完全模拟电子骰子

文章作者：帕特里克·范托瑞

电子骰子始终是一个令人愉快的项目，它易于使用微控制器上的某些程序代码或少数数字组件实现。然而，在模拟技术中实施电子骰子更为挑战。这里显示的电路实现了具有有限数量的组件的完全模拟电子骰子，并且可以在小型PCB上实现。使用各种有趣的模拟技术，使得这是一个有趣的应用。

图1中所示的电路的核心位于示意图顶部的三个运算放大器周围。这些运算放大器形成周期性模拟楼梯电压，六个模拟级别，对应于电子骰子的状态。从左到右，我们看到时钟振荡器，电荷泵和该电荷泵的复位电路。我们现在将按此顺序讨论这些部分。

图1从左到右的模拟电子骰子电路显示了该电荷泵的时钟振荡器，电荷泵和复位电路。

最左边的，围绕IC1a形成弛豫振荡器。这是一个经典电路，修改了单个电源电压，将偏置的半径与分压器R3和R8设置有电源电压。通过C1和R1选择振荡频率。振荡器的输出是对称方波。Q2的作用将在后面讨论;考虑Q2现在不活动。

振荡器驱动围绕IC1B形成的电荷泵。在方波的每个下降沿，C2的大部分电荷通过二极管D1转移到C3，在阶梯电压中产生一个阶梯，出现在IC1B的输出端。在上升沿期间，C2通过D2再次充电。由于反向偏置二极管D1，充电C2不会影响电荷泵的输出。

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在阶梯电压完成六步之后，我们需要重置电荷泵并重新开始循环。想象一下，在第7步，我们跨过某个阈值水平，然后立即排出C3，因此第7步持续的时间非常短。IC1C周围的比较器执行此任务。阈值电压由分压器R7、R6设置。

然而，某些细节本文很重要：D3，R4和C4导致上升沿的小延迟，但下降沿的延迟较大。这允许重置电路在步骤＃7到达时迅速地反应，但同时，该复位动作被保持足够的时间以完全放电C3。通过将晶体管Q1驱动到饱和度来执行实际放电动作。结果如图2所示。

图2楼梯电压和时钟。

上面是楼梯电压，下面是时钟信号。请注意，更改仅发生在时钟的下降沿。当时钟高时，阶梯电压总是稳定的。重要的是，关闭开关S1将停止振荡器，但由于Q2，这只能在时钟电平较高时发生。这意味着，如果你“掷骰子”，振荡器就会停止在波形的楼梯上，从未在楼梯之间. 因此，当按下S1时，电平始终是一个定义明确的模拟电压，从一组六个可能的电压中随机选择。

重要的是，当停止振荡器时，每个模拟电压电平的概率正好是1/6，因为一切都遵循主时钟，并且该时钟只能在其状态为高时保持。换句话说，当振荡器停止时，所有的转换都已经结束。电荷泵更新动作从时钟的下降沿开始；因此，当您停止振荡器时，最后一次更新操作肯定已经完成。

要显示结果，我们使用五个比较器，控制LED。电阻器R9至R14形成触发分压器，产生五个比较水平，即半级楼梯步骤。IC2C的引脚9处的比较水平显示为图3中的示例。

图3LED解码器比较级别的示例。

通过这种方式，当您想要长时间保持该值时，组件公差以及一些电压漂移都有裕度。然而，由于IC1是一个CMOS运算放大器，它有非常低的泄漏电流，因此输出电压可以保持数分钟，而示波器上没有任何可见的变化。

LED状态解码器使用LM324中剩余的IC1D运算放大器和四个运算放大器。为了减小解码电路的尺寸，进行了一些优化。在这里，重要的是要理解，随着电压的升高，数字的顺序不必是1-2-3-4-5-6-repeat；不同的顺序也可以。为了解码器的简单性，将序列选择为1-3-5-6-4-2-repeat。下表将说明这一点。想象一下，按照列出的顺序查看状态，从关闭所有LED开始读取更改：

此时，已经解释了完全模拟电子骰子的主要工作原理，但在R18，R21中可以找到一个细节。如果没有该分压器，LED4由于运算放大器IC2B的负载而不会完全暗淡。此OP放大器的确实在LED3和LED7中的电流也是如此，导致输出处的电压降。

最后一部分是LED消隐电路。如果IC2始终通电，则当振荡器运行时，LED也会点亮。我们希望LED只在S1按下时点亮，因此只有在这种情况下才向IC2供电。这是通过T1和R24实现的。然而，当IC2未通电时，我们应限制其输入端的电流，这是电阻器R25的唯一用途。IC2还需要是双极运算放大器，以避免断电状态的问题，这就是为什么选择经典LM324的原因。

在实现中，某些值是至关重要的。所有电阻应具有1％的公差，除了与LED系列的串联，这可能更加精确。理想情况下，电容器C2和C3还应具有1％的公差，这是难以或更昂贵的。如果比率C3 / C2太低，则显示OP放大器IC1b输出上的楼梯电压的范围测量少于六个步骤，如果该比率太高，则超过六步。通过将较小的电容器平行于C2或C3，可以通过实验进行一次性调整，以分别减小或增加比率。

在该电路设计中，所有临界内部电压都与电源电压成比例。因此，当使用精确的组件值时，电路在9V电池上可靠地运行，即使电池被放电到7伏。

制作了一个小型PCB，如以下视频所示：https://youtu.be/kyhZ5CjX3nI

在该视频中，通过绕过T1，消隐被禁用；因此，当振荡器运行时，LED也会亮起。当消隐激活时，LED在按下S1按钮之前不会点亮。

当显示“六”时，带有消隐活动的测量备用电流为3.8 mA，13.8 mA。通过消隐活动，在不同颜色中添加电源导通LED可能是有趣的，以指示电子骰子接通，待机以显示随机数。

这篇文章最初发表在埃德恩。

帕特里克·范托瑞在比利时根特的imec IDLab根特大学担任教授。