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電子門工作原理
1. 引言 2. 組裝數字設備的準備工作 3. 組裝TTL門的設備 4. 為TTL芯片提供電源 5. 組裝調節器 6. 使用布爾門 7. 動手組裝數字設備如果您已閱讀了博聞網有關布爾邏輯方面的文章，您就會知道數字設備取決于布爾門。也可以從該文章中了解到，一種實現門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”。
如果要使用布爾門和芯片進行試驗，結果會怎樣呢？如果要組裝您自己的數字設備，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展歷史，您就會發現所有計算機都是圍繞布爾門進行設計的。但是，經過多年的發展，用于實現這些門的技術已發生了根本性變化。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，從而導致了中規模集成電路（MSI）的出現，其中包含由多個門組成的簡單元件，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個晶體管的大規模集成電路。從那時起到現在，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）。
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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，除非在無靜電的環境中使用。因此，我們此處仍堅持使用TTL。
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（發光二極管）
- 幾個用于LED的電阻器
- 一些導線（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生合適的電壓。
- 邏輯探針是可選的。它可簡化測試導線狀態（1或0）的過程，您也可以使用LED實現相同的效果。
- 在上述部件中，只有5伏電源不太容易準備。似乎沒有廠家銷售簡單、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節器。我們將在下面討論這兩種選擇。
電阻器和LED - LED（發光二極管）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：
- Radio Shack
- 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，并且能夠滿足人們自己的組裝要求，那就再好不過了。
- 像Jameco一樣的郵購商店——Jameco已有數十年的經營歷史，不僅貨物品種齊全，而且價格經濟實惠。（請確保下載其PDF產品目錄或者向其索取打印目錄——這可大大簡化瀏覽其網站的過程。）
下表顯示了需要購買的部件并列出了Jameco部件號。
| 部件 |
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| 電路試驗板 |
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| 電壓電阻計 |
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| 邏輯探針（可選） |
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| 5伏穩壓電源 |
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| 7400（NAND門） |
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| 7402（NOR門） |
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| 7404（NOT門） |
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| 7408（AND門） |
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| 7432（OR門） |
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| 7486（XOR門） |
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| 5至10個LED |
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| 5至10個330歐姆電阻器 |
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| 導線（規格為20至28） |
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（請參見下一節以了解詳細信息）
| 部件 |
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| 變壓器（7至12伏，300毫安） |
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| 7805 5伏電壓調節器（TO-220封裝） |
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| 2個470微法拉電解電容器 |
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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。我還發現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產品目錄，您就會發現它們大約有20種與此部件類似的各種庫存電源，可產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）以確保電源產生所需的電壓。
另一種選擇是，通過小型power-cube變壓器產生5伏電源。您所需的就是一個可產生7至12伏直流電壓和100毫安或更高電流的變壓器。 請注意：
- 變壓器必須產生直流電壓。
- 它必須產生7至12伏的電壓。
- 它必須產生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。現在插入變壓器（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生的電壓與規定的電壓比較接近（它可能會產生高達兩倍的電壓——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。
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每個儀表都是不同的，但通常可以使用以下步驟來測量電池電壓：
現在，您也可以使用儀表來測試電源。必要時更改電壓量程，然后將黑色引線接地，而將紅色引線連接到假定為+5伏電壓的導線上。儀表的讀數應該為5伏。 |
組裝調節器
要組裝調節器，您需要使用三個部件：
- 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）
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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）。
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要將調節器連接到變壓器上，您可以使用以下配置：
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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方式。下圖顯示了接線情況：
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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）。您會發現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。
現在，我們來連接調節器的部件：
- 將變壓器的地線連接到電路試驗板上較長的外側接線條之一。
- 將7805插入五孔插排中的三排。
- 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。
- 將正極導線從變壓器連接到7805的左側引線（輸入）。
- 將電容器從7805的左側引線接地，要注意極性是否正確。
- 將7805的5伏引線連接到電路試驗板上另一個較長的外側接線條。
- 在5伏電壓和地線接線條之間連接第二個電容器。
您已經裝好了調節器。 裝好后的調節器可能如下所示（兩個視圖）：
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在上面的兩個圖中，變壓器的導線是從左側引入的。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。左側的電容器對變壓器電壓進行濾波；右側的電容器對 7805產生的+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生電壓。請參見上一頁以了解如何執行此操作。
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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。現在，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）
芯片的內部結構如下所示：
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讓我們從7408AND芯片入手吧。如果看一下該芯片，您就會發現引腳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：
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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輸入端以使門發揮作用。 |
以下是所發生的情況。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。
動手組裝數字設備
從理論上說，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來組裝任何設備。但是，使用更大規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鐘工作原理中所述的數字時鐘。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芯片的完整數據（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。
您會驚奇地發現只需使用幾個集成電路并運用一些創造力，即可制作出各種設備。祝您玩得開心！
工商網監
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