一位硬件随机数发生器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种一位硬件随机数发生器，属于电路的随机数发生技术领域，其电路包括开关电路、显示电路、高频脉冲产生电路、十进制计数器以及寄存器电路，其中高频脉冲产生电路与十进制计数器连接，将作为时钟脉冲信号的高频脉冲信号送至十进制计数器；十进制计数器与寄存器电路连接，寄存器电路与显示电路连接，寄存器电路将十进制计数器中产生的一位数字送至显示电路进行显示并锁存。本实用新型可以生成一位十进制随机数，电路采用常用芯片设计，产品方便可靠，成本低廉。并利用仿真软件进行数据统计，仿真结果表明该电路可以有效实现随机产生数码0到9的功能。
【专利说明】
-位硬件随机数发生器
技术领域
[0001] 本实用新型属于电路的随机数发生技术领域，具体设及一位硬件随机数发生器。
【背景技术】
[0002] 现代生活对随机数的依赖越来越多，比如彩票摇号，车牌摇号，抽取幸运观众等 等。很多地方要求有使用方便、安全快捷的随机数产生方法。当前主流的随机数电路分为两 种，软件型和硬件型。软件型的随机数产生电路方便快捷，但是安全性不高，而且必须借助 电脑运行，在一些重要场合往往不方便使用，而且有安全漏桐。硬件随机数使用简单，做成 成品后杜绝了被修改的可能性，安全性较高。
[0003] 目前，大多数硬件随机数发生器方案通常可W归为Ξ大类，即直接放大、离散时间 混浊和振荡器采样。直接放大技术使用高增益高带宽放大器来处理由热噪声或散射噪声引 起的电压变化，运种方案的缺点是采用运种方法时设计人员必须要考虑其它一些因素，如 系统热噪声通常与基底噪声及电源电压波动等局部特征禪合在一起，如果电路没有正确屏 蔽，运些因素便会使热噪声源的随机性受到影响。离散时间混浊法使用模拟信号处理技术 产生随机位流，一般来说，单是运种技术本身尚不足W产生随机序列，因为电路的不准确性 限制了 A/D转换分辨率，也降低了系统产生随机序列的能力。因此，为获得非确定随机性，运 种技术常常要与其它技术配合使用。随机数发生器(RNG)设计中最流行的方法是振荡器采 样法，其基本设计思想是利用两个独立工作的高、低频振荡器之间的相对关系来得到非确 定噪声源，用高抖动低频振荡器采样高频振荡器，从而产生随机数序列，但是目前市场上采 用振荡器采样法的硬件随机数发生器均具有原理复杂、电路繁杂、成本高昂的缺点。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种一位硬件随机数 发生器，其采用简洁电路设计，低成本忍片组装，达到便携、低价、快速产生随机数的目的； 在保证随机数发生精度的基础上，同时具有低功耗、低成本的优点。
[0005] 为此，本实用新型提供了一种一位硬件随机数发生器，包括开关电路、显示电路、 高频脉冲产生电路、用于产生0~9或者1~9数据的十进制计数器W及寄存器电路;所述开 关电路包括对十进制计数器产生0~9和1~9两种数据范围进行切换的开关Ji、用于产生寄 存器电路触发信号的开关J2W及用于控制整个硬件随机数发生器电源的开关J3;所述高频 脉冲产生电路与十进制计数器连接，将作为时钟脉冲信号的高频脉冲信号送至十进制计数 器;所述十进制计数器与寄存器电路连接，寄存器电路与显示电路连接，寄存器电路将十进 制计数器中产生的一位数字送至显示电路进行显示并锁存。
[0006] 较佳地，所述高频脉冲产生电路包括利用555忍片构建的用于产生高频矩形脉冲 信号的多谐振荡器电路。
[0007] 较佳地，所述十进制计数器采用74肥160忍片构成其计数器电路。
[000引较佳地，所述74肥160忍片的化K端口与高频脉冲产生电路的高频时钟脉冲输出端 连接，同时74HC160忍片的ENP、ENT端口接高电平;所述寄存器电路包括4D锁存器74LS175， 4D锁存器7化S175与74肥160忍片的输出端口连接，所述4D锁存器74LS175的化K信号由开关 J2产生，所述开关J2为弹黃开关，开关J2常接低电平，按下后接高电平。
[0009]较佳地，所述开关Ji与74肥160忍片的数据输入端连接，通过开关Ji选择74肥160忍 片输入端A 口接VCC或接GND;所述74HC160忍片设为置数形式，即当计数值达到9时，其进位 输出端RC0自动输出高电平，并通过反相器将置数允许信号送至置数端LOAD。
[0010]较佳地，所述显示电路为16踐^码管。
[0011] 本实用新型的有益效果:本实用新型提供的硬件随机数发生器，可W产生一位0~ 9或者1~9的随机数，本实用新型使用按键控制，采用逻辑电路设计，常用忍片构建，硬件方 式产生一位随机数，原理简单，易于实现，操作方便，可靠性强。本实用新型采用简洁电路设 计，低成本忍片组装，达到便携、低价、快速产生随机数的目的;在保证随机数发生精度的基 础上，同时具有低功耗、低成本的优点。结果随机性较强，可广泛应用于日常生活中多个领 域。利用Multisim软件对本实用新型进行了仿真，结果显示该电路可W满足日常生活中对 随机数电路的要求。
[0012] W下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型的系统结构图；
[0014] 图2是本实用新型的多谐振荡器电路；
[0015] 图3是计数器电路和寄存器电路；
[0016] 图4是随机数范围切换开关电路；
[0017] 图5是随机数产生电路仿真图；
[0018] 图6是本实用新型仿真实验的随机结果柱状图；
[0019] 图7是一位硬件随机数发生电路扩展出的显示多位数字随机数电路。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图，对本实用新型的一个【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本 实用新型的保护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0021] 本实用新型主要利用了数据高频循环，低频采集的概念产生随机数。如图1所示， 本实用新型提供的一位硬件随机数发生器，包括开关电路、显示电路、高频脉冲产生电路、 用于产生0~9或者1~9数据的十进制计数器W及寄存器电路;其中开关电路包括对十进制 计数器产生0~9和1~9两种数据范围进行切换的开关Ji、用于产生寄存器电路触发信号的 开关J2W及用于控制整个硬件随机数发生器电源的开关J3;所述高频脉冲产生电路与十进 制计数器连接，将作为时钟脉冲信号的高频脉冲信号送至十进制计数器;所述十进制计数 器与寄存器电路连接，寄存器电路与显示电路连接，寄存器电路将十进制计数器中产生的 一位数字送至显示电路进行显示并锁存。所述高频脉冲产生电路包括利用555忍片构建的 用于产生高频矩形脉冲信号的多谐振荡器电路。其中555忍片的具体型号是LM555CM;该多 谐振荡器电路其具体结构是:LM555CM忍片的VCC端口 W及RST端口接5V的VCC供电端；同时， 其DIS端口通过电阻R3接VCC供电端，DIS端口还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端分别与 LM555CM忍片的Τ皿端口、TRI端口 W及电容C3的一端连接，电容C3的另一端接地;LM555CM忍 片的GND端口接地、其CON端口通过电容C4接地。
[0022] 555忍片定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，使用555忍片可 W很方便的构成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器，在各种电子制作领域都有很 广泛的应用。本实施例中利用555忍片构成多谐振荡器，产生高频脉冲，为了满足随机性和 保密性，根据需要可将脉冲频率调至100K化W上。十进制计数器用于产生0~9或者1~9的 数据，可在高频脉冲驱动下进行数据的高速循环计数。开关J2用于产生寄存器电路的触发 信号，当其接通有效时，可W将计数器中相对应的某一位数字送至显示电路进行显示并进 行锁存。根据实际用途，开关Ji作为数据范围切换按钮，可用于在0~9和1~9两种数据范围 的切换。开关J3为电源开关，控制整个电路的电源。
[0023] 所述高频脉冲产生电路具体利用555忍片构建多谐振荡器电路，555忍片的电源范 围很宽，可W达到5-12V，在实际使用过程中，可是使用电池组供电，使用便捷。多谐振荡器 电路如图2所示，此电路为555忍片的经典应用，可用来产生高频矩形脉冲信号，脉冲信号频 率为式（1)所示，输出频率由电路中电阻W及电容决定。在实际应用过程中，可W将电阻更 换为电位器，从而可W改变频率，进一步增加随机性。
[0024]
(1)
[0025] 将高频脉冲信号送至计数器电路，作为计数器的时钟脉冲信号。
[00%] 进一步地，所述十进制计数器采用74HC160忍片构成其计数器电路，74HC160忍片 的具体型号是74肥160D。
[0027]进一步地，所述74HC160D忍片的化K端口与高频脉冲产生电路的高频时钟脉冲输 出端连接，即与其OUT端口连接；同时74肥160D忍片的ENP、ENT端口接高电平，即接5V的VCC 端；所述寄存器电路包括4D锁存器74LS175,4D锁存器的具体型号是74LS17加，4D锁存器 7化S17抓与74肥160D忍片的输出端口连接，如图3所示，即74肥160D忍片的QA端与4D锁存器 7化S17抓的1D端连接、74肥160D忍片的QB端与4D锁存器7化S17加的2D端连接、74HC160D忍 片的QC端与4D锁存器7化S17加的3D端连接、74肥160D忍片的QD端与4D锁存器7化S17抓的4D 端连接;所述4D锁存器7化S17加的化K端连接开关J2，CLK端信号由开关J2产生，开关J2为弹 黃开关，开关J2常接低电平，按下后接高电平。
[002引十进制计数器及寄存器电路应该让数据在0~9或1~9中间高速循环计数，所W应 该采用十进制计数器。本实施例中采用十进制计数器74HC160完成，具体型号是74HC160D， 将555忍片产生的高频时钟脉冲接至计数器忍片74HC160D的CLK端口，并将ENP、ENT端口接 高电平VCC端，使计数忍片正常进行加法计数。运时，在CLK脉冲的作用下，74HC160D工作在0 ~9循环计数的状态，计数频率为化K脉冲的频率。另外，由于74HC160D输出不具有锁存功 能，所W直接显示结果的话，结果不能保存。为了达到按键后结果能稳定显示在Lm)数码管 上，所W，如上所述，在74HC160D的输出端口接一个4输入的D锁存器74LS17加，此锁存器可 W在化K有效的瞬间将输入值无损传输至输出，并且在CLK有效信号消失后维持输出不变， 从而将采集到的随机数稳定显示。开关J2按下可W产生一个上升沿从而驱动锁存器工作， 具体电路如图3所示。
[0029]进一步地，如图4所示，所述开关Ji与74HC160D忍片的数据输入端连接，即： 74HC160D忍片的B、C、D端口均接地，开关Ji可选择将A端口与VCC端接通，或者将A端口与地 之间接通，即通过开关Ji选择74肥160D忍片输入端A端口接VCC或接GND;将74肥160D忍片设 为置数形式，即当计数值达到9时，其进位输出端RCO自动输出高电平，并通过反相器将置数 允许信号送至置数端LOAD，如图4所示反相器连接于RCO端口与~LOAD端口之间。
[0030] 数据范围切换开关Ji的设计：日常生活中，随机数的产生有0~9和1~9两种应用 场景。74肥160的进位输出发生在当输出为1001(9)时，也就意味着要实现运两种区别，必须 改变计数起点。为了满足运一要求，在计数器74HC160的数据输入端加入开关Ji，如图4所 示。并且将计数器设置为置数形式，具体为当计数值达到9时，进位输出端RC0自动输出高电 平，通过反相器将置数允许信号送至置数端L0AD"74HC160具有异步复位和同步置数功能。 此时，置数LOAD接受到有效信号，在下一个CLK脉冲驱动下，会将输入DCBA的当前值送至输 出端QdQcQbQa，并从当前值开始计数。通过开关Ji决定输入端A 口接VCC还是接GND，从而决定 计数起点是0000 (0)还是0001 (1)。
[0031] 本实用新型的工作原理:将开关Ji至于接地状态，使起始值工作于0000状态，即随 机数会在0~9中产生。接通电源J3使电路处于工作状态，每按一次J2按键，贝可产生一位随 机数。由于计数器的工作频率为100K化，而人工按键的速度远远低于运一频率。所W，保证 了产生数字的不可预知性。在实际使用中，可W将电路R6改装为电位器，在每次产生随机数 前，都手动改变其电阻值，从而改变CLK的计数频率，从而进一步提高随机性。
[0032] 图5为本实用新型的整体电路仿真图，在Multisim软件中对随机数产生电路进行 仿真，每按键100下作为一组数据，统计0-9各个数字出现的次数，连续测量10组数据，并对 其进行平均。做出如图6所示随机结果柱状图。从结果来看，此电路可W有效的产生一位随 机数，随机结果近似平均分布，可W满足日常使用对随机数的要求。
[0033] 本实用新型的功能扩展:有时候除了显示1位数字外，还需要循环显示多位数字。 如图7所示，是一种多位循环显示的改进电路。本设计W四位显示为例，仍W上述电路为主 要结构。将锁存器74LS175的四位输出分别接至BCD码-屯段码译码器4511，可W实现4位共 阴数码管同时显示。为了达到逐位显示的目的，使用计数器和2-4译码器组成逐位片选系 统。74HC160接受弹黃按键S1作为脉冲化K信号，每按一下实现加1操作。输出接2-4译码器 74肥139的输入端，每按键一次，74HC139的四位输出Y0Y1Y2Y3依次有效，ΥοΥιΥ2&分别接至四 个数码译码器4511的化端口，化端口为输出消隐控制端，当其有效时该译码器所对应的数 码管亮。74HC139的输出在计数器CLK的驱动下为依次有效，从而实现，4位数码管依次亮。数 码管的数据来自于前述电路的高频输出，所W每位数码管的显示都是不同的随机数字，随 机性可W得到保证。
[0034] 综上所述，本实用新型提供的硬件随机数发生器，可W产生一位0~9或者1~9的 随机数，本实用新型使用按键控制，采用逻辑电路设计，常用忍片构建，硬件方式产生一位 随机数，原理简单，易于实现，操作方便，可靠性强。本实用新型采用简洁电路设计，低成本 忍片组装，达到便携、低价、快速产生随机数的目的;在保证随机数发生精度的基础上，同时 具有低功耗、低成本的优点。结果随机性较强，可广泛应用于日常生活中多个领域。如果需 要多位随机数，可多次运行。利用Multisim软件对本实用新型进行了仿真，结果显示该电路 可W满足日常生活中对随机数电路的要求。
[0035] W上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局 限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一位硬件随机数发生器，其特征在于:包括开关电路、显示电路、高频脉冲产生电路、 用于产生0~9或者1~9数据的十进制计数器以及寄存器电路； 所述开关电路包括对十进制计数器产生〇~9和1~9两种数据范围进行切换的开关心、 用于产生寄存器电路触发信号的开关J2以及用于控制整个硬件随机数发生器电源的开关 J3 ； 所述高频脉冲产生电路与十进制计数器连接，将作为时钟脉冲信号的高频脉冲信号送 至十进制计数器;所述十进制计数器与寄存器电路连接，寄存器电路与显示电路连接，寄存 器电路将十进制计数器中产生的一位数字送至显示电路进行显示并锁存。2. 如权利要求1所述的一位硬件随机数发生器，其特征在于:所述高频脉冲产生电路包 括利用555芯片构建的用于产生高频矩形脉冲信号的多谐振荡器电路。3. 如权利要求1所述的一位硬件随机数发生器，其特征在于：所述十进制计数器采用 74HC160芯片构成其计数器电路。4. 如权利要求3所述的一位硬件随机数发生器，其特征在于:所述74HC160芯片的CLK端 口与高频脉冲产生电路的高频时钟脉冲输出端连接，同时74HC160芯片的ENP、ENT端口接高 电平;所述寄存器电路包括4D锁存器74LS175,4D锁存器74LS175与74HC160芯片的输出端口 连接，所述4D锁存器74LS175的CLK信号由开关J 2产生，所述开关J2为弹簧开关，开关J2常接 低电平，按下后接高电平。5. 如权利要求3所述的一位硬件随机数发生器，其特征在于:所述开关心与74!〇60芯片 的数据输入端连接，通过开关Ji选择74HC160芯片输入端A 口接VCC或接GND;所述74HC160芯 片设为置数形式，即当计数值达到9时，其进位输出端RCO自动输出高电平，并通过反相器将 置数允许信号送至置数端LOAD。6. 如权利要求1所述的一位硬件随机数发生器，其特征在于:所述显示电路为LED数码 管。
【文档编号】G06F7/58GK205620988SQ201620406039
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】周新淳
【申请人】宝鸡文理学院