一种基于稳压二极管和比较器的随机数发生电路的制作方法

1.本实用新型属于电路设计领域，更具体的说，是涉及一种基于稳压二极管和比较器的随机数发生电路。


背景技术：

2.随着计算机技术的高速发展，信息安全已成为信息产品中的关键部分。尤其对需要进行数据加密的安全产品而言，加密模块是否具有良好的安全性就成为了重中之重。通常的加密模块需使用一串随机数字来生成加密密钥，而随机数的随机性就是加密模块安全性的一项重要指标。所以能够生成具有良好随机性的随机数，属于信息安全领域的关键技术之一。基于软件所产生的随机数，是由人为设计的运算公式产生，其结果可被重现，无法满足较高安全级别的需求，所以需利用硬件电路中无法被人为控制的物理特性，来产生随机性较高的随机数。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种组成简单、成本较低的基于稳压二极管和比较器的随机数发生电路，能够根据外部提供的时钟频率，产生同频率的随机数序列，供其它芯片采集使用。
4.本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。
5.本实用新型基于稳压二极管和比较器的随机数发生电路，包括稳压二极管、比较器芯片、电感、电容、一号电阻、二号电阻、三号电阻、四号电阻、五号电阻、六号电阻、七号电阻；
6.所述稳压二极管的负极依次经电感、一号电阻接至5v直流电源，正极接地；
7.外部的时钟模块依次经二号电阻、三号电阻接地，5v直流电源依次经四号电阻、五号电阻接地，所述电容的一端连接至二号电阻和三号电阻之间，另一端连接至四号电阻和五号电阻之间；
8.所述比较器芯片的反相输入端连接至稳压二极管的负极，正相输入端连接至四号电阻和五号电阻之间，电源正极连接5v直流电源，电源负极接地，输出端依次经六号电阻、七号电阻接地；使用时，外部的随机数采集芯片连接至六号电阻和七号电阻之间。
9.将稳压二极管产生的白噪声信号与外部时钟信号分别接入比较器芯片的正、反相输入端进行电压比较，输出端输出比较结果，结果信号的频率与外部时钟信号相同。
10.与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：
11.（1）本实用新型中比较器芯片在5v供电时最大切换频率80mhz，使比较器芯片在每个时钟周期进行一次比较，并以80mhz的频率将结果输出，可获得80mbps的高速随机数信号；
12.（2）本实用新型能够根据外部提供的时钟频率，产生同频率的随机数序列，供其它芯片采集使用
13.（3）本实用新型所设计的随机数发生电路采用了元器件的物理特性产生无法预测的随机信号，具有组成简单、成本低、随机性强、速率较高的特点。
附图说明
14.图1是本实用新型基于稳压二极管和比较器的随机数发生电路的原理图。
15.附图标记：d1-稳压二极管，u1-比较器芯片，l1-电感，c1-电容，r1-一号电阻，r2-二号电阻，r3-三号电阻，r4-四号电阻，r5-五号电阻，r6-六号电阻，r7-七号电阻，gnd-地。
具体实施方式
16.下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
17.如图1所示，本实用新型基于稳压二极管和比较器的随机数发生电路，包括稳压二极管d1、比较器芯片u1、电感l1、电容c1、一号电阻r1、二号电阻r2、三号电阻r3、四号电阻r4、五号电阻r5、六号电阻r6、七号电阻r7。
18.所述稳压二极管d1的负极依次经电感l1、一号电阻r1接至5v直流电源，正极接地gnd。稳压二极管d1，使其工作在反向击穿状态时，利用负极产生的白噪声信号作为随机信号的来源。
19.外部的时钟模块依次经二号电阻r2、三号电阻r3接地gnd，5v直流电源依次经四号电阻r4、五号电阻r5接地gnd，所述电容c1的一端连接至二号电阻r2和三号电阻r3之间，另一端连接至四号电阻r4和五号电阻r5之间；
20.所述比较器芯片u1的反相输入端连接至稳压二极管d1的负极，正相输入端连接至四号电阻r4和五号电阻r5之间，电源正极连接5v直流电源，电源负极接地gnd，输出端依次经六号电阻r6、七号电阻r7接地gnd。使用时，外部的随机数采集芯片连接至六号电阻r6和七号电阻r7之间。
21.比较器芯片u1，将稳压二极管d1产生的白噪声信号与外部时钟信号分别接入比较器芯片u1的正、反相输入端（+in、-in两个输入管脚）进行电压比较，输出端（out管脚）可输出比较结果，结果信号的频率与外部时钟信号相同。
22.稳压二极管d1的型号可为1n4727a，典型稳压值为3v，最小稳压电流1ma，最大稳压电流275ma。比较器芯片u1的型号可为tlv3501，是一款高速电压比较器，工作电压2.7~5.5v，5v供电时最大切换频率80mhz，传递延迟时间4.5ns，典型失调电压
±
1mv，轨到轨输出可直接驱动cmos或ttl逻辑。
23.应用本实用新型的电路时，提供直流电源5v，通过一号电阻r1（510ω）和电感l1（4.7uh）接至稳压二极管d1（1n4727a）的负极，稳压二极管d1正极接地gnd。此时稳压二极管d1工作在反向击穿状态，负极的电压将会维持在3v，此时由一号电阻r1、电感l1、稳压二极管d1组成的串联电路的工作电流为（5v-3v）/51ω=39.2ma，该工作电流下，电阻、电感、稳压二极管均工作在额定范围内，无损坏风险。当稳压二极管d1工作在反向击穿状态时，其内部的pn结会产生白噪声，即快速、随机的电压变化，其幅度与反向击穿电流有关，本电路中的稳压二极管d1持续击穿电流约为39.2ma，可产生幅度大约为
±
30mv，即平均电压为3v、vp-p=60mv的白噪声信号。利用电感通直流、阻交流的特性，使得该噪声信号不会传导至一号电阻r1和5v电源端而被滤除，只能输入到比较器芯片u1（tlv3501）的输入管脚1（-in）。
24.另外可由外部晶振或其它芯片提供电平为3.3v的时钟信号，推荐频率80mhz。为使该时钟信号能够与稳压二极管d1产生的白噪声信号进行比较，并且不破坏白噪声信号的随机性，需要通过分压的二号电阻r2（10kω）、三号电阻r3（100ω）将该时钟信号的幅度缩减至3.3v/(10k+100)
×
100=32.7mv，即vp-p=32.7mv。之后通过交流耦合电容c1（0.1uf）使时钟信号的直流分量调整至四号电阻r4（6.6kω）和五号电阻r5（10kω）之间的电压值，该电压为5v/(6.6k+10k)
×
10k=3.01v。此时可得到平均电压3.01v、vp-p=32.7mv，频率80mhz的时钟信号，并输入到比较器芯片u1的输入管脚3（+in）。
25.比较器芯片u1（tlv3501）使用5v工作电压接入管脚4（v+），管脚2（v-）接地。管脚1（-in）接入由稳压二极管产生的白噪声信号，管脚3（+in）接入经过幅度和电压调整的时钟信号。当输入管脚3（+in）的电压大于输入管脚1（-in）的电压时，比较器芯片u1的管脚5（out）输出高电平5v，当输入管脚3（+in）的电压小于输入管脚1（-in）的电压时，管脚5（out）输出低电平0v，通过六号电阻r6（5.1kω）、七号电阻r7（10kω）可将输出电平的高电压转换为3.3v、低电平0v不变，则可接至工作在3.3v电压的芯片管脚，从而对比较器芯片u1输出的随机信号进行采集使用。
26.由于接入管脚1的白噪声信号幅度（vp-p=60mv）大于接至管脚3的时钟信号幅度（vp-p=32.7mv），所以无论选取时钟信号的高电平区域还是低电平区域与白噪声信号进行多次比较，都无法确定电压更高的一方，使输出信号保留了白噪声信号较强的随机性。本电路中选用的比较器芯片u1的典型失调电压为
±
1mv，则说明只要两输入管脚之间的电压差大于1mv，就可进行比较并输出相应结果，具有较高的灵敏度。该比较器芯片u1在5v供电时最大切换频率80mhz，而从管脚3输入的时钟频率是80mhz，使比较器芯片u1在每个时钟周期进行一次比较，并以80mhz的频率将结果输出，可获得80mbps的高速随机数信号。
27.市面上通常使用的随机数发生芯片速率一般在1~20mbps，无法达到本使用新型提供的80mbps随机数生成速率。而使用软件实现的随机数生成程序虽然可达到较高速率，但其随机性还需进行验证后才可使用。本实用新型所设计的随机数发生电路采用了元器件的物理特性产生无法预测的随机信号，具有组成简单、成本低、随机性强、速率较高的特点。
28.尽管上面结合附图对本实用新型的功能及工作过程进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。