|
数字选号机,Random number generator
关键字：CD4046,CD4033,CD4069,CD40110,随机数字发生电路图
作者：李岗
一、电路原理
1．电路原理图
电路如下图所示。这个作品可以从0～9十个数字中随机选择一个数字；其特点是在一次选号过程中，数码管所显示的数字序列逐渐变慢，直至停止而得到结果。
2．电路原理
电路主要由电压控制振荡器、数字显示两部分组成，辅以按钮操作电路和声音提示电路。
 IC1为锁相环集成电路．4046，在本电路中只用到了它的压控振荡器功能。按下操作按钮AN1，松开后，4046的9脚输入电压就会从高逐渐变到低；这个电压控制4046内部的振荡器输出一个频率逐渐变慢、最后停止振荡的时钟脉冲信号。把这个脉冲信号输入到4033计数／译码器，驱动数码管显示输出结果。当时钟脉冲信号频率较高的时候，数码管快速显示“0”到“9”这10个数字序列；随着时钟信号频率逐渐降低最后到零，数码管最后显示的数字会停在0～9中的一个数字上，产生一次选号结果。由于一开始时钟信号频率为几百赫兹，所以操作者无法用按钮控制最后产生数字的结果，所得到的数字可以认为是随机的。 3．按钮操作电路 使用时按下按钮开关AN，此时电源电压通过电阻R4加到4046的9脚，电压迅速升高；压控振荡器工作。松开AN后，由于该脚上的R3、C2组成的积分电路的作用，9脚上的电压逐渐降低，直至电压为零；此时压控振荡器输出的脉冲频率逐渐降低，直至为零。本电路一次选号过程大约3秒钟；可以改变积分电路R3、C2的数值以获得不同的变化速度。电阻R4的作用是防止每次按下按钮开关时、通过电容C2的充电电流对开关的损害。 4．声音提示电路及电源稳压电路 由4脚输出的脉冲除了输出到4033之外，还输出到3脚的相位比较器I的输入端。将一个压电陶瓷片YD一端接在2脚的相位比较器I的输出端，另一端接地，就可以监听压控振荡器的工作状态。 二、组装选号机
整机可在二分之一的面包板上组装完成。
按钮开关AN应采用双脚长度10mm、可直接插入面包孔的；压电陶瓷发声片也有封装的、可直接插入面包板。
三、选号随机性验证实验
从理论上说，该电路产生的数字是随机的。但是这个结论还需通过于实验进行检验。
建议通过至少500次操作的实验，检验电路是否实现了设计的预期。检验方法是首先制作一个实验记录表，如下表所示。
进行总数为1000次的选号实验，将0～9各个数字出现的次数记录在表1中；可用“正”字记录结果。实验完成后，统计各个数字出现的总数；然后计算出每个数字占总次数的百分比。
|
选号机随机性验证表 |
1000次实验) |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
正 |
正 |
正 |
正 |
|
＿ |
正 |
＿ |
正 |
＿ |
|
102 |
88 |
131 |
… |
… |
|
|
|
|
|
最后对实验结果进行评估。一个可正常使用的选号机要求10个数字选中的几率是相同的。在总数1000次实验中，如果选中次数最多的数字和选中最少的数字与平均值100相差不超过50％，可以认为作品是成功的。如果其中有某个数字选中的次数大大低于或者大大高于平均值100，则作品不成功。
四、制作中心问题
1．数字选号机的初步构思
开始的数字选号机构思比较简单，其电路如下图所示。
4033在高速计数的过程中，理论上轮流显示0～9十个数字，但看起来是一个数字：8。该作品缺乏真实性和趣味性，不能令人满意。
于是，利用4069压控振荡器，实现显示数字产生渐慢效果的电路出现了，如下图所示。
 电路制作完毕并成功运行后，进行随机验证。发现数字“1”出现的次数明显少于其他数字。在总数1000次的实验中，仅出现了19次。 其原因是：7段数码管对于10个数字点亮管段数不同，电源供给的总电流也在随时变化；由于电源有内阻，电路的工作电压也随着不同数字的产生而波动。数字1显示电流小，电源电压较高，停振概率小。 电源上并联超过4700μF的电解电容，选号结果的不公平性依然存在。 2．一种通过定时电路的解决方案 为了解决上述问题，采用了一个定时器电路解决选号结果的产生时间；例如可增加一个4060组成的2秒钟定时器，使得每次选号过程固定在2秒钟内出结果。通过随机数验证实验，证明电路设计是可行的。 3．多位数选号机的设计与制作 可以用多个时钟脉冲分别驱动多个一位数显示器，也可以用一个时钟脉冲驱动一个多位数显示器。
|
