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电子门工作原理来源于瑞达科技网 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
作者:佚名 文章来源:网络 点击数 更新时间:2011/1/18 文章录入:瑞达 责任编辑:瑞达科技 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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电子门工作原理1. 引言 2. 组装数字设备的准备工作 3. 组装TTL门的设备 4. 为TTL芯片提供电源 5. 组装调节器 6. 使用布尔门 7. 动手组装数字设备引言 如果您已阅读了博闻网有关布尔逻辑方面的文章,您就会知道数字设备取决于布尔门。也可以从该文章中了解到,一种实现门的方法是使用继电器。但是,现代计算机都不再使用继电器,它们使用的是“芯片”。 如果要使用布尔门和芯片进行试验,结果会怎样呢?如果要组装您自己的数字设备,结果又会怎样呢?结果表明,这些并不像想像的那么困难。在本文中,您将了解如何试验布尔逻辑文章中所讨论的各种门。我们将讨论从哪里购买部件、如何连接这些部件以及如何查看它们所完成的操作。在这一过程中,您将开启一扇通向全新技术领域的大门。 组装数字设备的准备工作在布尔逻辑的应用一文中,我们了解了七种基本的门。这些门是所有数字设备的基本组成部分。我们还了解了如何将这些门组装成更高级的设备,如全加器。如果您要试验一下这些门,以便自己动手组装设备,最简便的方法是购买称为TTL芯片的部件,并快速在称为无焊电路试验板的设备上将电路连接在一起。我们简要介绍一下这一技术和过程,以使您能够真正组装好设备! 如果回顾一下计算机技术的发展历史,您就会发现所有计算机都是围绕布尔门进行设计的。但是,经过多年的发展,用于实现这些门的技术已发生了根本性变化。第一个电子门是使用继电器制造出来的。这种门的速度很慢,并且体积庞大。后来,电子管取代了继电器。电子管的速度要快得多,但体积仍然很庞大,并且还会受到电子管容易烧毁的问题的困扰(就像灯泡一样)。随着晶体管日趋完善(晶体管于1947年问世),计算机开始使用通过分立式晶体管制成的门。晶体管具有很多优点:比电子管或继电器的可靠性高、功耗低且尺寸小。这些晶体管是分立式设备,这意味着每个晶体管都是单独的设备。每个晶体管位于豌豆大小的金属上,并连接了三根导线。要制作一个门,可能需要三或四个晶体管以及一些电阻器和二极管。 在60年代早期,集成电路(IC)问世了。这意味着可以在一个晶片上集成晶体管、电阻器和二极管。这一发现导致了小规模集成电路(SSI)的出现。小规模集成电路通常由3平方毫米的晶片构成,上面蚀刻了大约20个晶体管和各种其他元件。典型的芯片可能包含四个或六个单独的门。这些芯片将计算机的尺寸缩小了大约100倍,使制造计算机变得容易得多。 随着芯片制造技术的改进,可以在单个芯片上集成越来越多的晶体管,从而导致了中规模集成电路(MSI)的出现,其中包含由多个门组成的简单元件,如全加器。然后出现了大规模集成电路(LSI),设计人员可以将简单微处理器的所有元件都放到单个芯片上。1974年,英特尔研制出 8080处理器,这是商业上第一个成功的单芯片微处理器。它是一个包含4,800个晶体管的大规模集成电路。从那时起到现在,超大规模集成电路(VLSI)又稳步提高了晶体管的数量。第一个奔腾处理器于1993年问世,它包含320万个晶体管,最新的芯片可能包含多达2000万个晶体管。 为了试验一下门,我们还是延用早期的小规模集成电路。 这些芯片在很多地方仍然有售,性能极其可靠且价格低廉。您可以逐个使用它们制作所需的某种设备,一次使用一个门。 我们将使用的芯片属于最常见的TTL系列(称为7400系列)。这一系列中可能有100种不同的SSI和MSI芯片,范围涵盖简单的和门以及完整的算术逻辑单元(ALU)。
所有电子门都需要电源。TTL门使用5伏电源来保持运行。芯片对这一电压的要求是相当严格的,因此,每次使用TTL芯片时,我们都需要使用无波动的5伏稳压电源。某些其他芯片系列(如4000系列的CMOS芯片)对于所使用的电压就没有那么严格。CMOS芯片还有另外一个优点,即它们使用的能耗要小得多。但是,它们对静电非常敏感,从而使其可靠性下降,除非在无静电的环境中使用。因此,我们此处仍坚持使用TTL。 <-- Page Break --> 组装TTL门的设备 为了组装TTL门,您手头必须有一些设备部件。以下是需要购买的部件清单:
这些部件总共可能需要花费40至60美元左右,具体取决于从何处购买它们。 下面我们简要介绍一下这些部件,以便加深您对它们的了解:
日杂店一般不会出售此类设备。但是,这些部件并不难买到。在设法购买上面列出的元件时,您可以有几种选择:
下表显示了需要购买的部件并列出了Jameco部件号。
(请参见下一节以了解详细信息)
说明
为TTL芯片提供电源必须准备5伏稳压电源以使用TTL芯片。正如前面所提到的一样,Radio Shack和Jameco似乎都未提供标准的廉价5伏稳压电源。您的一种选择是从Jameco购买类似部件号116089的部件,这是旧Atari视频游戏使用的5伏电源。如果看一下Jameco产品目录,您就会发现它们大约有20种与此部件类似的各种库存电源,可产生各种不同的电压和电流。您需要5伏电压且电流至少为0.3安(300毫安)的电源;您需要的电流不超过2安,因此,只需购买所需容量的电源。您所做的只是购买电源,然后切掉连接器并连接5伏导线和地线。这样做的效果很好,并且可能是最简便的途径。您可以使用电压计(如下所示)以确保电源产生所需的电压。 另一种选择是,通过小型power-cube变压器产生5伏电源。您所需的就是一个可产生7至12伏直流电压和100毫安或更高电流的变压器。 请注意:
您可以使用闲置的旧变压器;请阅读外壳上印制的文字,并确保它满足所有这三条要求。如果没有,可以从Radio Shack或Jameco购买变压器。 Radio Shack销售9伏300毫安的变压器(部件号273-1455)。Jameco具有7.5伏 300毫安的型号(部件号149964)。从变压器上剪掉连接器,并将两根导线分开。将两根导线剥除一厘米左右的绝缘层。现在插入变压器(插入后,切勿让变压器的两根导线彼此接触,否则可能会烧毁变压器)。请使用电压计(如下所示)来测量电压。您需要确保变压器产生的电压与规定的电压比较接近(它可能会产生高达两倍的电压——这是正常情况)。变压器的作用类似于电池,因此,您还需要确定哪根导线是负极,哪根导线是正极。将电压计的黑色和红色引线随意搭接在变压器导线上,看测量的电压是正值还是负值。如果为负值,请反接引线。现在,您知道黑色引线所连接的导线是负极导线(地线),而另一根引线是正极导线。
组装调节器要组装调节器,您需要使用三个部件:
7805有三根引线。如果从前面看7805(上面印有文字的那一面),三根引线从左到右依次为输入电压(7至30伏)、地线和输出电压(5伏)。
要将调节器连接到变压器上,您可以使用以下配置:
您可以在电路试验板上组装此调节器。 为此,您需要了解电路试验板内部的接线方式。下图显示了接线情况:
电路试验板的外边缘有两根贯穿电路试验板的接线端。所有这些接线端都是内部连接的。通常,其中一个接线端的电压为+5伏,另一个接线端接地。电路试验板中心是一个通道。通道两侧是由五个互连接线端构成的接线端组。您可以使用电压电阻计来查看互连情况。请将仪表的刻度盘设置为其欧姆设置,然后将导线连接到电路试验板中的不同位置(仪表的测试引线可能太粗而无法放在电路试验板的插孔中)。 在欧姆设置中,仪表测量的是电阻。如果两个点之间有接线,则电阻为零(将两根引线轻轻接触就可以看到这种效果);如果两个点之间没有接线,则电阻为无穷大(将两根引线分开就可以看到这种效果)。您会发现电路试验板上的点实际按下图所示进行互连。另一种查看连接的方法是,揭开一点电路试验板背面的标签,您即可看到金属连接器。 现在,我们来连接调节器的部件:
您已经装好了调节器。 装好后的调节器可能如下所示(两个视图):
在上面的两个图中,变压器的导线是从左侧引入的。您可以看到,变压器地线直接连接到贯穿电路试验板底部的地线接线条上。顶部接线条提供+5伏电压并直接连接到7805的+5引脚上。左侧的电容器对变压器电压进行滤波;右侧的电容器对 7805产生的+5伏电压进行滤波。LED通过电阻器连接+5和地线接线条,并让您知道何时电源“打开”。 插入变压器并测量7805的输入和输出电压。您会看到恰好从7805输出5伏电压以及变压器提供的电压。如果没有看到,请立即将变压器断开连接并执行以下操作:
我们似乎花费了很大的气力才将电源接通并使其正常工作。但您从中学到了很多东西。现在,我们可以对布尔门进行试验了!
<-- Page Break --> 使用布尔门如果使用上一页中的表来订购部件,则会购得六种不同的芯片(包含六种不同类型的门):
芯片的内部结构如下所示:
让我们从7408AND芯片入手吧。如果看一下该芯片,您就会发现引脚1上通常有一个点、端头上有刻痕或者有某种其他标记以表示引脚1。将芯片推入电路试验板以使其横跨中心通道。可以从图中看出,在所有芯片上,引脚7必须接地,引脚14必须连接到+5伏电压导线上。因此,请正确地连接这两个引脚。(如果接反这两个引脚,则会将芯片烧毁,因此,切勿接反这两个引脚。如果不小心烧毁了芯片,请将其扔掉以免与完好部件弄混。)现在,在芯片的引脚3和地线之间连接LED和电阻器。LED应该会亮起。如果没有亮起,请反接LED,它将会亮起。IC应该如下所示:
以下是所发生的情况。在TTL中,+5表示二进制“1”,地线表示二进制“0”。如果门的输入引脚没有连接到任何接线端,它将“悬浮为高电位”,这意味着门假设该引脚上为1。 因此,AND门的A和B输入端均为1,这意味着引脚3的输出电压为5伏。因此,LED将会亮起。如果在芯片中将引脚1和(或)2接地,LED将会熄灭。这是AND门的标准行为,如布尔逻辑的应用中所述。 将其他门连接到电路试验板上,试一下这些门会发生什么情况,看它们的行为是否均符合布尔逻辑文章中的逻辑表。然后试一下连接更复杂的电路。例如,连接 XOR门或者全加器的Q位,看它们是否按预期方式工作。
<-- Page Break --> 动手组装数字设备从理论上说,您现在已掌握了组装任何数字设备所需的基础知识。您可以使用本文中讨论的基本门来组装任何设备。但是,使用更大规模的设备通常会方便得多,这样,您就无需组装50个芯片来制作像ALU之类的常见设备。查看组装门以制作复杂系统的各种方法的示例也是非常有帮助的。 如果要完成较大的项目,您可以尝试制作数字时钟工作原理中所述的数字时钟。如果要了解有关TTL设备的更多信息,以下书籍是非常有帮助的:
您会惊奇地发现只需使用几个集成电路并运用一些创造力,即可制作出各种设备。祝您玩得开心! |
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