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)有關布爾邏輯方面的文章，您就會知道數(shù)字設備取決于布爾門。也可以從該文章中了解到，一種實現(xiàn)門的方法是使用繼電器。但是，現(xiàn)代計算機都不再使用繼電器，它們使用的是“芯片”。

如果要使用布爾門和芯片進行試驗，結果會怎樣呢？如果要組裝您自己的數(shù)字設備，結果又會怎樣呢？結果表明，這些并不像想像的那么困難。在本文中，您將了解如何試驗布爾邏輯文章中所討論的各種門。我們將討論從哪里購買部件、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領域的大門。

組裝數(shù)字設備的準備工作

在布爾邏輯的應用一文中，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的設備，如全加器。如果您要試驗一下這些門，以便自己動手組裝設備，最簡便的方法是購買稱為TTL芯片的部件，并快速在稱為無焊電路試驗板的設備上將電路連接在一起。我們簡要介紹一下這一技術和過程，以使您能夠真正組裝好設備！

如果回顧一下計算機技術的發(fā)展歷史，您就會發(fā)現(xiàn)所有計算機都是圍繞布爾門進行設計的。但是，經(jīng)過多年的發(fā)展，用于實現(xiàn)這些門的技術已發(fā)生了根本性變化。第一個電子門是使用繼電器制造出來的。這種門的速度很慢，并且體積龐大。后來，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），計算機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：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備，這意味著每個晶體管都是單獨的設備。每個晶體管位于豌豆大小的金屬上，并連接了三根導線。要制作一個門，可能需要三或四個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晶片上集成晶體管、電阻器和二極管。這一發(fā)現(xiàn)導致了小規(guī)模集成電路（SSI）的出現(xiàn)。小規(guī)模集成電路通常由3平方毫米的晶片構成，上面蝕刻了大約20個晶體管和各種其他元件。典型的芯片可能包含四個或六個單獨的門。這些芯片將計算機的尺寸縮小了大約100倍，使制造計算機變得容易得多。

隨著芯片制造技術的改進，可以在單個芯片上集成越來越多的晶體管，從而導致了中規(guī)模集成電路（MSI）的出現(xiàn)，其中包含由多個門組成的簡單元件，如全加器。然后出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路（LSI），設計人員可以將簡單微處理器的所有元件都放到單個芯片上。1974年，英特爾研制出 8080處理器，這是商業(yè)上第一個成功的單芯片微處理器。它是一個包含4,800個晶體管的大規(guī)模集成電路。從那時起到現(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。第一個奔騰處理器于1993年問世，它包含320萬個晶體管，最新的芯片可能包含多達2000萬個晶體管。

為了試驗一下門，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，性能極其可靠且價格低廉。您可以逐個使用它們制作所需的某種設備，一次使用一個門。 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，范圍涵蓋簡單的和門以及完整的算術邏輯單元（ALU）。

無焊電路試驗板

所有電子門都需要電源。TTL門使用5伏電源來保持運行。芯片對這一電壓的要求是相當嚴格的，因此，每次使用TTL芯片時，我們都需要使用無波動的5伏穩(wěn)壓電源。某些其他芯片系列（如4000系列的CMOS芯片）對于所使用的電壓就沒有那么嚴格。CMOS芯片還有另外一個優(yōu)點，即它們使用的能耗要小得多。但是，它們對靜電非常敏感，從而使其可靠性下降，除非在無靜電的環(huán)境中使用。因此，我們此處仍堅持使用TTL。

組裝TTL門的設備

為了組裝TTL門，您手頭必須有一些設備部件。以下是需要購買的部件清單：

• 電路試驗板
• 電壓電阻計（也稱為萬用表）
• 邏輯探針（可選）
• 5伏穩(wěn)壓電源
• 一組用于試驗的TTL芯片
• 幾個用于查看門輸出的LED（發(fā)光二極管）
• 幾個用于LED的電阻器
• 一些導線（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40至60美元左右，具體取決于從何處購買它們。

下面我們簡要介紹一下這些部件，以便加深您對它們的了解：

• 正如上一頁中所述，電路試驗板是一個可簡化電路接線的設備。
  
• 電壓電阻計可用來方便地測量電壓和電流。我們將使用此儀表來確保電源產(chǎn)生合適的電壓。

• 邏輯探針是可選的。它可簡化測試導線狀態(tài)（1或0）的過程，您也可以使用LED實現(xiàn)相同的效果。

• 在上述部件中，只有5伏電源不太容易準備。似乎沒有廠家銷售簡單、便宜的5伏穩(wěn)壓電源。因此，您有兩種選擇。您可以從Jameco購買并使用5伏庫存電源（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。可以使用LED來查看門輸出。

• 我們將使用電阻器來保護LED。如果無法使用電阻器，LED將立即燒毀。

日雜店一般不會出售此類設備。但是，這些部件并不難買到。在設法購買上面列出的元件時，您可以有幾種選擇：

1. Radio Shack

2. 當?shù)仉娮悠骷痰辍蠖鄶?shù)主要城市都有電子器件商店，很多城市都有不錯的庫存電子設備商店。如果可以在當?shù)卣业揭患也诲e的庫存商店，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一樣的郵購商店——Jameco已有數(shù)十年的經(jīng)營歷史，不僅貨物品種齊全，而且價格經(jīng)濟實惠。（請確保下載其PDF產(chǎn)品目錄或者向其索取打印目錄——這可大大簡化瀏覽其網(wǎng)站的過程。）

下表顯示了需要購買的部件并列出了Jameco部件號。

說明

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

• 如果在Jameco購買部件，每種芯片您可能需要購買兩套或三套以備不時之需——每個芯片只需花費約30美分。您還可能需要購買額外的一個或兩個7805。

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

為TTL芯片提供電源

必須準備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似乎都未提供標準的廉價5伏穩(wěn)壓電源。您的一種選擇是從Jameco購買類似部件號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，您就會發(fā)現(xiàn)它們大約有20種與此部件類似的各種庫存電源，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，只需購買所需容量的電源。您所做的只是購買電源，然后切掉連接器并連接5伏導線和地線。這樣做的效果很好，并且可能是最簡便的途徑。您可以使用電壓計（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購買變壓器。

Radio Shack銷售9伏300毫安的變壓器（部件號273-1455）。Jameco具有7.5伏 300毫安的型號（部件號149964）。從變壓器上剪掉連接器，并將兩根導線分開。將兩根導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線彼此接觸，否則可能會燒毀變壓器）。請使用電壓計（如下所示）來測量電壓。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（它可能會產(chǎn)生高達兩倍的電壓——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線是負極，哪根導線是正極。將電壓計的黑色和紅色引線隨意搭接在變壓器導線上，看測量的電壓是正值還是負值。如果為負值，請反接引線。現(xiàn)在，您知道黑色引線所連接的導線是負極導線（地線），而另一根引線是正極導線。

組裝調(diào)節(jié)器

要組裝調(diào)節(jié)器，您需要使用三個部件：

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

• 兩個電解電容器，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：

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

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

在歐姆設置中，儀表測量的是電阻。如果兩個點之間有接線，則電阻為零（將兩根引線輕輕接觸就可以看到這種效果）；如果兩個點之間沒有接線，則電阻為無窮大（將兩根引線分開就可以看到這種效果）。您會發(fā)現(xiàn)電路試驗板上的點實際按下圖所示進行互連。另一種查看連接的方法是，揭開一點電路試驗板背面的標簽，您即可看到金屬連接器。

現(xiàn)在，我們來連接調(diào)節(jié)器的部件：

1. 將變壓器的地線連接到電路試驗板上較長的外側(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線，剝除兩端的護套，然后將它們插入。
4. 將正極導線從變壓器連接到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板上另一個較長的外側(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（兩個視圖）：

在上面的兩個圖中，變壓器的導線是從左側(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)的電容器對變壓器電壓進行濾波；右側(cè)的電容器對 7805產(chǎn)生的+5伏電壓進行濾波。LED通過電阻器連接+5和地線接線條，并讓您知道何時電源“打開”。

插入變壓器并測量7805的輸入和輸出電壓。您會看到恰好從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線沒有接反（如果接反，7805可能會變得很熱，并且可能會燒毀）。
• 將變壓器斷開連接并使用電壓計進行檢查，以確保變壓器能夠產(chǎn)生電壓。請參見上一頁以了解如何執(zhí)行此操作。

我們似乎花費了很大的氣力才將電源接通并使其正常工作。但您從中學到了很多東西?，F(xiàn)在，我們可以對布爾門進行試驗了！

使用布爾門

如果使用上一頁中的表來訂購部件，則會購得六種不同的芯片（包含六種不同類型的門）：

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

芯片的內(nèi)部結構如下所示：

讓我們從7408AND芯片入手吧。如果看一下該芯片，您就會發(fā)現(xiàn)引腳1上通常有一個點、端頭上有刻痕或者有某種其他標記以表示引腳1。將芯片推入電路試驗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伏電壓導線上。因此，請正確地連接這兩個引腳。（如果接反這兩個引腳，則會將芯片燒毀，因此，切勿接反這兩個引腳。如果不小心燒毀了芯片，請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應該會亮起。如果沒有亮起，請反接LED，它將會亮起。IC應該如下所示：

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表示二進制“1”，地線表示二進制“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將會亮起。如果在芯片中將引腳1和（或）2接地，LED將會熄滅。這是AND門的標準行為，如布爾邏輯的應用中所述。

將其他門連接到電路試驗板上，試一下這些門會發(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，看它們是否按預期方式工作。

動手組裝數(shù)字設備

從理論上說，您現(xiàn)在已掌握了組裝任何數(shù)字設備所需的基礎知識。您可以使用本文中討論的基本門來組裝任何設備。但是，使用更大規(guī)模的設備通常會方便得多，這樣，您就無需組裝50個芯片來制作像ALU之類的常見設備。查看組裝門以制作復雜系統(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目，您可以嘗試制作數(shù)字時鐘工作原理中所述的數(shù)字時鐘。如果要了解有關TTL設備的更多信息，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購買）
• IC Projects：作者Carl J. Bergquist、Curt Reeder
• Radio Shack銷售的部件號62-5010至62-5026的書籍：這些書籍價格低廉，并且包含大量電路可供試驗和使用。

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