電子ゲートのしくみ

ブール論理に関する記事を読んだことがあれば、デジタルデバイスがブールゲートに依存していることをご存知でしょう。また、その記事から、ゲートを実装する1つの方法にはリレーが含まれることがわかります。ただし、最近のコンピューターはリレーを使用していません。「チップ」を使用しています。

ブールゲートとチップを試してみたい場合はどうなりますか？独自のデジタルデバイスを構築したい場合はどうなりますか？それほど難しいことではないことがわかりました。この記事では、ブール論理の記事で説明されているすべてのゲートを試す方法を説明します。パーツを入手できる場所、パーツを相互に配線する方法、およびパーツが何をしているのかを確認する方法について説明します。その過程で、まったく新しいテクノロジーの世界への扉が開かれます。

コンテンツ

1. ステージの設定
2. 機器の組み立て
3. 電源
4. レギュレーターの構築
5. ブールゲートで遊ぶ
6. ビルドしてください！

ブール論理のしくみの記事では、7つの基本的なゲートについて説明しました。これらのゲートは、すべてのデジタルデバイスの構成要素です。また、これらのゲートを組み合わせて、全加算器などの高レベルの関数にする方法も確認しました。これらのゲートを試して自分で試してみたい場合は、TTLチップと呼ばれるものを購入し、はんだ不要のブレッドボードと呼ばれるデバイスで回路をすばやく配線するのが最も簡単な方法です。実際に試してみることができるように、テクノロジーとプロセスについて少し話しましょう！

コンピューター技術の歴史を振り返ると、すべてのコンピューターがブールゲートを中心に設計されていることがわかります。ただし、これらのゲートを実装するために使用されるテクノロジーは、ここ数年で劇的に変化しました。最初の電子ゲートは、リレーを使用して作成されました。これらのゲートは遅くてかさばっていました。真空管がリレーに取って代わりました。チューブははるかに高速でしたが、同じようにかさばり、チューブが燃え尽きるという問題にも悩まされていました（電球のように）。いったんトランジスタは（トランジスタが1947年に発明された）完成して、コンピューターから作られたゲート使用し始めたディスクリートトランジスタを。トランジスタには多くの利点がありました。チューブやリレーと比較して、信頼性が高く、消費電力が少なく、サイズが小さいことです。これらのトランジスタは個別のデバイスでした。つまり、各トランジスタは個別のデバイスでした。それぞれが、3本のワイヤーが取り付けられたエンドウ豆の大きさの小さな金属缶に入っていました。ゲートを作成するには、3つまたは4つのトランジスタといくつかの抵抗とダイオードが必要になる場合があります。

1960年代初頭、集積回路（IC）が発明されました。トランジスタ、抵抗器、ダイオードは、シリコンの「チップ」上で一緒に製造できます。この発見により、SSI（小規模統合）ICが生まれました。 AN SSI ICは、典型的には、おそらく20トランジスタ及び他の様々な構成要素がエッチングされていたシリコンの3mmの正方形のチップで構成されています。一般的なチップには、4つまたは6つの個別のゲートが含まれる場合があります。これらのチップは、コンピューターのサイズを約100分の1に縮小し、コンピューターの構築をはるかに容易にしました。

チップ製造技術が向上するにつれて、ますます多くのトランジスタが単一のチップにエッチングされる可能性があります。これにより、複数のゲートで構成される全加算器などの単純なコンポーネントを含むMSI（中規模統合）チップが実現しました。次に、LSI（大規模集積回路）により、設計者は単純なマイクロプロセッサのすべてのコンポーネントを1つのチップに収めることができました。8080プロセッサ1974年にインテルによって放出は、最初の商業的に成功したシングルチップマイクロプロセッサでした。 4,800個のトランジスタを搭載したLSIチップでした。それ以来、VLSI（超大規模集積回路）はトランジスタの数を着実に増やしてきました。最初のPentiumプロセッサは1993年にリリースされ、320万個のトランジスタが搭載されており、現在のチップには最大2,000万個のトランジスタを搭載できます。

ゲートを実験するために、少し時間を遡ってSSIICを使用します。これらのチップはまだ広く入手可能であり、非常に信頼性が高く、安価です。一度に1つのゲートで、必要なものを作成できます。使用する特定のICは、TTL（Transistor Transistor Logic、IC上のゲートの特定の配線にちなんで名付けられた）と呼ばれるファミリです。使用するチップは、7400シリーズと呼ばれる最も一般的なTTLシリーズのものです。このシリーズには、単純なANDゲートから完全なALU（算術論理演算装置）まで、おそらく100種類のSSIおよびMSIチップがあります。

7400シリーズチップはDIP（デュアルインラインパッケージ）に収容されています。右の写真のように、DIPは小さなプラスチックのパッケージで、14、16、20、または24個の小さな金属製のリード線が突き出ており、内部のゲートに接続できます。これらのゲートから何かを構築する最も簡単な方法は、チップをはんだのないブレッドボードに配置することです。ブレッドボードを使用すると、ボードの接続穴にワイヤーを差し込むだけで、物を配線できます。

すべての電子ゲートには電源が​​必要です。TTLゲートは動作に5ボルトを使用します。チップはこの電圧にかなりこだわっているので、TTLチップを使用するときは常に、クリーンで安定化された5ボルトの電源を使用する必要があります。4000シリーズのCMOSチップなど、他の特定のチップファミリは、使用する電圧にそれほどこだわりがありません。CMOSチップには、消費電力がはるかに少ないという追加の利点があります。ただし、静電気に非常に敏感であるため、静電気のない環境で作業しない限り、信頼性が低くなります。したがって、ここではTTLを使用します。

TTLゲートで遊ぶには、いくつかの機器が必要です。購入する必要があるもののリストは次のとおりです。

これらの部品を合わせると、入手先によって異なりますが、40ドルから60ドル程度の費用がかかる場合があります。

これらのパーツについて詳しく説明するために、これらのパーツの詳細をいくつか見ていきましょう。

この機器は、角の店で見つけるようなものではありません。ただし、これらの部品を入手することは難しくありません。上記のコンポーネントを購入しようとすると、いくつかの選択肢があります。

ノート

TTLチップを使用するには、安定化された5ボルトの電源が必ず必要になります。前述のように、Radio ShackもJamecoも、標準の安価な5ボルトの安定化電源を提供していないようです。あなたが持っている1つのオプションは部品番号116089のようなものをJamecoから購入することです。これは古いAtariビデオゲームからの5ボルトの電源です。 Jamecoのカタログを見ると、このような余剰電源が約20種類あり、あらゆる種類の電圧とアンペア数を生成していることがわかります。あなたは必要な5ボルトで少なくとも0.3アンペア（300ミリアンペア）-2アンペア以下が必要なので、必要以上の電源を購入しないでください。あなたができることは、電源を購入し、次にコネクタを切断し、5ボルトとアース線にアクセスすることです。それはうまくいくでしょう、そしておそらく最も簡単な道です。電圧計（以下を参照）を使用して、電源が必要な電圧を生成していることを確認できます。

別の方法は、小さなパワーキューブトランスから5ボルトの電源を構築することです。何が必要作り出す変圧器である7〜12 DCボルトの時以上の100ミリアンペア。ご了承ください：

使用できる古いものが転がっている可能性があります。表紙の刻印を読んで、3つの要件すべてを満たしていることを確認してください。そうでない場合は、RadioShackまたはJamecoから変圧器を購入できます。

Radio Shackは、9ボルトの300ミリアンペアの変圧器（部品番号273-1455）を販売しています。 Jamecoには、7.5ボルトの300ミリアンペアモデル（部品番号149964）があります。コネクタをトランスから外し、2本のワイヤを分離します。両方のワイヤから約1センチメートルの絶縁体を剥がします。次に、変圧器を接続します（一度接続したら、変圧器からの2本のワイヤーが互いに接触しないようにしてください。接触しないと、変圧器が焼損して破損する可能性があります）。電圧計（下記参照）を使用して電圧を測定します。変圧器がほぼ指定された電圧を生成していることを確認する必要があります（電圧は2倍も高くなる可能性があります-それは問題ありません）。あなたの変圧器はバッテリーのように機能していますあなたのために、あなたはまた、どのワイヤーがネガティブでどれがポジティブであるかを決定したいと思います。電圧計の黒と赤のリード線を変圧器のワイヤーにランダムに接続し、測定された電圧が正か負かを確認します。負の場合は、リード線を逆にします。これで、黒いリード線が接続されているワイヤがマイナス（アース）ワイヤであり、もう一方がプラスワイヤであることがわかりました。

ボルトオームメーターの使用

ボルトオームメーター（マルチメーター）は、電圧、電流、抵抗を測定します。黒と赤の2つの「リード」（ワイヤー）があります。今メーターでやりたいのは、電圧の測定方法を学ぶことです。これを行うには、使用するAA、C、またはDバッテリーを見つけます（電池切れではありません）。電圧源として使用します。

メーターはそれぞれ異なりますが、一般的に、バッテリーの電圧を測定する準備をするための手順は次のとおりです。

1. 黒のテストリードを取り、「Common」、「Com」、「Ground」、「Gnd」、または「-」（マイナス）とマークされた穴に挿入します。
2. 赤いテストリードを取り、「ボルト」、「V」、「位置」、または「+」（プラス）とマークされた穴に挿入します（メーターによって異なります）。一部のメーターには、赤い鉛用の複数の穴があります。必ずボルト用の穴を使用してください。
3. ダイヤルを「DCボルト」セクションに回します。通常、このセクションでは複数の電圧範囲を利用できます。私のメーターでは、範囲は2.5ボルト、50ボルト、250ボルト、1,000ボルトです（ファンシーなオートレンジメーターが自動的に範囲を設定する場合があります）。メーターの範囲も同様です。バッテリーの電圧は1.25ボルトになるので、1.25ボルトより大きい最も近い電圧を見つけます。私の場合、それは2.5ボルトです。

ここで、黒いリード線をバッテリーのマイナス端子に、赤いリード線をプラス端子に接続します。メーターから1.25ボルトに近いものを読み取ることができるはずです。黒のリード線を負に接続し、赤のリード線を正に接続して、それを行う習慣を維持することが重要です。これで、メーターを使用して電源をテストすることもできます。必要に応じて電圧範囲を変更してから、黒いリード線をアースに接続し、赤いリード線を5ボルトのプラス線と思われるものに接続します。メーターは5ボルトを読み取る必要があります。

レギュレーターを構築するには、次の3つの部分が必要です。

7805は、7〜30ボルトの電圧を取り込み、正確に5ボルトに調整します。最初のコンデンサはトランスからのリップルを取り除き、7805がスムーズな入力電圧を受け取るようにし、2番目のコンデンサはロードバランサとして機能して7805からの一貫した出力を確保します。

7805には3つのリードがあります。7805を正面（印刷されている側）から見ると、3つのリード線は、左から右に、入力電圧（7〜30ボルト）、アース、および出力電圧（5ボルト）です。

2つのコンデンサは平行線で表されます。「+」記号は、電解コンデンサが分極していることを示します。電解コンデンサには正と負の端子があります（そのうちの1つにマークが付けられます）。コンデンサを取り付けるときは、極性が正しいことを確認する必要があります。

このレギュレーターはブレッドボード上に構築できます。これを行うには、ブレッドボードが内部でどのように配線されているかを理解する必要があります。

ブレッドボードの外縁には、ボードの長さを走る2列の端子があります。これらの端子はすべて内部で接続されています。通常、一方を+5ボルト下げ、もう一方を接地します。ボードの中央にはチャネルがあります。チャネルの両側には、相互接続された5つの端子のセットがあります。ボルトオームメーターを使用して相互接続を確認できます。メーターのダイヤルをオーム設定に設定してから、ブレッドボードのさまざまなポイントにワイヤーを貼り付けます（メーターのテストリードは太すぎてブレッドボードの穴に収まらない可能性があります）。

オーム設定では、メーターは抵抗を測定します。2点間に接続がある場合（リードを一緒にタッチしてこれを確認）、抵抗はゼロになり、接続がない場合は無限になります（リードを離してこれを確認します）。図に示すように、ボード上のポイントが実際に相互接続されていることがわかります。接続を確認するもう1つの方法は、ブレッドボードの背面にあるステッカーを少し引き戻して、金属製のコネクタを確認することです。

次に、レギュレーターの部品を接続します。

レギュレーターを作成しました。完了すると、次のようになります（2つのビュー）。

どちらの図でも、変圧器からの線は左から入っています。下部のボードの長さを走るアースストリップに直接接続された変圧器のアース線を見ることができます。上部のストリップは+5ボルトを供給し、7805の+5ピンに直接接続されています。左側のコンデンサは変圧器の電圧をフィルタリングし、右側のコンデンサは7805によって生成された+5ボルトをフィルタリングします。LEDは+5とアースは抵抗を介してストリップし、電源が「オン」になったことを知らせます。

変圧器を接続し、7805の入力電圧と出力電圧を測定します。7805から正確に5ボルトが出て、変圧器が供給する電圧が入っているのがわかります。そうでない場合は、すぐに変圧器を取り外して、次の手順を実行します。 ：

レギュレーターから5ボルトが出ているのを確認したら、さらにテストして、LEDを接続することでオンになっていることを確認できます。LEDと抵抗を直列に接続する必要があります。これはブレッドボードで簡単に行うことができます。抵抗を使用する必要があります。そうしないと、LEDがすぐに切れてしまいます。抵抗器の適切な値は330オームですが、200〜500オームであれば問題なく動作します。ダイオードであるLEDには極性があるため、LEDが点灯しない場合は、リード線を逆にして、それが役立つかどうかを確認してください。

電源を配線して動作させるためだけに、途方もないトラブルに見舞われたように思えるかもしれません。しかし、あなたはその過程でいくつかのことを学びました。これで、ブールゲートを試すことができます。

前のページの表を使用して部品を注文した場合は、6つの異なるタイプのゲートを含む6つの異なるチップが必要です。

7408ANDチップから始めましょう。チップを見ると、通常、ピン1にドット、チップのピン1の端にくぼみ、またはピン1を示すその他のマークがあります。チップをブレッドボードに押し込み、中央のチャネルにまたがるようにします。 。図から、すべてのチップで、ピン7がグランドに接続され、ピン14が+5ボルトに接続されている必要があることがわかります。したがって、これら2つのピンを適切に接続します。 （逆に接続するとチップが焼けてしまいますので、逆に接続しないでください。誤って焼けてしまった場合は、良品と混同しないように捨ててください。）LEDを接続します。チップのピン3とグランドの間の抵抗。 LEDが点灯するはずです。そうでない場合は、LEDを逆にして点灯させます。 ICは次のようになります。

これが起こっていることです。 TTLでは、+ 5はバイナリ「1」を表し、グラウンドはバイナリ「0」を表します。ゲートへの入力ピンが何にも接続されていない場合、「ハイフロート」します。つまり、ゲートはピンに1があると想定します。したがって、ANDゲートはA入力とB入力の両方で1を認識しているはずです。これは、ピン3の出力が5ボルトを供給していることを意味します。そのため、LEDが点灯します。チップのピン1または2、あるいはその両方を接地すると、LEDが消灯します。これは、ブール論理のしくみで説明されているように、ANDゲートの標準的な動作です。

ブレッドボードで他のゲートを接続して試してみて、ブール論理の記事の論理テーブルに従ってすべてが動作することを確認してください。次に、もっと複雑なものを配線してみてください。たとえば、XORゲートまたは全加算器のQビットを配線して、期待どおりに動作することを確認します。

理論的には、デジタルデバイスを構築するために必要な基本的な知識が得られました。この記事で説明されている基本的なゲートを使用して、何でも構築できます。ただし、ALUのような一般的なものを構築するために、50個のチップを組み合わせる必要がないように、大規模なデバイスを使用する方が便利な場合がよくあります。ゲートを組み合わせて複雑なシステムを作成するさまざまな方法の例を確認することも役立ちます。

より大きなプロジェクトに取り組みたい場合は、「デジタル時計のしくみ」で説明されているデジタル時計の作成を試すことができます。TTLデバイスについて詳しく知りたい場合は、次の書籍が役立ちます。

ほんの数個のICといくつかの創造性で作成できるものに驚かれることでしょう。それを楽しんでください！

電子ゲートおよび関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

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