電子門(mén)工作原理

電子門(mén)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 )知道數字設備取決于布爾門(mén)。也可以從該文章中了解到，一種實(shí)現門(mén)的方法是使用繼電器。但是，現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(mén)和芯片進(jìn)行試驗，結果會(huì )怎樣呢？如果要組裝您自己的數字設備，結果又會(huì )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(mén)。我們將討論從哪里購買(mǎi)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(guò)程中，您將開(kāi)啟一扇通向全新技術(shù)領(lǐng)域的大門(mén)。

組裝數字設備的準備工作

在布爾邏輯的應用一文中，我們了解了七種基本的門(mén)。這些門(mén)是所有數字設備的基本組成部分。我們還了解了如何將這些門(mén)組裝成更高級的設備，如全加器。如果您要試驗一下這些門(mén)，以便自己動(dòng)手組裝設備，最簡(jiǎn)便的方法是購買(mǎi)稱(chēng)為T(mén)TL芯片的部件，并快速在稱(chēng)為無(wú)焊電路試驗板的設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(guò)程，以使您能夠真正組裝好設備！

如果回顧一下計算機技術(shù)的發(fā)展歷史，您就會(huì )發(fā)現所有計算機都是圍繞布爾門(mén)進(jìn)行設計的。但是，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，用于實(shí)現這些門(mén)的技術(shù)已發(fā)生了根本性變化。第一個(gè)電子門(mén)是使用繼電器制造出來(lái)的。這種門(mén)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(wèn)題的困擾（就像燈泡一樣）。隨著(zhù)晶體管日趨完善（晶體管于1947年問(wèn)世），計算機開(kāi)始使用通過(guò)分立式晶體管制成的門(mén)。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備，這意味著(zhù)每個(gè)晶體管都是單獨的設備。每個(gè)晶體管位于豌豆大小的金屬上，并連接了三根導線(xiàn)。要制作一個(gè)門(mén)，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(wèn)世了。這意味著(zhù)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)現導致了小規模集成電路（SSI）的出現。小規模集成電路通常由3平方毫米的晶片構成，上面蝕刻了大約20個(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)單獨的門(mén)。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(zhù)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，從而導致了中規模集成電路（MSI）的出現，其中包含由多個(gè)門(mén)組成的簡(jiǎn)單元件，如全加器。然后出現了大規模集成電路（LSI），設計人員可以將簡(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)晶體管的大規模集成電路。從那時(shí)起到現在，超大規模集成電路（VLSI）又穩步提高了晶體管的數量。第一個(gè)奔騰處理器于1993年問(wèn)世，它包含320萬(wàn)個(gè)晶體管，最新的芯片可能包含多達2000萬(wàn)個(gè)晶體管。

為了試驗一下門(mén)，我們還是延用早期的小規模集成電路。 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備，一次使用一個(gè)門(mén)。 我們將使用的芯片屬于最常見(jiàn)的TTL系列（稱(chēng)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(mén)以及完整的算術(shù)邏輯單元（ALU）。

無(wú)焊電路試驗板

所有電子門(mén)都需要電源。TTL門(mén)使用5伏電源來(lái)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(shí)，我們都需要使用無(wú)波動(dòng)的5伏穩壓電源。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(méi)有那么嚴格。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，我們此處仍堅持使用TTL。

組裝TTL門(mén)的設備

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

• 電路試驗板
• 電壓電阻計（也稱(chēng)為萬(wàn)用表）
• 邏輯探針（可選）
• 5伏穩壓電源
• 一組用于試驗的TTL芯片
• 幾個(gè)用于查看門(mén)輸出的LED（發(fā)光二極管）
• 幾個(gè)用于LED的電阻器
• 一些導線(xiàn)（規格為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(mǎi)它們。

下面我們簡(jiǎn)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(yè)中所述，電路試驗板是一個(gè)可簡(jiǎn)化電路接線(xiàn)的設備。
  
• 電壓電阻計可用來(lái)方便地測量電壓和電流。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)化測試導線(xiàn)狀態(tài)（1或0）的過(guò)程，您也可以使用LED實(shí)現相同的效果。

• 在上述部件中，只有5伏電源不太容易準備。似乎沒(méi)有廠(chǎng)家銷(xiāo)售簡(jiǎn)單、便宜的5伏穩壓電源。因此，您有兩種選擇。您可以從Jameco購買(mǎi)并使用5伏庫存電源（類(lèi)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)手組裝調節器。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(mén)輸出。

• 我們將使用電阻器來(lái)保護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(lèi)設備。但是，這些部件并不難買(mǎi)到。在設法購買(mǎi)上面列出的元件時(shí)，您可以有幾種選擇：

1. Radio Shack

2. 當地電子器件商店——大多數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。如果可以在當地找到一家不錯的庫存商店，并且能夠滿(mǎn)足人們自己的組裝要求，那就再好不過(guò)了。

3. 像Jameco一樣的郵購商店——Jameco已有數十年的經(jīng)營(yíng)歷史，不僅貨物品種齊全，而且價(jià)格經(jīng)濟實(shí)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(jiǎn)化瀏覽其網(wǎng)站的過(guò)程。）

下表顯示了需要購買(mǎi)的部件并列出了Jameco部件號。

說(shuō)明

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

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

• 您還需要一對導線(xiàn)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和很多其他地方購買(mǎi)導線(xiàn)剪鉗和剝皮鉗。我還發(fā)現有時(shí)使用一對小針頭鉗也是很有幫助的。

為T(mén)TL芯片提供電源

必須準備5伏穩壓電源以使用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(jià)5伏穩壓電源。您的一種選擇是從Jameco購買(mǎi)類(lèi)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(huì )發(fā)現它們大約有20種與此部件類(lèi)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(guò)2安，因此，只需購買(mǎi)所需容量的電源。您所做的只是購買(mǎi)電源，然后切掉連接器并連接5伏導線(xiàn)和地線(xiàn)。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（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(guò)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(mǎn)足所有這三條要求。如果沒(méi)有，可以從Radio Shack或Jameco購買(mǎi)變壓器。

Radio Shack銷(xiāo)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(xiàn)分開(kāi)。將兩根導線(xiàn)剝除一厘米左右的絕緣層?，F在插入變壓器（插入后，切勿讓變壓器的兩根導線(xiàn)彼此接觸，否則可能會(huì )燒毀變壓器）。請使用電壓計（如下所示）來(lái)測量電壓。您需要確保變壓器產(chǎn)生的電壓與規定的電壓比較接近（它可能會(huì )產(chǎn)生高達兩倍的電壓——這是正常情況）。變壓器的作用類(lèi)似于電池，因此，您還需要確定哪根導線(xiàn)是負極，哪根導線(xiàn)是正極。將電壓計的黑色和紅色引線(xiàn)隨意搭接在變壓器導線(xiàn)上，看測量的電壓是正值還是負值。如果為負值，請反接引線(xiàn)?，F在，您知道黑色引線(xiàn)所連接的導線(xiàn)是負極導線(xiàn)（地線(xiàn)），而另一根引線(xiàn)是正極導線(xiàn)。

組裝調節器

要組裝調節器，您需要使用三個(gè)部件：

• 7805 5伏電壓調節器，采用TO-220封裝（Radio Shack部件號為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部件號為272-958）

電解電容器

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

要將調節器連接到變壓器上，您可以使用以下配置：

您可以在電路試驗板上組裝此調節器。 為此，您需要了解電路試驗板內部的接線(xiàn)方式。下圖顯示了接線(xiàn)情況：

電路試驗板的外邊緣有兩根貫穿電路試驗板的接線(xiàn)端。所有這些接線(xiàn)端都是內部連接的。通常，其中一個(gè)接線(xiàn)端的電壓為+5伏，另一個(gè)接線(xiàn)端接地。電路試驗板中心是一個(gè)通道。通道兩側是由五個(gè)互連接線(xiàn)端構成的接線(xiàn)端組。您可以使用電壓電阻計來(lái)查看互連情況。請將儀表的刻度盤(pán)設置為其歐姆設置，然后將導線(xiàn)連接到電路試驗板中的不同位置（儀表的測試引線(xiàn)可能太粗而無(wú)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(gè)點(diǎn)之間有接線(xiàn)，則電阻為零（將兩根引線(xiàn)輕輕接觸就可以看到這種效果）；如果兩個(gè)點(diǎn)之間沒(méi)有接線(xiàn)，則電阻為無(wú)窮大（將兩根引線(xiàn)分開(kāi)就可以看到這種效果）。您會(huì )發(fā)現電路試驗板上的點(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(kāi)一點(diǎn)電路試驗板背面的標簽，您即可看到金屬連接器。

現在，我們來(lái)連接調節器的部件：

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

您已經(jīng)裝好了調節器。 裝好后的調節器可能如下所示（兩個(gè)視圖）：

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

插入變壓器并測量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(méi)有看到，請立即將變壓器斷開(kāi)連接并執行以下操作：

• 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(xiàn)和變壓器的正極導線(xiàn)沒(méi)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(kāi)連接并使用電壓計進(jìn)行檢查，以確保變壓器能夠產(chǎn)生電壓。請參見(jiàn)上一頁(yè)以了解如何執行此操作。

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(xué)到了很多東西?，F在，我們可以對布爾門(mén)進(jìn)行試驗了！

使用布爾門(mén)

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

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

芯片的內部結構如下所示：

讓我們從7408AND芯片入手吧。如果看一下該芯片，您就會(huì )發(fā)現引腳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?？梢詮膱D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(xiàn)上。因此，請正確地連接這兩個(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，請將其扔掉以免與完好部件弄混。）現在，在芯片的引腳3和地線(xiàn)之間連接LED和電阻器。LED應該會(huì )亮起。如果沒(méi)有亮起，請反接LED，它將會(huì )亮起。IC應該如下所示：

在此圖中，芯片在引腳14（紅線(xiàn)）上接收+5伏電壓，并在引腳 7（黑線(xiàn)）上與地線(xiàn)相連。電阻器從引腳3開(kāi)始連接到LED，LED 也連接到地線(xiàn)上。從+5連接導線(xiàn)并將其接地到門(mén)的A和B輸入端以使門(mén)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(xiàn)表示二進(jìn)制“0”。如果門(mén)的輸入引腳沒(méi)有連接到任何接線(xiàn)端，它將“懸浮為高電位”，這意味著(zhù)門(mén)假設該引腳上為1。 因此，AND門(mén)的A和B輸入端均為1，這意味著(zhù)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(mén)的標準行為，如布爾邏輯的應用中所述。

將其他門(mén)連接到電路試驗板上，試一下這些門(mén)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雜的電路。例如，連接 XOR門(mén)或者全加器的Q位，看它們是否按預期方式工作。

動(dòng)手組裝數字設備

從理論上說(shuō)，您現在已掌握了組裝任何數字設備所需的基礎知識。您可以使用本文中討論的基本門(mén)來(lái)組裝任何設備。但是，使用更大規模的設備通常會(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(lèi)的常見(jiàn)設備。查看組裝門(mén)以制作復雜系統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，您可以嘗試制作數字時(shí)鐘工作原理中所述的數字時(shí)鐘。如果要了解有關(guān)TTL設備的更多信息，以下書(shū)籍是非常有幫助的：

• TTL Cookbook：作者Don Lancaster，這是一本精彩的啟蒙書(shū)籍，內容詳實(shí)且充滿(mǎn)奇思妙想
• TTL Logic Data Book：由Texas Instruments出版，提供了所有TTL芯片的完整數據（也可以從Jameco購買(mǎi)）
• IC Projects：作者Carl J. Bergquist、Curt Reeder
• Radio Shack銷(xiāo)售的部件號62-5010至62-5026的書(shū)籍：這些書(shū)籍價(jià)格低廉，并且包含大量電路可供試驗和使用。

您會(huì )驚奇地發(fā)現只需使用幾個(gè)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(kāi)心！