电子门工作原理

2011-07-13 21:50:01来源: 互联网

电子工作原理

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

电子门

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)。

双列直插式封装
7400系列芯片使用双列直插式封装(DIP)。如右图所示,DIP是一个小塑料包装,从中伸出 14、16、20 或24根小金属引线以提供到内部门的连接。使用这些门组装设备的最简便方法是将芯片放在无焊电路试验板上。通过使用电路试验板,您只需将接线端插入电路试验板的连接孔中,即可连接好这些部件。

无焊电路试验板
无焊电路试验板

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。


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:

  • 电路试验板
  • 电压电阻计(也称为万用表)
  • 逻辑探针(可选)
  • 5伏稳压电源
  • 一组用于试验的TTL芯片
  • 几个用于查看门输出的LED(发光二极管)
  • 几个用于LED的电阻器
  • 一些导线(规格为20至28),用于将部件搭接在一起

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:

  • 正如上一页中所述,电路试验板是一个可简化电路接线的设备。
  • 电压电阻计可用来方便地测量电压和电流。我们将使用此仪表来确保电源产生合适的电压。

  • 逻辑探针是可选的。它可简化测试导线状态(1或0)的过程,您也可以使用LED实现相同的效果。

  • 在上述部件中,只有5伏电源不太容易准备。似乎没有厂家销售简单、便宜的5伏稳压电源。因此,您有两种选择。您可以从Jameco购买并使用5伏库存电源(类似于视频游戏使用的电源),或者使用小型 power-cube 变压器,然后自己动手组装调节器。我们将在下面讨论这两种选择。


    电阻器和LED

  • LED(发光二极管)是小型灯泡。可以使用LED来查看门输出。

  • 我们将使用电阻器来保护LED。如果无法使用电阻器,LED将立即烧毁。

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:

  1. Radio Shack

  2. 当地电子器件商店——大多数主要城市都有电子器件商店,很多城市都有不错的库存电子设备商店。如果可以在当地找到一家不错的库存商店,并且能够满足人们自己的组装要求,那就再好不过了。

  3. 像Jameco一样的邮购商店——Jameco已有数十年的经营历史,不仅货物品种齐全,而且价格经济实惠。(请确保下载其PDF产品目录或者向其索取打印目录——这可大大简化浏览其网站的过程。)

下表显示了需要购买的部件并列出了Jameco部件号。

部件
Jameco编号
电路试验板
20722
电压电阻计
119212
逻辑探针(可选)
149930
5伏稳压电源
如下所示
7400(NAND门)
48979
7402(NOR门)
49015
7404(NOT门)
49040
7408(AND门)
49146
7432(OR门)
50235
7486(XOR门)
50665
5至10个LED
94529*
5至10个330欧姆电阻器
30867
导线(规格为20至28)
36767

对于电源(可选)
(请参见下一节以了解详细信息)
部件
Jameco编号
变压器(7至12伏,300毫安)
149964
7805 5伏电压调节器(TO-220封装)
51262
2个470微法拉电解电容器
93817

说明

  • *Jameco还具有“分门别类的LED”(LED套装包),比购买单一LED要便宜得多。仔细看一下有哪些种类的LED。其中的库存电子器件商店的价格要便宜得多。

  • 如果在Jameco购买部件,每种芯片您可能需要购买两套或三套以备不时之需——每个芯片只需花费约30美分。您还可能需要购买额外的一个或两个7805。

  • 您还需要一对导线剪钳和剥皮钳。必要时,您可以使用剪刀和指甲,但使用正确的工具会使工作变得容易得多。您可以从Jameco、沃尔玛、Radio Shack和很多其他地方购买导线剪钳和剥皮钳。我还发现有时使用一对小针头钳也是很有帮助的。

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:

  • 变压器必须产生直流电压。
  • 它必须产生7至12伏的电压。
  • 它必须产生100毫安(0.1安)或更高的电流。

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。

使用电压电阻计
电压电阻计(万用表)可测量电压、电流和电阻。它具有两根“引线”(导线):一根为黑色,一根为红色。我们现在需要做的是,了解如何使用该仪表测量电压。为此,请找到一节要使用的AA、C或D电池(不能是废电池)。我们将其作为电源。

每个仪表都是不同的,但通常可以使用以下步骤来测量电池电压:

  1. 将黑色测试引线插入标有“Common”、“Com”、“Ground”、“Gnd”或“-”(负极)的插孔中(具体插入哪个插孔取决于所使用的仪表)。
  2. 将红色测试引线插入标有“Volts”、“V”、“Pos”或“+”(正极)的插孔中(具体插入哪个插孔取决于所使用的仪表)。某些仪表具有多个红色引线插孔,请确保使用电压插孔。
  3. 将刻度盘转到“DC Volts”(直流电电压)部分。通常,此部分中提供了多个电压量程——在我的仪表上,量程是2.5伏、50伏、250伏和1,000伏(假设自动量程仪表可以自动设置量程)。您的仪表应具有类似的量程。电池电压为1.25伏,因此,请找到大于1.25伏的最接近的电压。对于我的仪表,电压为2.5伏。
现在,将黑色引线固定到电池的负接线端,而将红色引线固定到电池的正接线端。仪表上的读数应该与1.25伏接近。一定要将黑色引线搭接在负极上,而将红色引线搭接在正极上,并始终保持这种接线方式。

现在,您也可以使用仪表来测试电源。必要时更改电压量程,然后将黑色引线接地,而将红色引线连接到假定为+5伏电压的导线上。仪表的读数应该为5伏。

组装调节器

要组装调节器,您需要使用三个部件:

  • 7805 5伏电压调节器,采用TO-220封装(Radio Shack部件号为276-1770)

  • 两个电解电容器,容量介于100和1,000微法拉之间(通常,Radio Shack部件号为272-958)

电解电容器
电解电容器
7805的电压介于7和30伏之间,可将其电压调低到正好为5伏。第一个电容器用于消除来自变压器的任何电压波动,以使7805接收平稳的输入电压;第二个电容器用作负载平衡器以确保从7805获得一致的输出。

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)。

7805有三根引线

要将调节器连接到变压器上,您可以使用以下配置:

在安装电容器时,您需要确保正确连接电极

调节器
两个电容器用平行线表示。“+”号表示电解电容器已极化:电解电容器具有正极和负极接线端(其中的一个接线端带有标记)。在安装电容器时,您需要确保正确连接电极。

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:

电路试验板内部的接线方式

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:

  1. 将变压器的地线连接到电路试验板上较长的外侧接线条之一。
  2. 将7805插入五孔插排中的三排。
  3. 使用导线将地线从接线条连接到7805的中间引线:只需切下很短的一段导线,剥除两端的护套,然后将它们插入。
  4. 将正极导线从变压器连接到7805的左侧引线(输入)。
  5. 将电容器从7805的左侧引线接地,要注意极性是否正确。
  6. 将7805的5伏引线连接到电路试验板上另一个较长的外侧接线条。
  7. 在5伏电压和地线接线条之间连接第二个电容器。

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):

调节器
调节器

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:

  • 拔出电容器。重新插入变压器,稍后再看一下情况是否发生变化。
  • 确保地线和变压器的正极导线没有接反(如果接反,7805可能会变得很热,并且可能会烧毁)。
  • 将变压器断开连接并使用电压计进行检查,以确保变压器能够产生电压。请参见上一页以了解如何执行此操作。

串联LED和电阻器
在看到调节器输出5伏电压后,可通过将其连接到LED,进一步对其进行测试并查看其是否正常工作。您需要串联LED和电阻器——在电路试验板上很容易完成此操作。您必须使用电阻器,否则LED将立即烧毁。比较适合的电阻器值为330欧姆,但介于200和500欧姆之间的值也具有很好的效果。作为二极管的LED具有极性,因此,如果LED没有亮起,请尝试反接引线并查看是否奏效。

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!

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):

  • 7400-NAND(与非)(每个芯片四个门)
  • 7402-NOR(或非)(每个芯片四个门)
  • 7404-NOT(非)(每个芯片六个门)
  • 7408-AND(与)(每个芯片四个门)
  • 7432-OR(或)(每个芯片四个门)
  • 7486-XOR(异或)(每个芯片四个门)

芯片的内部结构如下所示:

芯片

芯片

芯片

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:

引脚
在此图中,芯片在引脚14(红线)上接收+5伏电压,并在引脚 7(黑线)上与地线相连。电阻器从引脚3开始连接到LED,LED 也连接到地线上。从+5连接导线并将其接地到门的A和B输入端以使门发挥作用。

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。

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:

  • TTL Cookbook:作者Don Lancaster,这是一本精彩的启蒙书籍,内容详实且充满奇思妙想
  • TTL Logic Data Book:由Texas Instruments出版,提供了所有TTL芯片的完整数据(也可以从Jameco购买)
  • IC Projects:作者Carl J. Bergquist、Curt Reeder
  • Radio Shack销售的部件号62-5010至62-5026的书籍:这些书籍价格低廉,并且包含大量电路可供试验和使用。

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!

关键字:电子  工作  工作原理  原理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0713/article_10598.html
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