伪随机数发生器

2013-07-31孙福玉曹万苍

赤峰学院学报·自然科学版 2013年24期

关键词：译码器管脚低电平

孙福玉，曹万苍

（赤峰学院，内蒙古赤峰024000）

伪随机数发生器

孙福玉，曹万苍

（赤峰学院，内蒙古赤峰024000）

文章分析了555电路、74HC160计数器、CD4511译码器等器件的基本工作原理，用555电路产生高频脉冲信号，用74HC160计数，通过CD4511译码后送入数码管显示一个随机数.

随机数；伪随机数；发生器

1 引言

随机数在我们的生活中随处可见，例如掷一枚色子所得到的点数、任何一个班级的学生数、某一路段的车流量或者是迎面行驶而来的车辆的车牌号等等.伴随随机事件而产生的随机的数字称为随机数.因为随机数的不可预知性，单一或者小规模的试验是不能正确的估算出随机数的规律的，试验次数越多，则得到的结果越接近真正的答案.本文利用555电路产生脉冲信号，用74HC160计数，通过CD4511译码后送入数码管显示一个随机数.

2 基本器件介绍

2.1 CD4511的功能介绍

首先，我们介绍一下支持数字输出的7段译码器CD4511.图1为七段显示译码器的管脚图.

图1 七段显示译码器的管脚图

4管脚BI管脚为消隐输入控制端子，如果BI为0，不论其它管脚输入什么值，七段显示数码管处于熄灭状态，也称为消隐状态，七段显示数码不显示数字.如果BI为1，各笔段均正常显示.

3管脚LT管脚为测试输入端子，当BI为1，LT为0时，译码输出全为高电平，不论输入端子输入何值，七段显示译码器均工作，从而显示数字8.各笔段均被点亮，以检查显示是否有故障发生.

5管脚LE管脚为锁定控制端，CD4511中的译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态.当LE=0时，允许译码输出.LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值.

A1、A2、A3、A4为译码器输入端.a、b、c、d、e、f、g为译码输出端，用于驱动共阴极数码管工作，输出为高电平1时有效.

另外，译码器在显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d、段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观.所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地.限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300欧姆的限流电阻.

由以上关于CD4511的介绍可知，它能够根据外部信号使LED点亮或者熄灭，从而达到译码输出的功能.

2.2 74HC160的功能介绍

74HC160是74系列的4位同步式十进制计数器，74HC160管脚图如图2所示.

图2 74HC160管脚图

74HC160的具体功能如下：

CLK：时钟脉冲输入端.引入外部时钟控制脉冲的输入端，无时钟脉冲输入时，无法使用计数功能.74HC160接入电路后与译码器等电路元件共用同一时钟脉冲.

CLR：复位端，低电平有效，当CLR=0时，输出端异步归零.

ENP：禁止计数端，低电平有效，当ENP=0时，计数器失去计数功能.

ENT：计数和RC禁止端，低电平有效，当ENT=0时，计数器失去计数和RC功能.同时，ENP失去作用.也就是说，当ENT为低电平时，无论ENP是高电平还是低电平，都无法实现计数功能.

LOAD：寄存/计数端，低电平寄存，高电平计数，即当LOAD=0时，计数器处于寄存状态，存储的是前一时钟周期的状态，当LOAD=1时，计数器处于计数状态.

由以上有关于74HC160功能的介绍，我们可以了解到：使用两个74HC160级联可以达到我们要求的37进制计数器，还要利用LOAD端的寄存/计数功能来设计数字显示的伪随机数发生器的复位功能.

2.3 555定时器的功能介绍

在通常的集成电路中，要使电路的各个元件良好地工作在同一状态下，必须对其时钟控制电路进行设计和改善.在本电路中，我们使用555定时器产生时钟脉冲.接下来，我们对NE555作一介绍.NE555管脚图如图3所示：

图3 NE555管脚图

555定时器的各个引脚功能如下：

管脚1为接地端.管脚8为外接电源VCC端子，一般用5V电源.管脚3为输出端子.管脚2为低触发端.管脚6为高触发端子.管脚4为直接清零端.当该端子接低电平0时，时基电路不工作，这时不论TH处于何电平，时基电路输出均为0，该端不用时应接高电平1.管脚5为控制电压端子.若此管脚外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当不用该管脚时，应将该管脚串入一只电容接地，以避免外部干扰.管脚7为放电端子.该管脚与放电三极管集电极相连，用做定时器时电容的放电.

555定时器在本电路设计中，应使4、8脚接VCC，1脚接地，5脚加电容接地以防外部干扰，7、8脚、6、7脚间加滑动变阻器以改变输出时钟脉冲的频率，以达到产生时钟脉冲的作用.时钟脉冲的频率如下式所示，通过调节R1，R2，C1可以得到不同频率的时钟.

3 用数字显示的伪随机数发生器电路的分析

图4是伪随机数发生器的电路图.由于只是使用计数器，所以并不复杂.

在此电路的设计过程中，首先由555定时器产生控制74HC160计数的时钟脉冲.因此，在具体电路的制作与焊接过程中，可以在555定时器与计数器的连接线上加一开关.开关按下，则开始计数，开关松开，则停止计数并显示上一状态的数字.同时，可以通过调节其外接电容来控制其输出时钟脉冲的高低.在具体电路的制作过程中，作者使用的是0—10K的滑动变阻器，在安装焊接前，调节电阻到5K，可以正常显示数字.

然后，由两个74HC160构成该电路的计数器.注意，由于我们只要求计数到36，所以在设计时，由两个74HC160的LOAD端接出一个74HC30（八输入与非门）来进行置位，设计我们对计数的要求，我们可以把个位的DB、DC端，十位的DA、DB端接入74HC30的输入端，其余输入端口则全部接VCC，则可以达到异步置位的功能.

接下来，要将74HC160的输入端接入CD4511的输入端，把四位二进制数译码为供数字显示的7位数据.在数字显示器和CD4511间，要加入能使数字显示器正常发光的电阻，在具体电路的测试中可知，使用475欧姆的电阻可以使数字显示器正常发光.

这种设计方案所制作出的伪随机数发生器的使用方法很简单.按下接通电源的启动开关后，LED就显示各种数字.计数器的内容从0开始按序号变化，不是随机的.所以可以使用稍快的时钟脉冲.在按下停止开关后的一段时间内，计数器照样工作，然后停止在某一数字上.这个数字就是得中的数字.