可預置數的1位隨機數產生電路的設計與仿真

楊 奇 賴康榮 王 超

(昌吉學院物理系，新疆 昌吉 831100)

1.引言

生活中常常會遇到需要產生多個不重復隨機數的問題，如隨機抽獎、搖號等從多個整數中隨機產生一個數。解決此問題的方法有多種如：軟件編程、硬件電路實現或仿真。我們可以利用《數字電子技術》知識通過仿真軟件進行仿真設計。Multisim是美國國家儀器公司 (NI)下屬的Electronics Workbench Group發(fā)布的交互式SPICE仿真和電路分析軟件，它是一款優(yōu)秀的電子電路輔助分析與設計軟件，其優(yōu)點很多，利用該軟件對電子電路進行仿真設計，不消耗實際的元器件，電路修改調試方便，提高了電子電路設計的效率，縮短了產品開發(fā)的周期，是目前大學課程中常用的電子設計應用軟件。下面讓我們一起來了解如何用Multisim來實現一定功能的電路并仿真。

2.設計要求與分析

2.1 設計要求

設計一個在0到9這十個數內可預置數的1位隨機數產生電路，即可以根據要求在0到9范圍內任意設定一定范圍內產生隨機數，如0到4，5到9等，要求：通過一個按鍵開關隨機抽取預先設定數范圍內中的一個數字，經譯碼后用數碼管直觀地顯示該隨機數。

2.2 分析

根據設計要求，數字至多在0到9可由十進制計數器狀態(tài)輸出獲取。由于計數器狀態(tài)輸出是周期性變化的，因此數字所設定的隨機數應均等地出現。為了保證隨機數均等地出現，其頻率可設定為10kHz。在確定初態(tài)的情況下，按鍵頻率要達到10kHz才能預知下一狀態(tài)。操作人員是遠遠達不到如此高的按鍵頻率，這樣就保證了隨機數出現的公正性。電路還需2個開關(用變量J1和J2表示)分別控制電路的工作狀態(tài)（計數和送數到譯碼顯示管）。根據上述任務分析確定設計方案。整個電路由開關控制等6個模塊組成。如圖1所示。

3.電路設計與仿真

3.1 計數器與寄存器設計

由于設計要求中：數字至多在0到9可由十進制計數器狀態(tài)輸出獲取。因此選用具有十進制加法計數功能的器件即可。本設計選用集成1進制同步加法計數器741S160。為了保證隨機數應均等地出現，其頻率可設定為10kHz。寄存器選用的是由4D邊沿觸發(fā)器構成的74Ls175。由于數字0也是搖號備選號碼，則計數器74Lsl60及寄存器74Lsl75皆不能作清零操作，避免數字O出現次數過多，影響隨機數產生的均等性。因此，計數器74LSl60和寄存器74LSl75的清零控制端無效，即CLR=1。若要在0到9范圍內任意設定一定范圍內產生隨機數，可以運用清零法，只需再加與非門或非門以及多路選擇開關與74Lsl60的清零端相連即可。

圖1 可預置1位隨機數產生電路原理圖

3.2 振蕩電路設計

振蕩電路用于產生計數器所需的時鐘脈沖信號。用于產生時鐘脈沖信號的電路有很多種，常用的有：由CMOS門電路構成多謝振蕩器、石英晶體振蕩器等。由于該電路設計精度要求不高，由LM555定時器構成的多謝振蕩器具有結構簡單、功能齊全、操作靈活、使用方便等優(yōu)點，因此時鐘脈沖由555定時器與RC組成的多諧振蕩器產生，如圖2所示，其振蕩頻率約10KHZ。

圖2 時鐘脈沖發(fā)生器

3.3 譯碼顯示電路設計

為直觀地觀察搖號結果，采用共陽極七段數碼管作為顯示器。譯碼電路采用74LS47，其輸入端A—D接寄存器74LSl75的輸出端1Q-4Q。電路如圖3所示。

圖3 譯碼顯示電路

3.4 開關控制電路設計

開關控制電路是整個電路的重要部分，需要兩個開關分別控制計數開始和產生隨機數，其功能為由表1所示電路功能。開關J1用于控制十進制計數器置數和計數，當J1與74LS160的置數控制端LOAD相連時，計數器的置數控制端LOAD=0，使得計數器處于置數狀態(tài)；當J1閉合時，計數器的置數控制端LOAD=1，使得計數器工作于計數狀態(tài)。其輸出循環(huán)產生0～9。J2用于產生隨機號操作，可與寄存器時鐘控制端CLK相連。沒按下J2鍵寄存器時鐘控制端CLK處就產生一個上升沿脈沖。

表1 電路功能

整體電路如圖4所示，根據表1功能分析如下：

(1)滅燈 開關J1斷開使74Ls160置數端有效，QAQBQCQD輸出 1111，送入 74LS175的輸入端，即1D2D3D4D為1111。按下開關J2，74LSl75的時鐘控制端CLK產生一個上升沿脈沖，其輸出1Q2Q3Q4Q也為1111。使74LS47的七路輸出全為0，則此時七段數碼管顯示為滅燈狀態(tài)。

(2)保持 開關J1閉合，74LS160工作于計數狀態(tài)。J2斷開，74LSl75的時鐘控制端CLK=0輸出保持，則此時七段數碼管顯示狀態(tài)也保持。

(3)產生隨機數 開關Jl閉合，74LS160工作于計數狀態(tài)。按下開關J2，74LSl75的時鐘控制端CLK產生一個上升沿脈沖，其輸出lQ-4Q為該時刻計數器的輸出QA～QD，通過74LS47譯碼后七段數碼管顯示出相應的隨機數。

根據如圖4所示的整體電路，為了更好地顯示整體電路，由555定時器與RC組成的多諧振蕩器產生的時鐘脈沖信號用Multisim軟件中的時鐘信號源來代替。圖4電路通過J1使74LS160處于計數狀態(tài)，通過多路選擇開關在0到9范圍內任意設定一定范圍內產生隨機數，當開關J3打到5V時產生0-9范圍內的隨機數，將J3打到另一邊，然后通過多路選擇開關S1選擇不同范圍內的隨機數，從左到右順時針依次是0-1、0-2、……0-8范圍內的隨機數，最后通過按下開關J2產生設定范圍內的隨機數。如圖當J1閉合，J3選擇其它范圍內的隨機數，S1選擇開關打到0-6范圍內，此時按下J2停止后在譯碼顯示器顯示隨機數是4。在規(guī)定的0-6范圍內，該電路滿足設計要求。

圖4 仿真電路

4.結束語

通過應用所學《數字電子技術》知識設計并仿真了可預置數的1位隨機數產生電路，讓我們不僅了解數字電路應用的廣泛性，而且了解Multisiml0軟件具有直觀的圖形界面、龐大的元器件庫、豐富的測試儀器、完備的分析工具、強大的仿真能力等特點，可廣泛應用于電子電路的教學、設計和科研中。

[1]王冠華.Multisiml0電路設計及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]聶典，丁偉.Multisiml0計算機仿真在電子電路設計中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]王全字，董昱.EDA技術創(chuàng)設電子技術課堂教學實驗環(huán)境的研究[J].儀器儀表用戶，2010，12(6)：104-105.

[4]黃培根.Multisim9虛擬仿真和業(yè)余制版實用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]劉貴棟，王淑娟.應用Mulitsim的“電子技術基礎”研究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2010，32(5)：60-61.