CN205620988U

CN205620988U - 一位硬件随机数发生器

Info

Publication number: CN205620988U
Application number: CN201620406039.8U
Authority: CN
Inventors: 周新淳
Original assignee: Baoji University of Arts and Sciences
Current assignee: Baoji University of Arts and Sciences
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2026-04-28

Abstract

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。

Description

一位硬件随机数发生器

技术领域

本实用新型属于电路的随机数发生技术领域，具体涉及一位硬件随机数发生器。

背景技术

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，而且有安全漏洞。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。

目前，大多数硬件随机数发生器方案通常可以归为三大类，即直接放大、离散时间混沌和振荡器采样。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，这种方案的缺点是采用这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耦合在一起，如果电路没有正确屏蔽，这些因素便会使热噪声源的随机性受到影响。离散时间混沌法使用模拟信号处理技术产生随机位流，一般来说，单是这种技术本身尚不足以产生随机序列，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，这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

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，低成本芯片组装，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。

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以及寄存器电路；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J₁、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。

较佳地，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。

较佳地，所述十进制计数器采用74HC160芯片构成其计数器电路。

较佳地，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J₂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。

较佳地，所述开关J₁与74HC160芯片的数据输入端连接，通过开关J₁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。

较佳地，所述显示电路为LED数码管。

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，可以产生一位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，常用芯片构建，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，低成本芯片组装，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，结果显示该电路可以满足日常生活中对随机数电路的要求。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图；

图2是本实用新型的多谐振荡器电路；

图3是计数器电路和寄存器电路；

图4是随机数范围切换开关电路；

图5是随机数产生电路仿真图；

图6是本实用新型仿真实验的随机结果柱状图；

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

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。

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以及寄存器电路；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J₁、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。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。其中555芯片的具体型号是LM555CM；该多谐振荡器电路其具体结构是：LM555CM芯片的VCC端口以及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芯片的THR端口、TRI端口以及电容C3的一端连接，电容C3的另一端接地；LM555CM芯片的GND端口接地、其CON端口通过电容C4接地。

555芯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芯片可以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芯片构成多谐振荡器，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100KHz以上。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，可以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J₁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。

所述高频脉冲产生电路具体利用555芯片构建多谐振荡器电路，555芯片的电源范围很宽，可以达到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芯片的经典应用，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以及电容决定。在实际应用过程中，可以将电阻更换为电位器，从而可以改变频率，进一步增加随机性。

f = \frac{1}{(R_{3} + 2 R_{4}) C_{3} \ln 2} - - - (1)

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。

进一步地，所述十进制计数器采用74HC160芯片构成其计数器电路，74HC160芯片的具体型号是74HC160D。

进一步地，所述74HC160D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，即与其OUT端口连接；同时74HC160D芯片的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74LS175D，4D锁存器74LS175D与74HC160D芯片的输出端口连接，如图3所示，即74HC160D芯片的QA端与4D锁存器74LS175D的1D端连接、74HC160D芯片的QB端与4D锁存器74LS175D的2D端连接、74HC160D芯片的QC端与4D锁存器74LS175D的3D端连接、74HC160D芯片的QD端与4D锁存器74LS175D的4D端连接；所述4D锁存器74LS175D的CLK端连接开关J₂，CLK端信号由开关J₂产生，开关J₂为弹簧开关，开关J₂常接低电平，按下后接高电平。

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，所以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芯片产生的高频时钟脉冲接至计数器芯片74HC160D的CLK端口，并将ENP、ENT端口接高电平VCC端，使计数芯片正常进行加法计数。这时，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CLK脉冲的频率。另外，由于74HC160D输出不具有锁存功能，所以直接显示结果的话，结果不能保存。为了达到按键后结果能稳定显示在LED数码管上，所以，如上所述，在74HC160D的输出端口接一个4输入的D锁存器74LS175D，此锁存器可以在CLK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按下可以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。

进一步地，如图4所示，所述开关J₁与74HC160D芯片的数据输入端连接，即：74HC160D芯片的B、C、D端口均接地，开关J₁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J₁选择74HC160D芯片输入端A端口接VCC或接GND；将74HC160D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，如图4所示反相器连接于RCO端口与～LOAD端口之间。

数据范围切换开关J₁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。74HC160的进位输出发生在当输出为1001(9)时，也就意味着要实现这两种区别，必须改变计数起点。为了满足这一要求，在计数器74HC160的数据输入端加入开关J₁，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RCO自动输出高电平，通过反相器将置数允许信号送至置数端LOAD。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Q_DQ_CQ_BQ_A，并从当前值开始计数。通过开关J₁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)。

本实用新型的工作原理：将开关J₁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，则可产生一位随机数。由于计数器的工作频率为100KHz，而人工按键的速度远远低于这一频率。所以，保证了产生数字的不可预知性。在实际使用中，可以将电路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。

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，此电路可以有效的产生一位随机数，随机结果近似平均分布，可以满足日常使用对随机数的要求。

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。本设计以四位显示为例，仍以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-七段码译码器4511，可以实现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接受弹簧按键S1作为脉冲CLK信号，每按一下实现加1操作。输出接2-4译码器74HC139的输入端，每按键一次，74HC139的四位输出Y₀Y₁Y₂Y₃依次有效，Y₀Y₁Y₂Y₃分别接至四个数码译码器4511的BL端口，BL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，所以每位数码管的显示都是不同的随机数字，随机性可以得到保证。

综上所述，本实用新型提供的硬件随机数发生器，可以产生一位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，常用芯片构建，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，低成本芯片组装，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，结果显示该电路可以满足日常生活中对随机数电路的要求。

以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。

Claims

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0～9和1～9两种数据范围进行切换的开关J₁、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J₂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J₁与74HC160芯片的数据输入端连接，通过开关J₁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。