偽隨機數發生器

孫福玉，曹萬蒼

（赤峰學院，內蒙古赤峰024000）

偽隨機數發生器

孫福玉，曹萬蒼

（赤峰學院，內蒙古赤峰024000）

文章分析了555電路、74HC160計數器、CD4511譯碼器等器件的基本工作原理，用555電路產生高頻脈沖信號，用74HC160計數，通過CD4511譯碼后送入數碼管顯示一個隨機數.

隨機數；偽隨機數；發生器

1 引言

隨機數在我們的生活中隨處可見，例如擲一枚色子所得到的點數、任何一個班級的學生數、某一路段的車流量或者是迎面行駛而來的車輛的車牌號等等.伴隨隨機事件而產生的隨機的數字稱為隨機數.因為隨機數的不可預知性，單一或者小規模的試驗是不能正確的估算出隨機數的規律的，試驗次數越多，則得到的結果越接近真正的答案.本文利用555電路產生脈沖信號，用74HC160計數，通過CD4511譯碼后送入數碼管顯示一個隨機數.

2 基本器件介紹

2.1 CD4511的功能介紹

首先，我們介紹一下支持數字輸出的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，七段顯示數碼管處于熄滅狀態，也稱為消隱狀態，七段顯示數碼不顯示數字.如果BI為1，各筆段均正常顯示.

3管腳LT管腳為測試輸入端子，當BI為1，LT為0時，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，從而顯示數字8.各筆段均被點亮，以檢查顯示是否有故障發生.

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，傳輸門的導通或截止由控制端LE的電平狀態.當LE=0時，允許譯碼輸出.LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數值.

A1、A2、A3、A4為譯碼器輸入端.a、b、c、d、e、f、g為譯碼輸出端，用于驅動共陰極數碼管工作，輸出為高電平1時有效.

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

由以上關于CD4511的介紹可知，它能夠根據外部信號使LED點亮或者熄滅，從而達到譯碼輸出的功能.

2.2 74HC160的功能介紹

74HC160是74系列的4位同步式十進制計數器，74HC160管腳圖如圖2所示.

圖2 74HC160管腳圖

74HC160的具體功能如下：

CLK：時鐘脈沖輸入端.引入外部時鐘控制脈沖的輸入端，無時鐘脈沖輸入時，無法使用計數功能.74HC160接入電路后與譯碼器等電路元件共用同一時鐘脈沖.

CLR：復位端，低電平有效，當CLR=0時，輸出端異步歸零.

ENP：禁止計數端，低電平有效，當ENP=0時，計數器失去計數功能.

ENT：計數和RC禁止端，低電平有效，當ENT=0時，計數器失去計數和RC功能.同時，ENP失去作用.也就是說，當ENT為低電平時，無論ENP是高電平還是低電平，都無法實現計數功能.

LOAD：寄存/計數端，低電平寄存，高電平計數，即當LOAD=0時，計數器處于寄存狀態，存儲的是前一時鐘周期的狀態，當LOAD=1時，計數器處于計數狀態.

由以上有關于74HC160功能的介紹，我們可以了解到：使用兩個74HC160級聯可以達到我們要求的37進制計數器，還要利用LOAD端的寄存/計數功能來設計數字顯示的偽隨機數發生器的復位功能.

2.3 555定時器的功能介紹

在通常的集成電路中，要使電路的各個元件良好地工作在同一狀態下，必須對其時鐘控制電路進行設計和改善.在本電路中，我們使用555定時器產生時鐘脈沖.接下來，我們對NE555作一介紹.NE555管腳圖如圖3所示：

圖3 NE555管腳圖

555定時器的各個引腳功能如下：

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為低觸發端.管腳6為高觸發端子.管腳4為直接清零端.當該端子接低電平0時，時基電路不工作，這時不論TH處于何電平，時基電路輸出均為0，該端不用時應接高電平1.管腳5為控制電壓端子.若此管腳外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當不用該管腳時，應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，用做定時器時電容的放電.

555定時器在本電路設計中，應使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腳間加滑動變阻器以改變輸出時鐘脈沖的頻率，以達到產生時鐘脈沖的作用.時鐘脈沖的頻率如下式所示，通過調節R1，R2，C1可以得到不同頻率的時鐘.

3 用數字顯示的偽隨機數發生器電路的分析

圖4是偽隨機數發生器的電路圖.由于只是使用計數器，所以并不復雜.

在此電路的設計過程中，首先由555定時器產生控制74HC160計數的時鐘脈沖.因此，在具體電路的制作與焊接過程中，可以在555定時器與計數器的連接線上加一開關.開關按下，則開始計數，開關松開，則停止計數并顯示上一狀態的數字.同時，可以通過調節其外接電容來控制其輸出時鐘脈沖的高低.在具體電路的制作過程中，作者使用的是0—10K的滑動變阻器，在安裝焊接前，調節電阻到5K，可以正常顯示數字.

然后，由兩個74HC160構成該電路的計數器.注意，由于我們只要求計數到36，所以在設計時，由兩個74HC160的LOAD端接出一個74HC30（八輸入與非門）來進行置位，設計我們對計數的要求，我們可以把個位的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，把四位二進制數譯碼為供數字顯示的7位數據.在數字顯示器和CD4511間，要加入能使數字顯示器正常發光的電阻，在具體電路的測試中可知，使用475歐姆的電阻可以使數字顯示器正常發光.

這種設計方案所制作出的偽隨機數發生器的使用方法很簡單.按下接通電源的啟動開關后，LED就顯示各種數字.計數器的內容從0開始按序號變化，不是隨機的.所以可以使用稍快的時鐘脈沖.在按下停止開關后的一段時間內，計數器照樣工作，然后停止在某一數字上.這個數字就是得中的數字.

圖4 偽隨機數發生器電路圖

4 結束語

文章分析了555電路、74HC160計數器、CD4511譯碼器等器件的基本工作原理，用555電路產生高頻脈沖信號，用74HC160計數，通過CD4511譯碼后送入數碼管顯示一個隨機數.

〔1〕湯山俊夫.數字電路設計與制作[M].北京：科學出版社，2009.

〔2〕黃智偉.電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京：電子工業出版社，2009.

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

〔4〕張慶雙.LED應用電路精選[M].北京：機械工業出版社，2010.

TP212

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1673-260X（2013）12-0030-02