一種利用本底γ輻射的真隨機數(shù)發(fā)生器設(shè)計

實現(xiàn)原理概括

diag.2-1 原理框圖

diag.2-2 總電路圖

由七個模塊組成。多諧振蕩器 不間斷地產(chǎn)生350kHz~2MHz的時鐘脈沖，蓋革計數(shù)器無輸入時，***十進制計數(shù)器 ***做0,1,2,3...9,0,1,2...的周期性計數(shù)。

脈沖捕獲電路 捕獲并處理蓋革計數(shù)管的短暫脈沖信號，觸發(fā) 脈沖頻率限制電路 。該電路立即鎖定十進制計數(shù)器，并拒絕接收下一個輸入信號，防止信號跳變對讀數(shù)造成的影響。這時，十進制計數(shù)器的輸出值即電路產(chǎn)生的隨機數(shù)。

同時，延時電路 激活，在數(shù)百納秒后解鎖 鎖存器 ，1~2秒后重新鎖定，使鎖存器在十進制計數(shù)器輸出值業(yè)已鎖死時保存脈沖輸入時計數(shù)器的輸出值。發(fā)光二極管陣列顯示這個數(shù)字。

自此又數(shù)百納秒后，脈沖頻率限制電路解鎖計數(shù)器，并允許接收蓋革計數(shù)管的下一個信號。

** 由于蓋革計數(shù)管何時產(chǎn)生脈沖是高度隨機的，十進制計數(shù)器何時停止計數(shù)也高度隨機**，這是實現(xiàn)真隨機性的核心原理。

在七個模塊中，十進制計數(shù)器選用CD4017芯片，鎖存器選用74HC573芯片。下面對除發(fā)光二極管陣列外的四個模塊進行解釋分析。

脈沖捕獲電路

diag.2-3 蓋革計數(shù)管脈沖捕獲電路

訂正：RV3阻值當(dāng)為200k

與上期推文的實驗電路類似地，J3接蓋革計數(shù)管陰極，脈沖經(jīng)R23、R18分壓，C4耦合后再經(jīng)D13整流，接入電壓比較器正極。R19、RV3通過分壓調(diào)制一個基準(zhǔn)電壓，接比較器負極。R22是上拉電阻。

脈沖超過基準(zhǔn)電壓時，U9輸出高電平，低于基準(zhǔn)電壓時輸出低電平，以此完成對蓋革計數(shù)管脈沖的數(shù)字化，并徹底濾除雜波。

脈沖頻率限制電路

蓋革計數(shù)管產(chǎn)生脈沖的時刻是高度隨機的，但其平均間隔時間取決于當(dāng)?shù)乇镜纵椛鋸姸?。如果輻射強度過高，則脈沖間隔過短，將對讀數(shù)效果造成很大影響。因此有必要限制脈沖頻率。

diag.2-4 脈沖頻率限制電路原理圖

圖中，U6A是與（AND）門芯片74HC08的一個單元，U5是時基集成電路NE555，PULSE接脈沖捕獲電路。

未出現(xiàn)脈沖時，C3經(jīng)由R4、D3快速充電至VCC。Q輸出高電平，U6A pin3為低電平，DC對地表現(xiàn)為高阻。

輸入脈沖時，U6A pin3翻轉(zhuǎn)為高電平，TH出現(xiàn)上升沿，U5內(nèi)部電路動作，使Q輸出低電平， 這時無論PULSE是否出現(xiàn)高電平，U6A pin3始終保持低電平，從而阻斷了電路對下一個蓋革管脈沖的響應(yīng)，下面稱這一階段為不應(yīng)期。

與此同時，DC對地短路，D3截止，C3經(jīng)由D4、RV2向地放電，直至TR電位下降到低于1/3 VCC。然后，DC對地高阻，D4截止，C3通過R4、D3快速充電，Q也翻轉(zhuǎn)為高電平， 使U6A pin3的電位又由PULSE決定，即允許電路響應(yīng)下一個蓋革管脈沖。

U8是非（NOR）邏輯門芯片74HC04。電路處于不應(yīng)期時，圖中U8的兩個單元都輸出高電平，觸發(fā)后續(xù)模塊。

延時鎖存電路

diag.2-5 延時電路原理圖（以紅框標(biāo)注）

延時電路用以 在前級電路已鎖定計數(shù)器一段時間后，使數(shù)據(jù)進入鎖存器 。

結(jié)合前一節(jié)的講解，PULSE產(chǎn)生高電平時，C3將進入一個放—充電周期，其兩極板電壓如下圖所示：

gra.2-1 C3兩極板電壓

如圖，在約430ms時刻PULSE產(chǎn)生高電平，C3開始緩慢放電。1.8s時刻C3極板電壓低于閾值，電路控制C3快速充電。故430ms時計數(shù)器鎖定，1.8s時計數(shù)器解鎖。

延時電路中U7是電壓比較器芯片LM393，A/B兩單元構(gòu)成窗口比較器，當(dāng)C3極板電壓小于4V、大于2.5V時，U6:B pin3輸出高電平。為了防止電路在C3充電時再度觸發(fā)，引入另一個與門單元U6C，于是，只有在C3電壓介于2.5~4V之間，且脈沖限制電路處于不應(yīng)期時，延時電路才輸出高電平。

由于電容放電時間較長，延時電路輸出高電平比前級電路滯后一些：

gra.2-2 延時電路輸出波形（紅線標(biāo)志）

這一滯后保證了鎖存器解鎖時，計數(shù)器輸出值已經(jīng)穩(wěn)定，因此保證了LED陣列示數(shù)不會跳變。

變頻多諧振蕩器

diag.2-6 變頻多諧振蕩器原理圖

訂正：RV1阻值當(dāng)為2k

多諧振蕩器采用邏輯門方案，U4是四聯(lián)CMOS高速與非（NAND）門芯片，U4:A/B/C指其包含的三個與非門。

電路開始工作時，由于SW1斷開。U4:A pin3必定處于高電平，故U4B pin4/5都處于高電平，故U4B pin6處于低電平，C1充電至下正上負。鑒于U4A pin2寄生電容充電時間極短，R1上很快無電流經(jīng)過，U4A pin2與C1下端等勢，電位記為φ。

SW1閉合后瞬間，U4A pin1/2全為高電平，故pin3翻轉(zhuǎn)為低電平，U4B pin6翻轉(zhuǎn)為高電平。C1電荷不能立即釋放，故C1下端電位提升至2φ。U4A pin2很快又與C1下端等勢，此時C1通過RV1、U4B放電，電勢能轉(zhuǎn)化為RV1上的熱能，C1、U4A pin2電勢不斷下降，直至低于芯片閾值0.5φ左右，此時U4A pin3翻轉(zhuǎn)為高電平，U4B pin6翻轉(zhuǎn)為低電平，C1下端電位降低至-0.5φ，又充電直至C1下端提升至0.5φ，U4A pin3又翻轉(zhuǎn)為低電平，如此反復(fù)，形成振蕩。

gra.2-3 C1下端電位-時間曲線

gra.2-4 C1下端電位、U4B pin6電位-時間曲線

由圖可知，該芯片U4A pin2在上升沿、下降沿的閾值其實不同。不過我也懶得改前面寫的。

電路中RV1是電位器。改變RV1的阻值，可以改變C1充放電時間，即改變電路振蕩頻率。RV1取1kΩ、C1取1nF時計算頻率為369kHz，理論上RV1短路時電路頻率無窮大，但考慮到邏輯門延遲、下級電路的計數(shù)器延遲等因素，這種諧振器的頻率最高為2MHz。