖2所示.

圖2 74HC160管腳圖

74HC160的具體功能如下：

CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端.引入外部時(shí)鐘控制脈沖的輸入端，無(wú)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，無(wú)法使用計(jì)數(shù)功能.74HC160接入電路后與譯碼器等電路元件共用同一時(shí)鐘脈沖.

CLR：復(fù)位端，低電平有效，當(dāng)CLR=0時(shí)，輸出端異步歸零.

ENP：禁止計(jì)數(shù)端，低電平有效，當(dāng)ENP=0時(shí)，計(jì)數(shù)器失去計(jì)數(shù)功能.

ENT：計(jì)數(shù)和RC禁止端，低電平有效，當(dāng)ENT=0時(shí)，計(jì)數(shù)器失去計(jì)數(shù)和RC功能.同時(shí)，ENP失去作用.也就是說，當(dāng)ENT為低電平時(shí)，無(wú)論ENP是高電平還是低電平，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能.

LOAD：寄存/計(jì)數(shù)端，低電平寄存，高電平計(jì)數(shù)，即當(dāng)LOAD=0時(shí)，計(jì)數(shù)器處于寄存狀態(tài)，存儲(chǔ)的是前一時(shí)鐘周期的狀態(tài)，當(dāng)LOAD=1時(shí)，計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài).

由以上有關(guān)于74HC160功能的介紹，我們可以了解到：使用兩個(gè)74HC160級(jí)聯(lián)可以達(dá)到我們要求的37進(jìn)制計(jì)數(shù)器，還要利用LOAD端的寄存/計(jì)數(shù)功能來設(shè)計(jì)數(shù)字顯示的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的復(fù)位功能.

2.3 555定時(shí)器的功能介紹

在通常的集成電路中，要使電路的各個(gè)元件良好地工作在同一狀態(tài)下，必須對(duì)其時(shí)鐘控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改善.在本電路中，我們使用555定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖.接下來，我們對(duì)NE555作一介紹.NE555管腳圖如圖3所示：

圖3 NE555管腳圖

555定時(shí)器的各個(gè)引腳功能如下：

管腳1為接地端.管腳8為外接電源VCC端子，一般用5V電源.管腳3為輸出端子.管腳2為低觸發(fā)端.管腳6為高觸發(fā)端子.管腳4為直接清零端.當(dāng)該端子接低電平0時(shí)，時(shí)基電路不工作，這時(shí)不論TH處于何電平，時(shí)基電路輸出均為0，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平1.管腳5為控制電壓端子.若此管腳外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)不用該管腳時(shí)，應(yīng)將該管腳串入一只電容接地，以避免外部干擾.管腳7為放電端子.該管腳與放電三極管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電.

555定時(shí)器在本電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)使4、8腳接VCC，1腳接地，5腳加電容接地以防外部干擾，7、8腳、6、7腳間加滑動(dòng)變阻器以改變輸出時(shí)鐘脈沖的頻率，以達(dá)到產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的作用.時(shí)鐘脈沖的頻率如下式所示，通過調(diào)節(jié)R1，R2，C1可以得到不同頻率的時(shí)鐘.

3 用數(shù)字顯示的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路的分析

圖4是偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的電路圖.由于只是使用計(jì)數(shù)器，所以并不復(fù)雜.

在此電路的設(shè)計(jì)過程中，首先由555定時(shí)器產(chǎn)生控制74HC160計(jì)數(shù)的時(shí)鐘脈沖.因此，在具體電路的制作與焊接過程中，可以在555定時(shí)器與計(jì)數(shù)器的連接線上加一開關(guān).開關(guān)按下，則開始計(jì)數(shù)，開關(guān)松開，則停止計(jì)數(shù)并顯示上一狀態(tài)的數(shù)字.同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)其外接電容來控制其輸出時(shí)鐘脈沖的高低.在具體電路的制作過程中，作者使用的是0—10K的滑動(dòng)變阻器，在安裝焊接前，調(diào)節(jié)電阻到5K，可以正常顯示數(shù)字.

然后，由兩個(gè)74HC160構(gòu)成該電路的計(jì)數(shù)器.注意，由于我們只要求計(jì)數(shù)到36，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，由兩個(gè)74HC160的LOAD端接出一個(gè)74HC30（八輸入與非門）來進(jìn)行置位，設(shè)計(jì)我們對(duì)計(jì)數(shù)的要求，我們可以把個(gè)位的DB、DC端，十位的DA、DB端接入74HC30的輸入端，其余輸入端口則全部接VCC，則可以達(dá)到異步置位的功能.

接下來，要將74HC160的輸入端接入CD4511的輸入端，把四位二進(jìn)制數(shù)譯碼為供數(shù)字顯示的7位數(shù)據(jù).在數(shù)字顯示器和CD4511間，要加入能使數(shù)字顯示器正常發(fā)光的電阻，在具體電路的測(cè)試中可知，使用475歐姆的電阻可以使數(shù)字顯示器正常發(fā)光.

這種設(shè)計(jì)方案所制作出的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的使用方法很簡(jiǎn)單.按下接通電源的啟動(dòng)開關(guān)后，LED就顯示各種數(shù)字.計(jì)數(shù)器的內(nèi)容從0開始按序號(hào)變化，不是隨機(jī)的.所以可以使用稍快的時(shí)鐘脈沖.在按下停止開關(guān)后的一段時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器照樣工作，然后停止在某一數(shù)字上.這個(gè)數(shù)字就是得中的數(shù)字.

圖4 偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了555電路、74HC160計(jì)數(shù)器、CD4511譯碼器等器件的基本工作原理，用555電路產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)，用74HC160計(jì)數(shù)，通過CD4511譯碼后送入數(shù)碼管顯示一個(gè)隨機(jī)數(shù).

〔1〕湯山俊夫.數(shù)字電路設(shè)計(jì)與制作[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

〔2〕黃智偉.電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

〔3〕孫余凱.傳感器應(yīng)用電路300例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

〔4〕張慶雙.LED應(yīng)用電路精選[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

TP212

A

1673-260X（2013）12-0030-02