电子门工作原理

2011-07-13

电子门工作原理

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

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）。

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

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：

Radio Shack
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。
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：

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）。
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。
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

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）。

要将调节器连接到变压器上，您可以使用以下配置：

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：

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。
将7805插入五孔插排中的三排。
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。
将正极导线从变压器连接到7805的左侧引线（输入）。
将电容器从7805的左侧引线接地，要注意极性是否正确。
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。
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）：

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。

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：

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：

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。