电子门是如何工作的

在这篇文章中布尔逻辑如何运作，我们看了七个基本的门。这些门是所有数字设备的基石。我们也看到了如何将这些门组合成更高级别的功能，例如全加法。如果你想尝试这些门，你可以自己尝试，最简单的方法是购买一个叫做TTL芯片然后在一个叫做无焊料的电路试验板．让我们来谈谈技术和过程，这样你就可以实际试用了!

如果你回顾计算机技术的历史，你会发现所有的计算机都是围绕布尔门设计的。然而，这些年来，用于实现这些门的技术发生了巨大的变化。最早的电子门是用继电器．这些门又慢又大。真空管更换继电器。电子管的速度要快得多，但它们同样笨重，而且它们也受到电子管烧坏的问题的困扰(比如灯泡）.一次晶体管(晶体管是在1947年发明的)，计算机开始使用由离散晶体管．与电子管或继电器相比，晶体管具有可靠性高、功耗低、体积小等优点。这些晶体管是分立的器件，这意味着每个晶体管都是独立的器件。每一个都装在一个豌豆大小的小金属罐里，上面连着三根电线。可能需要三到四个晶体管和几个电阻二极管创造一扇门。

在20世纪60年代早期，集成电路(ICs)发明的。晶体管、电阻和二极管可以在硅“芯片”上一起制造。这一发现催生了小型集成电路(SSI)。一个SSI集成电路通常由一块3毫米见方的硅片组成，在硅片上蚀刻了大约20个晶体管和各种其他元件。一个典型的芯片可能包含四个或六个单独的门。这些芯片使电脑的尺寸缩小了大约100倍，而且制造起来也容易得多。

随着芯片制造技术的改进，越来越多的晶体管可以蚀刻在一块芯片上。这导致了MSI(中等规模集成)芯片包含简单的组件，如全加法，由多个门组成。然后，大规模集成电路(LSI)允许设计人员将简单的所有组件组装在一起微处理器在一个芯片上。的8080处理器，是第一款在商业上取得成功的单片微处理器。这是一个包含4800个晶体管的大规模集成电路芯片。自那以后，超大规模集成电路(VLSI)的晶体管数量一直在稳步增加。第一款奔腾处理器于1993年发布，有320万个晶体管，目前的芯片可以包含多达2000万个晶体管。

为了实验门，我们将回到过去，使用SSI集成电路。这些芯片仍然广泛使用，而且非常可靠和便宜。你可以用它们建造任何你想要的东西，一次一个门。我们将使用的特定集成电路属于一个称为TTL(晶体管逻辑，因IC上特定的门的布线而命名)。我们将使用的芯片来自最常见的TTL系列，称为7400系列．在这个系列中可能有100种不同的SSI和MSI芯片，从简单的和门到完整的alu(算术逻辑单元)。

7400系列芯片采用dip(双内联封装)封装。如右图所示浸是一个小的塑料包装，有14、16、20或24个小金属引线从它突出来提供与内部闸门的连接。用这些门做东西最简单的方法是把芯片放在一个无焊料面包板上。面包板可以让你简单地将电线插入板上的连接孔，从而把东西连接在一起。

所有的电子门都需要电源。TTL盖茨使用5伏特为操作。芯片是相当特别的电压，所以我们将使用一个干净的，规范的5伏电源，无论何时工作与TTL芯片。某些其他芯片家族，如4000系列CMOS芯片，对它们使用的电压就不那么挑剔了。CMOS芯片还有一个额外的优势，那就是耗电少得多。然而，它们对静电非常敏感，这使得它们不太可靠，除非你有一个无静电的环境来工作。因此，这里我们坚持使用TTL。

为了玩TTL门，你必须有几件设备。以下是你需要购买的物品清单:

这些零件加在一起的成本可能在40到60美元之间，这取决于你从哪里买到它们。

让我们浏览一下这些部分的一些细节，让你更熟悉它们:

这种设备不是你在街角商店里能找到的那种东西。然而，获得这些零件并不难。当你尝试购买上面列出的组件时，你有几个选择:

笔记

你肯定需要一个5伏稳压电源使用TTL芯片工作。如前所述，无论是Radio Shack还是Jameco似乎都不提供标准的、便宜的5伏稳压电源。你可以选择从Jameco购买类似于116089的零件。这是一个5伏的电源来自一个旧的雅达利电子游戏。如果你看看Jameco的目录，你会发现他们有大约20种不同的剩余的电力供应就像这样，产生各种各样的电压和电流安培值．你需要5伏特在至少0.3安培(300毫安)-你需要不超过2安培，所以不要购买超过你需要的电源。你可以做的是购买电源，然后切断连接器，获得5伏和地线。这将很好地工作，并且可能是最简单的方法。您可以使用您的伏特计(见下文)，以确保电源产生您需要的电压。

你的选择是建立一个5伏的供应从一个小能量立方变压器．你需要的是一个能产生能量的变压器7到12伏直流电压在100毫安或更多．注意:

你可能有一个旧的，你可以使用——阅读封面上的印记，并确保它满足所有三个要求。如果没有，你可以从Radio Shack或Jameco购买变压器。

Radio Shack销售一款9伏300毫安变压器(部件编号273-1455)。Jameco有一个7.5伏300毫安的型号(零件号149964)。把变压器的接头剪下来，把两根电线分开。从两根电线上剥去大约一厘米的绝缘。现在把变压器插进去(一旦插进去，永远不要让变压器的两根电线互相接触，否则你可能会烧毁变压器并毁掉它)。使用你的伏特计(见下文)来测量电压。你要确保变压器产生的电压大约是规定的(它可能高到2倍——这是可以的)。你的变压器就像电池对你来说，所以你也想确定哪根线是负的，哪根是正的。把电压表的黑色和红色导线随机地钩到变压器的电线上，看看所测电压是正的还是负的。如果是负的，将引线反转。现在你知道黑色引线连接的电线是负极(接地)线，而另一根是正极线。

要建立监管机构，你需要三个部分:

7805的电压在7到30伏之间，并将其降至5伏。第一个电容器去掉来自变压器的任何纹波，使7805接收到一个平滑的输入电压，第二个电容作为负载平衡器，以确保从7805的输出一致。

7805有三个引线。如果你从前面看7805(上面有印刷的那一边)，这三条引线从左到右，输入电压(7至30伏)，地面,输出电压(5伏)。

这两个电容器用平行线表示。“+”号表示电解电容器是极化:在电解电容器上有一个正极和一个负极(其中一个将被标记)。当你安装电容器时，你需要确保极性正确。

你可以在你的电路板上建立这个调节器．要做到这一点，您需要了解面包板的内部连接方式。

在面包板的外缘是两行与面包板长度一致的端子。所有这些终端都是内部连接的。通常情况下，你运行+5伏下来其中一个和地面下另一个。木板的中央是一条通道。在通道的两边是一组五个相互连接的终端．你可以用伏特欧姆计来观察它们之间的相互关系。将仪表的刻度盘设置为欧姆，然后在面包板的不同点上粘接电线(仪表的测试引线可能太粗，无法插进面包板的孔中)。

在欧姆设置下，仪表进行测量电阻．阻力会零如果两点之间有连接(通过触摸引线来观察)，并且无限如果没有连接(把引线分开来看)。如图所示，你会发现黑板上的点确实是相互连接的。另一种查看连接的方法是把面包板背面的贴纸拉回来一点，看看金属连接器。

现在把你的零件连接起来监管机构：

你们创造了自己的调节器。当你完成时，它可能看起来像这样(两个视图):

在这两幅图中，变压器的线都是从左边进来的。您可以看到变压器的接地线直接连接到与底板长度一致的接地带中。顶部带供应+5伏电压，并直接连接到7805的+5引脚。左边的电容器滤除变压器电压，而右边的电容器滤除7805产生的+5伏电压。LED连接在+5和接地带之间，通过电阻，并让你知道电源是“打开的”。

插入变压器，测量7805的输入和输出电压。你应该看到正好有5伏的电压从7805输出，不管变压器输出的是什么电压。如果没有，则立即断开变压器，并做以下操作:

一旦你看到5伏出来的调节器，你可以进一步测试它，并看到它是通过连接一个LED到它。你需要连接一个LED和一个电阻在系列——在你的面包板上很容易做的事情。你必须使用电阻器，否则LED会立即烧坏。电阻器的一个好的值是330欧姆，尽管在200和500欧姆之间的任何东西都可以工作。LED，作为二极管，有一个极性，所以如果你的LED不亮，尝试倒转引线，看看是否有帮助。

看起来好像我们已经经历了巨大的麻烦，只是为了让电源连接起来并工作。但在这个过程中，你学到了一些东西。现在我们可以用布尔门做实验了!

如果你使用上一页的表格来订购零件，你应该有六个不同的芯片，包含六个不同类型的门:

让我们从a开始7408年和芯片．如果你观察芯片，通常会在引脚1处有一个点，或者在芯片的引脚1末端有一个缩进，或者其他一些标记来表示引脚1。将芯片推入面包板，使它跨在中心通道上。你可以从图表中看到，在所有芯片上，引脚7必须连接到地，引脚14必须连接到+5伏。把这两个引脚连接起来。(如果你反向连接，你会烧毁芯片，所以不要反向连接。如果你不小心烧坏了一个芯片，把它扔掉，这样你就不会把它和好的部分弄混了。)现在在芯片引脚3和地之间连接一个LED和电阻。LED应该是亮的。如果没有，把LED倒过来让它亮起来。 Your IC should look like this:

下面是正在发生的事情。在TTL中，+5代表一个二进制“1”，接地代表一个二进制“0”。如果一个栅极的输入引脚没有连接到任何东西，它就会浮高，意思是门假设pin上有一个1。所以与门应该在A和B输入上看到1s，这意味着引脚3的输出输出5伏。LED灯。如果您接地引脚1或2或两者在芯片上，LED将熄灭。这是与门的标准行为，如布尔逻辑如何运作．

通过在面包板上连接其他门来尝试它们，看看它们都是根据布尔逻辑篇文章。然后尝试连接一些更复杂的东西。例如，连接XOR门,或者是全加法器的Q位，并确保他们的行为符合预期。

从理论上讲，你现在已经具备了制造任何数字设备所需的基本知识。您可以使用本文中讨论的基本门来构造任何东西。然而，使用更大规模的设备通常更方便，这样你就不必结合50个芯片来构建一些常见的东西，比如运算器．看到不同的方法组合门来创建复杂系统的例子也很有帮助。

如果你想做一个更大的项目，你可以尝试建立数字时钟在数字时钟是如何工作的．如果你想了解更多关于TTL器件的知识，下面的书籍会很有帮助:

你会惊讶于只用几个集成电路和一些创造力就能创造出的东西。祝你玩得开心!

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