一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，屬于電路的隨機數(shù)發(fā)生技術(shù)領(lǐng)域，其電路包括開關(guān)電路、顯示電路、高頻脈沖產(chǎn)生電路、十進制計數(shù)器以及寄存器電路，其中高頻脈沖產(chǎn)生電路與十進制計數(shù)器連接，將作為時鐘脈沖信號的高頻脈沖信號送至十進制計數(shù)器；十進制計數(shù)器與寄存器電路連接，寄存器電路與顯示電路連接，寄存器電路將十進制計數(shù)器中產(chǎn)生的一位數(shù)字送至顯示電路進行顯示并鎖存。本實用新型可以生成一位十進制隨機數(shù)，電路采用常用芯片設(shè)計，產(chǎn)品方便可靠，成本低廉。并利用仿真軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，仿真結(jié)果表明該電路可以有效實現(xiàn)隨機產(chǎn)生數(shù)碼0到9的功能。
【專利說明】
-位硬件隨機數(shù)發(fā)生器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于電路的隨機數(shù)發(fā)生技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代生活對隨機數(shù)的依賴越來越多，比如彩票搖號，車牌搖號，抽取幸運觀眾等 等。很多地方要求有使用方便、安全快捷的隨機數(shù)產(chǎn)生方法。當前主流的隨機數(shù)電路分為兩 種，軟件型和硬件型。軟件型的隨機數(shù)產(chǎn)生電路方便快捷，但是安全性不高，而且必須借助 電腦運行，在一些重要場合往往不方便使用，而且有安全漏桐。硬件隨機數(shù)使用簡單，做成 成品后杜絕了被修改的可能性，安全性較高。
[0003] 目前，大多數(shù)硬件隨機數(shù)發(fā)生器方案通?？蒞歸為Ξ大類，即直接放大、離散時間 混濁和振蕩器采樣。直接放大技術(shù)使用高增益高帶寬放大器來處理由熱噪聲或散射噪聲引 起的電壓變化，運種方案的缺點是采用運種方法時設(shè)計人員必須要考慮其它一些因素，如 系統(tǒng)熱噪聲通常與基底噪聲及電源電壓波動等局部特征禪合在一起，如果電路沒有正確屏 蔽，運些因素便會使熱噪聲源的隨機性受到影響。離散時間混濁法使用模擬信號處理技術(shù) 產(chǎn)生隨機位流，一般來說，單是運種技術(shù)本身尚不足W產(chǎn)生隨機序列，因為電路的不準確性 限制了 A/D轉(zhuǎn)換分辨率，也降低了系統(tǒng)產(chǎn)生隨機序列的能力。因此，為獲得非確定隨機性，運 種技術(shù)常常要與其它技術(shù)配合使用。隨機數(shù)發(fā)生器(RNG)設(shè)計中最流行的方法是振蕩器采 樣法，其基本設(shè)計思想是利用兩個獨立工作的高、低頻振蕩器之間的相對關(guān)系來得到非確 定噪聲源，用高抖動低頻振蕩器采樣高頻振蕩器，從而產(chǎn)生隨機數(shù)序列，但是目前市場上采 用振蕩器采樣法的硬件隨機數(shù)發(fā)生器均具有原理復雜、電路繁雜、成本高昂的缺點。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種一位硬件隨機數(shù) 發(fā)生器，其采用簡潔電路設(shè)計，低成本忍片組裝，達到便攜、低價、快速產(chǎn)生隨機數(shù)的目的； 在保證隨機數(shù)發(fā)生精度的基礎(chǔ)上，同時具有低功耗、低成本的優(yōu)點。
[0005] 為此，本實用新型提供了一種一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，包括開關(guān)電路、顯示電路、 高頻脈沖產(chǎn)生電路、用于產(chǎn)生0~9或者1~9數(shù)據(jù)的十進制計數(shù)器W及寄存器電路;所述開 關(guān)電路包括對十進制計數(shù)器產(chǎn)生0~9和1~9兩種數(shù)據(jù)范圍進行切換的開關(guān)Ji、用于產(chǎn)生寄 存器電路觸發(fā)信號的開關(guān)J2W及用于控制整個硬件隨機數(shù)發(fā)生器電源的開關(guān)J3;所述高頻 脈沖產(chǎn)生電路與十進制計數(shù)器連接，將作為時鐘脈沖信號的高頻脈沖信號送至十進制計數(shù) 器;所述十進制計數(shù)器與寄存器電路連接，寄存器電路與顯示電路連接，寄存器電路將十進 制計數(shù)器中產(chǎn)生的一位數(shù)字送至顯示電路進行顯示并鎖存。
[0006] 較佳地，所述高頻脈沖產(chǎn)生電路包括利用555忍片構(gòu)建的用于產(chǎn)生高頻矩形脈沖 信號的多諧振蕩器電路。
[0007] 較佳地，所述十進制計數(shù)器采用74肥160忍片構(gòu)成其計數(shù)器電路。
[000引較佳地，所述74肥160忍片的化K端口與高頻脈沖產(chǎn)生電路的高頻時鐘脈沖輸出端 連接，同時74HC160忍片的ENP、ENT端口接高電平;所述寄存器電路包括4D鎖存器74LS175， 4D鎖存器7化S175與74肥160忍片的輸出端口連接，所述4D鎖存器74LS175的化K信號由開關(guān) J2產(chǎn)生，所述開關(guān)J2為彈黃開關(guān)，開關(guān)J2常接低電平，按下后接高電平。
[0009]較佳地，所述開關(guān)Ji與74肥160忍片的數(shù)據(jù)輸入端連接，通過開關(guān)Ji選擇74肥160忍 片輸入端A 口接VCC或接GND;所述74HC160忍片設(shè)為置數(shù)形式，即當計數(shù)值達到9時，其進位 輸出端RC0自動輸出高電平，并通過反相器將置數(shù)允許信號送至置數(shù)端LOAD。
[0010]較佳地，所述顯示電路為16踐^碼管。
[0011] 本實用新型的有益效果:本實用新型提供的硬件隨機數(shù)發(fā)生器，可W產(chǎn)生一位0~ 9或者1~9的隨機數(shù)，本實用新型使用按鍵控制，采用邏輯電路設(shè)計，常用忍片構(gòu)建，硬件方 式產(chǎn)生一位隨機數(shù)，原理簡單，易于實現(xiàn)，操作方便，可靠性強。本實用新型采用簡潔電路設(shè) 計，低成本忍片組裝，達到便攜、低價、快速產(chǎn)生隨機數(shù)的目的;在保證隨機數(shù)發(fā)生精度的基 礎(chǔ)上，同時具有低功耗、低成本的優(yōu)點。結(jié)果隨機性較強，可廣泛應用于日常生活中多個領(lǐng) 域。利用Multisim軟件對本實用新型進行了仿真，結(jié)果顯示該電路可W滿足日常生活中對 隨機數(shù)電路的要求。
[0012] W下將結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0014] 圖2是本實用新型的多諧振蕩器電路；
[0015] 圖3是計數(shù)器電路和寄存器電路；
[0016] 圖4是隨機數(shù)范圍切換開關(guān)電路；
[0017] 圖5是隨機數(shù)產(chǎn)生電路仿真圖；
[0018] 圖6是本實用新型仿真實驗的隨機結(jié)果柱狀圖；
[0019] 圖7是一位硬件隨機數(shù)發(fā)生電路擴展出的顯示多位數(shù)字隨機數(shù)電路。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖，對本實用新型的一個【具體實施方式】進行詳細描述，但應當理解本 實用新型的保護范圍并不受【具體實施方式】的限制。
[0021] 本實用新型主要利用了數(shù)據(jù)高頻循環(huán)，低頻采集的概念產(chǎn)生隨機數(shù)。如圖1所示， 本實用新型提供的一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，包括開關(guān)電路、顯示電路、高頻脈沖產(chǎn)生電路、 用于產(chǎn)生0~9或者1~9數(shù)據(jù)的十進制計數(shù)器W及寄存器電路;其中開關(guān)電路包括對十進制 計數(shù)器產(chǎn)生0~9和1~9兩種數(shù)據(jù)范圍進行切換的開關(guān)Ji、用于產(chǎn)生寄存器電路觸發(fā)信號的 開關(guān)J2W及用于控制整個硬件隨機數(shù)發(fā)生器電源的開關(guān)J3;所述高頻脈沖產(chǎn)生電路與十進 制計數(shù)器連接，將作為時鐘脈沖信號的高頻脈沖信號送至十進制計數(shù)器;所述十進制計數(shù) 器與寄存器電路連接，寄存器電路與顯示電路連接，寄存器電路將十進制計數(shù)器中產(chǎn)生的 一位數(shù)字送至顯示電路進行顯示并鎖存。所述高頻脈沖產(chǎn)生電路包括利用555忍片構(gòu)建的 用于產(chǎn)生高頻矩形脈沖信號的多諧振蕩器電路。其中555忍片的具體型號是LM555CM;該多 諧振蕩器電路其具體結(jié)構(gòu)是:LM555CM忍片的VCC端口 W及RST端口接5V的VCC供電端；同時， 其DIS端口通過電阻R3接VCC供電端，DIS端口還連接電阻R4的一端，電阻R4的另一端分別與 LM555CM忍片的Τ皿端口、TRI端口 W及電容C3的一端連接，電容C3的另一端接地;LM555CM忍 片的GND端口接地、其CON端口通過電容C4接地。
[0022] 555忍片定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，使用555忍片可 W很方便的構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器，在各種電子制作領(lǐng)域都有很 廣泛的應用。本實施例中利用555忍片構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生高頻脈沖，為了滿足隨機性和 保密性，根據(jù)需要可將脈沖頻率調(diào)至100K化W上。十進制計數(shù)器用于產(chǎn)生0~9或者1~9的 數(shù)據(jù)，可在高頻脈沖驅(qū)動下進行數(shù)據(jù)的高速循環(huán)計數(shù)。開關(guān)J2用于產(chǎn)生寄存器電路的觸發(fā) 信號，當其接通有效時，可W將計數(shù)器中相對應的某一位數(shù)字送至顯示電路進行顯示并進 行鎖存。根據(jù)實際用途，開關(guān)Ji作為數(shù)據(jù)范圍切換按鈕，可用于在0~9和1~9兩種數(shù)據(jù)范圍 的切換。開關(guān)J3為電源開關(guān)，控制整個電路的電源。
[0023] 所述高頻脈沖產(chǎn)生電路具體利用555忍片構(gòu)建多諧振蕩器電路，555忍片的電源范 圍很寬，可W達到5-12V，在實際使用過程中，可是使用電池組供電，使用便捷。多諧振蕩器 電路如圖2所示，此電路為555忍片的經(jīng)典應用，可用來產(chǎn)生高頻矩形脈沖信號，脈沖信號頻 率為式（1)所示，輸出頻率由電路中電阻W及電容決定。在實際應用過程中，可W將電阻更 換為電位器，從而可W改變頻率，進一步增加隨機性。
[0024]
(1)
[0025] 將高頻脈沖信號送至計數(shù)器電路，作為計數(shù)器的時鐘脈沖信號。
[00%] 進一步地，所述十進制計數(shù)器采用74HC160忍片構(gòu)成其計數(shù)器電路，74HC160忍片 的具體型號是74肥160D。
[0027]進一步地，所述74HC160D忍片的化K端口與高頻脈沖產(chǎn)生電路的高頻時鐘脈沖輸 出端連接，即與其OUT端口連接；同時74肥160D忍片的ENP、ENT端口接高電平，即接5V的VCC 端；所述寄存器電路包括4D鎖存器74LS175,4D鎖存器的具體型號是74LS17加，4D鎖存器 7化S17抓與74肥160D忍片的輸出端口連接，如圖3所示，即74肥160D忍片的QA端與4D鎖存器 7化S17抓的1D端連接、74肥160D忍片的QB端與4D鎖存器7化S17加的2D端連接、74HC160D忍 片的QC端與4D鎖存器7化S17加的3D端連接、74肥160D忍片的QD端與4D鎖存器7化S17抓的4D 端連接;所述4D鎖存器7化S17加的化K端連接開關(guān)J2，CLK端信號由開關(guān)J2產(chǎn)生，開關(guān)J2為彈 黃開關(guān)，開關(guān)J2常接低電平，按下后接高電平。
[002引十進制計數(shù)器及寄存器電路應該讓數(shù)據(jù)在0~9或1~9中間高速循環(huán)計數(shù)，所W應 該采用十進制計數(shù)器。本實施例中采用十進制計數(shù)器74HC160完成，具體型號是74HC160D， 將555忍片產(chǎn)生的高頻時鐘脈沖接至計數(shù)器忍片74HC160D的CLK端口，并將ENP、ENT端口接 高電平VCC端，使計數(shù)忍片正常進行加法計數(shù)。運時，在CLK脈沖的作用下，74HC160D工作在0 ~9循環(huán)計數(shù)的狀態(tài)，計數(shù)頻率為化K脈沖的頻率。另外，由于74HC160D輸出不具有鎖存功 能，所W直接顯示結(jié)果的話，結(jié)果不能保存。為了達到按鍵后結(jié)果能穩(wěn)定顯示在Lm)數(shù)碼管 上，所W，如上所述，在74HC160D的輸出端口接一個4輸入的D鎖存器74LS17加，此鎖存器可 W在化K有效的瞬間將輸入值無損傳輸至輸出，并且在CLK有效信號消失后維持輸出不變， 從而將采集到的隨機數(shù)穩(wěn)定顯示。開關(guān)J2按下可W產(chǎn)生一個上升沿從而驅(qū)動鎖存器工作， 具體電路如圖3所示。
[0029]進一步地，如圖4所示，所述開關(guān)Ji與74HC160D忍片的數(shù)據(jù)輸入端連接，即： 74HC160D忍片的B、C、D端口均接地，開關(guān)Ji可選擇將A端口與VCC端接通，或者將A端口與地 之間接通，即通過開關(guān)Ji選擇74肥160D忍片輸入端A端口接VCC或接GND;將74肥160D忍片設(shè) 為置數(shù)形式，即當計數(shù)值達到9時，其進位輸出端RCO自動輸出高電平，并通過反相器將置數(shù) 允許信號送至置數(shù)端LOAD，如圖4所示反相器連接于RCO端口與~LOAD端口之間。
[0030] 數(shù)據(jù)范圍切換開關(guān)Ji的設(shè)計：日常生活中，隨機數(shù)的產(chǎn)生有0~9和1~9兩種應用 場景。74肥160的進位輸出發(fā)生在當輸出為1001(9)時，也就意味著要實現(xiàn)運兩種區(qū)別，必須 改變計數(shù)起點。為了滿足運一要求，在計數(shù)器74HC160的數(shù)據(jù)輸入端加入開關(guān)Ji，如圖4所 示。并且將計數(shù)器設(shè)置為置數(shù)形式，具體為當計數(shù)值達到9時，進位輸出端RC0自動輸出高電 平，通過反相器將置數(shù)允許信號送至置數(shù)端L0AD"74HC160具有異步復位和同步置數(shù)功能。 此時，置數(shù)LOAD接受到有效信號，在下一個CLK脈沖驅(qū)動下，會將輸入DCBA的當前值送至輸 出端QdQcQbQa，并從當前值開始計數(shù)。通過開關(guān)Ji決定輸入端A 口接VCC還是接GND，從而決定 計數(shù)起點是0000 (0)還是0001 (1)。
[0031] 本實用新型的工作原理:將開關(guān)Ji至于接地狀態(tài)，使起始值工作于0000狀態(tài)，即隨 機數(shù)會在0~9中產(chǎn)生。接通電源J3使電路處于工作狀態(tài)，每按一次J2按鍵，貝可產(chǎn)生一位隨 機數(shù)。由于計數(shù)器的工作頻率為100K化，而人工按鍵的速度遠遠低于運一頻率。所W，保證 了產(chǎn)生數(shù)字的不可預知性。在實際使用中，可W將電路R6改裝為電位器，在每次產(chǎn)生隨機數(shù) 前，都手動改變其電阻值，從而改變CLK的計數(shù)頻率，從而進一步提高隨機性。
[0032] 圖5為本實用新型的整體電路仿真圖，在Multisim軟件中對隨機數(shù)產(chǎn)生電路進行 仿真，每按鍵100下作為一組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計0-9各個數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)，連續(xù)測量10組數(shù)據(jù)，并對 其進行平均。做出如圖6所示隨機結(jié)果柱狀圖。從結(jié)果來看，此電路可W有效的產(chǎn)生一位隨 機數(shù)，隨機結(jié)果近似平均分布，可W滿足日常使用對隨機數(shù)的要求。
[0033] 本實用新型的功能擴展:有時候除了顯示1位數(shù)字外，還需要循環(huán)顯示多位數(shù)字。 如圖7所示，是一種多位循環(huán)顯示的改進電路。本設(shè)計W四位顯示為例，仍W上述電路為主 要結(jié)構(gòu)。將鎖存器74LS175的四位輸出分別接至BCD碼-屯段碼譯碼器4511，可W實現(xiàn)4位共 陰數(shù)碼管同時顯示。為了達到逐位顯示的目的，使用計數(shù)器和2-4譯碼器組成逐位片選系 統(tǒng)。74HC160接受彈黃按鍵S1作為脈沖化K信號，每按一下實現(xiàn)加1操作。輸出接2-4譯碼器 74肥139的輸入端，每按鍵一次，74HC139的四位輸出Y0Y1Y2Y3依次有效，ΥοΥιΥ2&分別接至四 個數(shù)碼譯碼器4511的化端口，化端口為輸出消隱控制端，當其有效時該譯碼器所對應的數(shù) 碼管亮。74HC139的輸出在計數(shù)器CLK的驅(qū)動下為依次有效，從而實現(xiàn)，4位數(shù)碼管依次亮。數(shù) 碼管的數(shù)據(jù)來自于前述電路的高頻輸出，所W每位數(shù)碼管的顯示都是不同的隨機數(shù)字，隨 機性可W得到保證。
[0034] 綜上所述，本實用新型提供的硬件隨機數(shù)發(fā)生器，可W產(chǎn)生一位0~9或者1~9的 隨機數(shù)，本實用新型使用按鍵控制，采用邏輯電路設(shè)計，常用忍片構(gòu)建，硬件方式產(chǎn)生一位 隨機數(shù)，原理簡單，易于實現(xiàn)，操作方便，可靠性強。本實用新型采用簡潔電路設(shè)計，低成本 忍片組裝，達到便攜、低價、快速產(chǎn)生隨機數(shù)的目的;在保證隨機數(shù)發(fā)生精度的基礎(chǔ)上，同時 具有低功耗、低成本的優(yōu)點。結(jié)果隨機性較強，可廣泛應用于日常生活中多個領(lǐng)域。如果需 要多位隨機數(shù)，可多次運行。利用Multisim軟件對本實用新型進行了仿真，結(jié)果顯示該電路 可W滿足日常生活中對隨機數(shù)電路的要求。
[0035] W上公開的僅為本實用新型的幾個具體實施例，但是，本實用新型實施例并非局 限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應落入本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在于:包括開關(guān)電路、顯示電路、高頻脈沖產(chǎn)生電路、 用于產(chǎn)生0~9或者1~9數(shù)據(jù)的十進制計數(shù)器以及寄存器電路； 所述開關(guān)電路包括對十進制計數(shù)器產(chǎn)生〇~9和1~9兩種數(shù)據(jù)范圍進行切換的開關(guān)心、 用于產(chǎn)生寄存器電路觸發(fā)信號的開關(guān)J2以及用于控制整個硬件隨機數(shù)發(fā)生器電源的開關(guān) J3 ； 所述高頻脈沖產(chǎn)生電路與十進制計數(shù)器連接，將作為時鐘脈沖信號的高頻脈沖信號送 至十進制計數(shù)器;所述十進制計數(shù)器與寄存器電路連接，寄存器電路與顯示電路連接，寄存 器電路將十進制計數(shù)器中產(chǎn)生的一位數(shù)字送至顯示電路進行顯示并鎖存。2. 如權(quán)利要求1所述的一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在于:所述高頻脈沖產(chǎn)生電路包 括利用555芯片構(gòu)建的用于產(chǎn)生高頻矩形脈沖信號的多諧振蕩器電路。3. 如權(quán)利要求1所述的一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在于：所述十進制計數(shù)器采用 74HC160芯片構(gòu)成其計數(shù)器電路。4. 如權(quán)利要求3所述的一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在于:所述74HC160芯片的CLK端 口與高頻脈沖產(chǎn)生電路的高頻時鐘脈沖輸出端連接，同時74HC160芯片的ENP、ENT端口接高 電平;所述寄存器電路包括4D鎖存器74LS175,4D鎖存器74LS175與74HC160芯片的輸出端口 連接，所述4D鎖存器74LS175的CLK信號由開關(guān)J 2產(chǎn)生，所述開關(guān)J2為彈簧開關(guān)，開關(guān)J2常接 低電平，按下后接高電平。5. 如權(quán)利要求3所述的一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在于:所述開關(guān)心與74!〇60芯片 的數(shù)據(jù)輸入端連接，通過開關(guān)Ji選擇74HC160芯片輸入端A 口接VCC或接GND;所述74HC160芯 片設(shè)為置數(shù)形式，即當計數(shù)值達到9時，其進位輸出端RCO自動輸出高電平，并通過反相器將 置數(shù)允許信號送至置數(shù)端LOAD。6. 如權(quán)利要求1所述的一位硬件隨機數(shù)發(fā)生器，其特征在于:所述顯示電路為LED數(shù)碼 管。
【文檔編號】G06F7/58GK205620988SQ201620406039
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】周新淳
【申請人】寶雞文理學院