Генератор случайных чисел "Игральная кость"
категория
Цифровые микросхемы и их применение
Журнал Радио 1 номер 1998 год
В. БАННИКОВ, г. Москва
Всем знакома обыкновенная игральная кость - кубик, на грани которого нанесены от одной до шести точечных меток. Известно, что именно анализ результатов бросания такой кости был заложен в основу теории вероятности. С давних пор игральные кости являются обязательным элементом многих игр. Но оказывается, что этот "инструмент" можно выполнить и на основе электроники. Такая "кость" не становится на ребро, не падает на пол, да и подбрасывать ее не придется. Достаточно лишь нажать кнопку, и через несколько секунд выпадет очередной результат.
Возможны различные варианты реализации подобной конструкции. Принципиальная схема одного из них изображена на рис. 1.
В нем выпавшее число отображается на цифровом индикаторе HG1, сегменты которого коммутируются электронными ключами на транзисторах VT1-VT9 [1]. Устройство также содержит счетчик, выполненный на микросхеме DD2, и генератор импульсов на элементах DD1.1, DD1.2. Частота следования импульсов зависит от напряжения на конденсаторе С1 и изменяется по мере его разрядки от 10 Гц до долей Герца.
Как известно, микросхема К176ИЕЗ является счетчиком-делителем на 6 со встроенным дешифратором. На выходе дешифратора попеременно появляются коды, соответствующие отображаемым цифрам от 0 до 5. Но поскольку игральная кость характеризуется числами от 1 до 6. то необходимо, чтобы вместо нуля индикатор отображал шестерку. С этой целью счетчик снабжен дополнительным дешифратором, выполненным на элементах DD1.3, DD1.4 и транзисторах VT2, VT9.
Заметим, что признаком цифры 0 можно считать наличие сигналов нулевого уровня на выходах с и е микросхемы DD2. Отображение любой другой цифры в диапазоне от 1 до 5 характеризуется присутствием хотя бы на одном из них уровня логической 1. Следовательно, в тот момент, когда на выходах сие появляется напряжение низкого уровня, индикатор должен отобразить вместо 0 цифру 6. При использовании семисегментного индикатора это означает, что необходимо погасить сегмент b и зажечь d.
Именно это и осуществляет дополнительный дешифратор. Установление нулевых уровней на выводах 11 и 13 микросхемы DD2 приводит к появлению такого же сигнала на выходе элемента DD1.4. В результате открываются транзисторы VT2 и VT9. Первый из них закрывает VT3, что приводит к погасанию сегмента b индикатора HG1. Второй шунтирует транзистор VT8, благодаря чему включается сегмент g. Таким образом и формируется требуемая цифра 6.
Устройство работает следующим образом. В исходном (показанном на схеме) состоянии контактов кнопки SB1 индикатор HG1 отображает одну из цифр от 1 до 6. При нажатии на кнопку конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R2, вследствие чего генератор начинает вырабатывать прямоугольные импульсы с частотой следования примерно 10 Гц. С его выхода сигналы поступают на счетчик DD2. и на индикаторе HG1 появляются непрерывно мелькающие цифры. После отпускания кнопки SB1 конденсатор С1 начинает разряжаться, частота генератора плавно снижается и скорость смены цифр на индикаторе уменьшается. Примерно через 3 с счетчик DD2 останавливается и на индикаторе HG1 отображается одна из цифр от 1 до 6. Его состояние остается неизменным до следующего нажатия на кнопку SB1 Такая фиксация "выпавшей" цифры не только придает игре повышенную занимательность, но и препятствует жульничеству игроков.
Питается устройство от сети. Излишек напряжения гасит конденсатор С6 (номинальное напряжение не менее 600 В). Резистор R15 ограничивает ток через этот конденсатор, a R14 разряжает его после отключения устройства от сети. Постоянное напряжение около 24 В формируется стабилитронами VD2, VD3. Мощность, рассеиваемая на них, невелика, поэтому допустимо их использование без теплоотвода.
На резисторе R10 создается падение напряжения около 9 В, используемое для питания микросхем DD1, DD2 и транзисторов VT1-VT9. Потребляемая устройством мощность не превышает 2 Вт. Следует учесть, что все его элементы находятся под напряжением сети. В связи с этим они должны быть тщательно изолированы от корпуса, если он выполнен из металла.
Вместо ИВ-6 можно применить светодиодный семисегментный индикатор, например, АЛ305А или АЛ305Ж. воспользовавшись рекомендациями, приведенными в [1]. Однако лучше всего выполнить индикатор в традиционной форме игральной кости, с точками вместо цифр. Другими словами, в этом случае получится универсальная грань кубика, на которой будут загораться от одной до шести светодиодных "точек".
Именно такой индикатор применен во втором варианте устройства (рис. 2). Здесь пусковая цепь (SB1, R1 и С1) и генератор импульсов (элементы DD1.1, DD1.2. VD1, С2, С3, R2-R5) аналогичны описанным выше. Счетчик-делитель частоты на 6 выполнен на триггерах DD2, DD4 и элементе DD1.3, подобно тому, как это сделано в [2]. Временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 3.
Поскольку входы С триггеров DD2.2, DD4.1 и DD4.2 соединены с прямыми выходами предшествующих, то счетчик на них работает в режиме вычитания. Он считает в двоичном коде. Его информационными выходами являются выводы 1 микросхемы DD4 (старший разряд) и 13.1 микросхемы DD2 (средний и младший разряды соответственно). Состояние счетчика изменяется по фронту сигнала, формируемого элементом DD1.2.
Включение генератора кнопкой SB1 приводит к появлению прямоугольных импульсов на входе С триггера DD2.1 и входе S DD4.2. При этом на инверсном выходе последнего устанавливается сигнал с уровнем логического 0, разрешающий работу триггера DD2.2 по входу С, и счетчик начинает считать. Когда он досчитывает до 0. на прямых выходах триггеров DD2.1. DD2.2 и DD4.1 устанавливается нулевой уровень.
Вслед за тем первый же перепад из О в 1 на выходе элемента D01.2 переводит названные выходы, а с ними и инверсный выход DD4.2. в единичное состояние. Выходной сигнал DD4.2 сбрасывает триггер DD2.1 по входу R. в результате чего счетчик переходит в состояние, соответствующее цифре 5. Следующий импульс, сформированный элементом DD1.3 (на рис. 3 он выделен штриховкой), переводит инверсный выход триггера DD4.2 в нулевое состояние, разрешая тем самым дальнейший счет. Когда счетчик вновь досчитает до нуля, цикл повторится.
Дешифратор, собранный на микросхеме DD3 и элементе DD1.4. построен таким образом, что состояниям 5. 4, 3. 2. 1 и 0 счетчика соответствуют числа 5. 6.1, 2. 3 и 4 на "грани" игральной кости. Это следует из приводимой таблицы, в которой показано соответствие между уровнями сигналов на выходах счетчика, дешифратора и состоянием светодиодов HL1-HL7. При этом горящему светодиоду в таблице соответствует цифра 1. погашенному - 0.
Поскольку потребляемый устройством ток не превышает 60 мА. его можно питать как от сети, так и от батарей "Крона", "Корунд". 
При использовании сетевого питания допустимо применение такого же бестрансформаторного источника, что и в первом варианте. Однако в этом случае необходимо напряжение 9 В. в связи с чем один из стабилитронов Д815Д (например. VD3) должен быть заменен на Д815В. а другой (VD2) - на любой кремниевый маломощный диод, например, КД105Б (его катод соединяют с катодом VD3).
Расположение светодиодов HL1-HL7 на грани этого варианта игральной кости показано на рис. 4.
В обоих устройствах вместо микросхем серии К176 допустимо использовать их аналоги из серий К561, 564. Во втором устройстве для замены транзисторов КТ315Г. КТ361Г подойдут любые из этих серий, а светодиодов АЛ307БМ - любые, излучающие в видимом спектральном диапазоне. Диодную сборку КЦ405А можно заменить на КЦ405Б. КЦ405В, КЦ402А-КЦ402В или на четыре диода КДЮ5А-КД105В. включив их по схеме выпрямительного моста.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев С. Применение микросхем серии К176. - Радио. 1984. N» 4. с. 25-28.
2. Банников В., Варюшин А. Двутонапьная сирена автосторожа. - Радио. 1993. N« 12, с. 31-33.