電子門工作原理

電子門工作原理

引言

如果您已閱讀了博聞網(wǎng)有關(guān)布爾邏輯方面的文章，您就會(huì)知道數(shù)字設(shè)備取決于布爾門。也可以從該文章中了解到，一種實(shí)現(xiàn)門的方法是使用繼電器。但是，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都不再使用繼電器，它們使用的是“芯片”。

如果要使用布爾門和芯片進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果會(huì)怎樣呢？如果要組裝您自己的數(shù)字設(shè)備，結(jié)果又會(huì)怎樣呢？結(jié)果表明，這些并不像想像的那么困難。在本文中，您將了解如何試驗(yàn)布爾邏輯文章中所討論的各種門。我們將討論從哪里購(gòu)買部件、如何連接這些部件以及如何查看它們所完成的操作。在這一過程中，您將開啟一扇通向全新技術(shù)領(lǐng)域的大門。

組裝數(shù)字設(shè)備的準(zhǔn)備工作

在布爾邏輯的應(yīng)用一文中，我們了解了七種基本的門。這些門是所有數(shù)字設(shè)備的基本組成部分。我們還了解了如何將這些門組裝成更高級(jí)的設(shè)備，如全加器。如果您要試驗(yàn)一下這些門，以便自己動(dòng)手組裝設(shè)備，最簡(jiǎn)便的方法是購(gòu)買稱為TTL芯片的部件，并快速在稱為無(wú)焊電路試驗(yàn)板的設(shè)備上將電路連接在一起。我們簡(jiǎn)要介紹一下這一技術(shù)和過程，以使您能夠真正組裝好設(shè)備！

如果回顧一下計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)所有計(jì)算機(jī)都是圍繞布爾門進(jìn)行設(shè)計(jì)的。但是，經(jīng)過多年的發(fā)展，用于實(shí)現(xiàn)這些門的技術(shù)已發(fā)生了根本性變化。第一個(gè)電子門是使用繼電器制造出來(lái)的。這種門的速度很慢，并且體積龐大。后來(lái)，電子管取代了繼電器。電子管的速度要快得多，但體積仍然很龐大，并且還會(huì)受到電子管容易燒毀的問題的困擾（就像燈泡一樣）。隨著晶體管日趨完善（晶體管于1947年問世），計(jì)算機(jī)開始使用通過分立式晶體管制成的門。晶體管具有很多優(yōu)點(diǎn)：比電子管或繼電器的可靠性高、功耗低且尺寸小。這些晶體管是分立式設(shè)備，這意味著每個(gè)晶體管都是單獨(dú)的設(shè)備。每個(gè)晶體管位于豌豆大小的金屬上，并連接了三根導(dǎo)線。要制作一個(gè)門，可能需要三或四個(gè)晶體管以及一些電阻器和二極管。

在60年代早期，集成電路（IC）問世了。這意味著可以在一個(gè)晶片上集成晶體管、電阻器和二極管。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了小規(guī)模集成電路（SSI）的出現(xiàn)。小規(guī)模集成電路通常由3平方毫米的晶片構(gòu)成，上面蝕刻了大約20個(gè)晶體管和各種其他元件。典型的芯片可能包含四個(gè)或六個(gè)單獨(dú)的門。這些芯片將計(jì)算機(jī)的尺寸縮小了大約100倍，使制造計(jì)算機(jī)變得容易得多。

隨著芯片制造技術(shù)的改進(jìn)，可以在單個(gè)芯片上集成越來(lái)越多的晶體管，從而導(dǎo)致了中規(guī)模集成電路（MSI）的出現(xiàn)，其中包含由多個(gè)門組成的簡(jiǎn)單元件，如全加器。然后出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路（LSI），設(shè)計(jì)人員可以將簡(jiǎn)單微處理器的所有元件都放到單個(gè)芯片上。1974年，英特爾研制出 8080處理器，這是商業(yè)上第一個(gè)成功的單芯片微處理器。它是一個(gè)包含4,800個(gè)晶體管的大規(guī)模集成電路。從那時(shí)起到現(xiàn)在，超大規(guī)模集成電路（VLSI）又穩(wěn)步提高了晶體管的數(shù)量。第一個(gè)奔騰處理器于1993年問世，它包含320萬(wàn)個(gè)晶體管，最新的芯片可能包含多達(dá)2000萬(wàn)個(gè)晶體管。

為了試驗(yàn)一下門，我們還是延用早期的小規(guī)模集成電路。 這些芯片在很多地方仍然有售，性能極其可靠且價(jià)格低廉。您可以逐個(gè)使用它們制作所需的某種設(shè)備，一次使用一個(gè)門。 我們將使用的芯片屬于最常見的TTL系列（稱為7400系列）。這一系列中可能有100種不同的SSI和MSI芯片，范圍涵蓋簡(jiǎn)單的和門以及完整的算術(shù)邏輯單元（ALU）。

無(wú)焊電路試驗(yàn)板

所有電子門都需要電源。TTL門使用5伏電源來(lái)保持運(yùn)行。芯片對(duì)這一電壓的要求是相當(dāng)嚴(yán)格的，因此，每次使用TTL芯片時(shí)，我們都需要使用無(wú)波動(dòng)的5伏穩(wěn)壓電源。某些其他芯片系列（如4000系列的CMOS芯片）對(duì)于所使用的電壓就沒有那么嚴(yán)格。CMOS芯片還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即它們使用的能耗要小得多。但是，它們對(duì)靜電非常敏感，從而使其可靠性下降，除非在無(wú)靜電的環(huán)境中使用。因此，我們此處仍堅(jiān)持使用TTL。

組裝TTL門的設(shè)備

為了組裝TTL門，您手頭必須有一些設(shè)備部件。以下是需要購(gòu)買的部件清單：

• 電路試驗(yàn)板
• 電壓電阻計(jì)（也稱為萬(wàn)用表）
• 邏輯探針（可選）
• 5伏穩(wěn)壓電源
• 一組用于試驗(yàn)的TTL芯片
• 幾個(gè)用于查看門輸出的LED（發(fā)光二極管）
• 幾個(gè)用于LED的電阻器
• 一些導(dǎo)線（規(guī)格為20至28），用于將部件搭接在一起

這些部件總共可能需要花費(fèi)40至60美元左右，具體取決于從何處購(gòu)買它們。

下面我們簡(jiǎn)要介紹一下這些部件，以便加深您對(duì)它們的了解：

• 正如上一頁(yè)中所述，電路試驗(yàn)板是一個(gè)可簡(jiǎn)化電路接線的設(shè)備。
  
• 電壓電阻計(jì)可用來(lái)方便地測(cè)量電壓和電流。我們將使用此儀表來(lái)確保電源產(chǎn)生合適的電壓。

• 邏輯探針是可選的。它可簡(jiǎn)化測(cè)試導(dǎo)線狀態(tài)（1或0）的過程，您也可以使用LED實(shí)現(xiàn)相同的效果。

• 在上述部件中，只有5伏電源不太容易準(zhǔn)備。似乎沒有廠家銷售簡(jiǎn)單、便宜的5伏穩(wěn)壓電源。因此，您有兩種選擇。您可以從Jameco購(gòu)買并使用5伏庫(kù)存電源（類似于視頻游戲使用的電源），或者使用小型 power-cube 變壓器，然后自己動(dòng)手組裝調(diào)節(jié)器。我們將在下面討論這兩種選擇。

  電阻器和LED

• LED（發(fā)光二極管）是小型燈泡?？梢允褂肔ED來(lái)查看門輸出。

• 我們將使用電阻器來(lái)保護(hù)LED。如果無(wú)法使用電阻器，LED將立即燒毀。

日雜店一般不會(huì)出售此類設(shè)備。但是，這些部件并不難買到。在設(shè)法購(gòu)買上面列出的元件時(shí)，您可以有幾種選擇：

1. Radio Shack

2. 當(dāng)?shù)仉娮悠骷痰辍蠖鄶?shù)主要城市都有電子器件商店，很多城市都有不錯(cuò)的庫(kù)存電子設(shè)備商店。如果可以在當(dāng)?shù)卣业揭患也诲e(cuò)的庫(kù)存商店，并且能夠滿足人們自己的組裝要求，那就再好不過了。

3. 像Jameco一樣的郵購(gòu)商店——Jameco已有數(shù)十年的經(jīng)營(yíng)歷史，不僅貨物品種齊全，而且價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。（請(qǐng)確保下載其PDF產(chǎn)品目錄或者向其索取打印目錄——這可大大簡(jiǎn)化瀏覽其網(wǎng)站的過程。）

下表顯示了需要購(gòu)買的部件并列出了Jameco部件號(hào)。

說明

• *Jameco還具有“分門別類的LED”（LED套裝包），比購(gòu)買單一LED要便宜得多。仔細(xì)看一下有哪些種類的LED。其中的庫(kù)存電子器件商店的價(jià)格要便宜得多。

• 如果在Jameco購(gòu)買部件，每種芯片您可能需要購(gòu)買兩套或三套以備不時(shí)之需——每個(gè)芯片只需花費(fèi)約30美分。您還可能需要購(gòu)買額外的一個(gè)或兩個(gè)7805。

• 您還需要一對(duì)導(dǎo)線剪鉗和剝皮鉗。必要時(shí)，您可以使用剪刀和指甲，但使用正確的工具會(huì)使工作變得容易得多。您可以從Jameco、沃爾瑪、Radio Shack和很多其他地方購(gòu)買導(dǎo)線剪鉗和剝皮鉗。我還發(fā)現(xiàn)有時(shí)使用一對(duì)小針頭鉗也是很有幫助的。

為TTL芯片提供電源

必須準(zhǔn)備5伏穩(wěn)壓電源以使用TTL芯片。正如前面所提到的一樣，Radio Shack和Jameco似乎都未提供標(biāo)準(zhǔn)的廉價(jià)5伏穩(wěn)壓電源。您的一種選擇是從Jameco購(gòu)買類似部件號(hào)116089的部件，這是舊Atari視頻游戲使用的5伏電源。如果看一下Jameco產(chǎn)品目錄，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們大約有20種與此部件類似的各種庫(kù)存電源，可產(chǎn)生各種不同的電壓和電流。您需要5伏電壓且電流至少為0.3安（300毫安）的電源；您需要的電流不超過2安，因此，只需購(gòu)買所需容量的電源。您所做的只是購(gòu)買電源，然后切掉連接器并連接5伏導(dǎo)線和地線。這樣做的效果很好，并且可能是最簡(jiǎn)便的途徑。您可以使用電壓計(jì)（如下所示）以確保電源產(chǎn)生所需的電壓。

另一種選擇是，通過小型power-cube變壓器產(chǎn)生5伏電源。您所需的就是一個(gè)可產(chǎn)生7至12伏直流電壓和100毫安或更高電流的變壓器。 請(qǐng)注意：

• 變壓器必須產(chǎn)生直流電壓。
• 它必須產(chǎn)生7至12伏的電壓。
• 它必須產(chǎn)生100毫安（0.1安）或更高的電流。

您可以使用閑置的舊變壓器；請(qǐng)閱讀外殼上印制的文字，并確保它滿足所有這三條要求。如果沒有，可以從Radio Shack或Jameco購(gòu)買變壓器。

Radio Shack銷售9伏300毫安的變壓器（部件號(hào)273-1455）。Jameco具有7.5伏 300毫安的型號(hào)（部件號(hào)149964）。從變壓器上剪掉連接器，并將兩根導(dǎo)線分開。將兩根導(dǎo)線剝除一厘米左右的絕緣層?，F(xiàn)在插入變壓器（插入后，切勿讓變壓器的兩根導(dǎo)線彼此接觸，否則可能會(huì)燒毀變壓器）。請(qǐng)使用電壓計(jì)（如下所示）來(lái)測(cè)量電壓。您需要確保變壓器產(chǎn)生的電壓與規(guī)定的電壓比較接近（它可能會(huì)產(chǎn)生高達(dá)兩倍的電壓——這是正常情況）。變壓器的作用類似于電池，因此，您還需要確定哪根導(dǎo)線是負(fù)極，哪根導(dǎo)線是正極。將電壓計(jì)的黑色和紅色引線隨意搭接在變壓器導(dǎo)線上，看測(cè)量的電壓是正值還是負(fù)值。如果為負(fù)值，請(qǐng)反接引線。現(xiàn)在，您知道黑色引線所連接的導(dǎo)線是負(fù)極導(dǎo)線（地線），而另一根引線是正極導(dǎo)線。

組裝調(diào)節(jié)器

要組裝調(diào)節(jié)器，您需要使用三個(gè)部件：

• 7805 5伏電壓調(diào)節(jié)器，采用TO-220封裝（Radio Shack部件號(hào)為276-1770）

• 兩個(gè)電解電容器，容量介于100和1,000微法拉之間（通常，Radio Shack部件號(hào)為272-958）

電解電容器

7805有三根引線。如果從前面看7805（上面印有文字的那一面），三根引線從左到右依次為輸入電壓（7至30伏）、地線和輸出電壓（5伏）。

要將調(diào)節(jié)器連接到變壓器上，您可以使用以下配置：

您可以在電路試驗(yàn)板上組裝此調(diào)節(jié)器。 為此，您需要了解電路試驗(yàn)板內(nèi)部的接線方式。下圖顯示了接線情況：

電路試驗(yàn)板的外邊緣有兩根貫穿電路試驗(yàn)板的接線端。所有這些接線端都是內(nèi)部連接的。通常，其中一個(gè)接線端的電壓為+5伏，另一個(gè)接線端接地。電路試驗(yàn)板中心是一個(gè)通道。通道兩側(cè)是由五個(gè)互連接線端構(gòu)成的接線端組。您可以使用電壓電阻計(jì)來(lái)查看互連情況。請(qǐng)將儀表的刻度盤設(shè)置為其歐姆設(shè)置，然后將導(dǎo)線連接到電路試驗(yàn)板中的不同位置（儀表的測(cè)試引線可能太粗而無(wú)法放在電路試驗(yàn)板的插孔中）。

在歐姆設(shè)置中，儀表測(cè)量的是電阻。如果兩個(gè)點(diǎn)之間有接線，則電阻為零（將兩根引線輕輕接觸就可以看到這種效果）；如果兩個(gè)點(diǎn)之間沒有接線，則電阻為無(wú)窮大（將兩根引線分開就可以看到這種效果）。您會(huì)發(fā)現(xiàn)電路試驗(yàn)板上的點(diǎn)實(shí)際按下圖所示進(jìn)行互連。另一種查看連接的方法是，揭開一點(diǎn)電路試驗(yàn)板背面的標(biāo)簽，您即可看到金屬連接器。

現(xiàn)在，我們來(lái)連接調(diào)節(jié)器的部件：

1. 將變壓器的地線連接到電路試驗(yàn)板上較長(zhǎng)的外側(cè)接線條之一。
2. 將7805插入五孔插排中的三排。
3. 使用導(dǎo)線將地線從接線條連接到7805的中間引線：只需切下很短的一段導(dǎo)線，剝除兩端的護(hù)套，然后將它們插入。
4. 將正極導(dǎo)線從變壓器連接到7805的左側(cè)引線（輸入）。
5. 將電容器從7805的左側(cè)引線接地，要注意極性是否正確。
6. 將7805的5伏引線連接到電路試驗(yàn)板上另一個(gè)較長(zhǎng)的外側(cè)接線條。
7. 在5伏電壓和地線接線條之間連接第二個(gè)電容器。

您已經(jīng)裝好了調(diào)節(jié)器。 裝好后的調(diào)節(jié)器可能如下所示（兩個(gè)視圖）：

在上面的兩個(gè)圖中，變壓器的導(dǎo)線是從左側(cè)引入的。您可以看到，變壓器地線直接連接到貫穿電路試驗(yàn)板底部的地線接線條上。頂部接線條提供+5伏電壓并直接連接到7805的+5引腳上。左側(cè)的電容器對(duì)變壓器電壓進(jìn)行濾波；右側(cè)的電容器對(duì) 7805產(chǎn)生的+5伏電壓進(jìn)行濾波。LED通過電阻器連接+5和地線接線條，并讓您知道何時(shí)電源“打開”。

插入變壓器并測(cè)量7805的輸入和輸出電壓。您會(huì)看到恰好從7805輸出5伏電壓以及變壓器提供的電壓。如果沒有看到，請(qǐng)立即將變壓器斷開連接并執(zhí)行以下操作：

• 拔出電容器。重新插入變壓器，稍后再看一下情況是否發(fā)生變化。
• 確保地線和變壓器的正極導(dǎo)線沒有接反（如果接反，7805可能會(huì)變得很熱，并且可能會(huì)燒毀）。
• 將變壓器斷開連接并使用電壓計(jì)進(jìn)行檢查，以確保變壓器能夠產(chǎn)生電壓。請(qǐng)參見上一頁(yè)以了解如何執(zhí)行此操作。

我們似乎花費(fèi)了很大的氣力才將電源接通并使其正常工作。但您從中學(xué)到了很多東西。現(xiàn)在，我們可以對(duì)布爾門進(jìn)行試驗(yàn)了！

使用布爾門

如果使用上一頁(yè)中的表來(lái)訂購(gòu)部件，則會(huì)購(gòu)得六種不同的芯片（包含六種不同類型的門）：

• 7400-NAND（與非）（每個(gè)芯片四個(gè)門）
• 7402-NOR（或非）（每個(gè)芯片四個(gè)門）
• 7404-NOT（非）（每個(gè)芯片六個(gè)門）
• 7408-AND（與）（每個(gè)芯片四個(gè)門）
• 7432-OR（或）（每個(gè)芯片四個(gè)門）
• 7486-XOR（異或）（每個(gè)芯片四個(gè)門）

芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示：

讓我們從7408AND芯片入手吧。如果看一下該芯片，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)引腳1上通常有一個(gè)點(diǎn)、端頭上有刻痕或者有某種其他標(biāo)記以表示引腳1。將芯片推入電路試驗(yàn)板以使其橫跨中心通道。可以從圖中看出，在所有芯片上，引腳7必須接地，引腳14必須連接到+5伏電壓導(dǎo)線上。因此，請(qǐng)正確地連接這兩個(gè)引腳。（如果接反這兩個(gè)引腳，則會(huì)將芯片燒毀，因此，切勿接反這兩個(gè)引腳。如果不小心燒毀了芯片，請(qǐng)將其扔掉以免與完好部件弄混。）現(xiàn)在，在芯片的引腳3和地線之間連接LED和電阻器。LED應(yīng)該會(huì)亮起。如果沒有亮起，請(qǐng)反接LED，它將會(huì)亮起。IC應(yīng)該如下所示：

在此圖中，芯片在引腳14（紅線）上接收+5伏電壓，并在引腳 7（黑線）上與地線相連。電阻器從引腳3開始連接到LED，LED 也連接到地線上。從+5連接導(dǎo)線并將其接地到門的A和B輸入端以使門發(fā)揮作用。

以下是所發(fā)生的情況。在TTL中，+5表示二進(jìn)制“1”，地線表示二進(jìn)制“0”。如果門的輸入引腳沒有連接到任何接線端，它將“懸浮為高電位”，這意味著門假設(shè)該引腳上為1。 因此，AND門的A和B輸入端均為1，這意味著引腳3的輸出電壓為5伏。因此，LED將會(huì)亮起。如果在芯片中將引腳1和（或）2接地，LED將會(huì)熄滅。這是AND門的標(biāo)準(zhǔn)行為，如布爾邏輯的應(yīng)用中所述。

將其他門連接到電路試驗(yàn)板上，試一下這些門會(huì)發(fā)生什么情況，看它們的行為是否均符合布爾邏輯文章中的邏輯表。然后試一下連接更復(fù)雜的電路。例如，連接 XOR門或者全加器的Q位，看它們是否按預(yù)期方式工作。

動(dòng)手組裝數(shù)字設(shè)備

從理論上說，您現(xiàn)在已掌握了組裝任何數(shù)字設(shè)備所需的基礎(chǔ)知識(shí)。您可以使用本文中討論的基本門來(lái)組裝任何設(shè)備。但是，使用更大規(guī)模的設(shè)備通常會(huì)方便得多，這樣，您就無(wú)需組裝50個(gè)芯片來(lái)制作像ALU之類的常見設(shè)備。查看組裝門以制作復(fù)雜系統(tǒng)的各種方法的示例也是非常有幫助的。

如果要完成較大的項(xiàng)目，您可以嘗試制作數(shù)字時(shí)鐘工作原理中所述的數(shù)字時(shí)鐘。如果要了解有關(guān)TTL設(shè)備的更多信息，以下書籍是非常有幫助的：

• TTL Cookbook：作者Don Lancaster，這是一本精彩的啟蒙書籍，內(nèi)容詳實(shí)且充滿奇思妙想
• TTL Logic Data Book：由Texas Instruments出版，提供了所有TTL芯片的完整數(shù)據(jù)（也可以從Jameco購(gòu)買）
• IC Projects：作者Carl J. Bergquist、Curt Reeder
• Radio Shack銷售的部件號(hào)62-5010至62-5026的書籍：這些書籍價(jià)格低廉，并且包含大量電路可供試驗(yàn)和使用。

您會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)只需使用幾個(gè)集成電路并運(yùn)用一些創(chuàng)造力，即可制作出各種設(shè)備。祝您玩得開心！