전자 게이트 작동 방식

부울 논리 에 대한 기사를 읽었다면 디지털 장치가 부울 게이트에 의존한다는 것을 알고 있습니다. 당신은 또한 게이트를 구현하는 한 가지 방법이 릴레이를 포함한다는 것을 그 기사에서 알고 있습니다 . 그러나 최신 컴퓨터 는 릴레이를 사용 하지 않습니다 . "칩"을 사용합니다.

부울 게이트와 칩을 실험하고 싶다면? 자신만의 디지털 기기를 만들고 싶다면 어떻게 하시겠습니까? 그렇게 어렵지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 이 기사에서는 부울 논리 기사 에서 논의된 모든 게이트를 실험하는 방법을 볼 수 있습니다 . 부품을 구할 수 있는 곳, 부품을 연결하는 방법, 부품이 하는 일을 볼 수 있는 방법에 대해 이야기할 것입니다. 그 과정에서 당신은 완전히 새로운 기술 세계의 문을 열게 될 것입니다.

내용물

1. 무대 설정
2. 장비 조립
3. 전원 공급 장치
4. 레귤레이터 구축
5. 부울 게이트로 놀기
6. 그것을 구축!

How Boolean Logic Works 기사 에서 우리는 7가지 기본 게이트를 살펴보았습니다. 이 게이트는 모든 디지털 장치의 빌딩 블록입니다. 우리는 또한 이러한 게이트를 전체 가산기와 같은 더 높은 수준의 기능으로 함께 결합하는 방법을 보았습니다. 이러한 게이트로 실험을 하여 직접 시험해보고 싶다면 가장 쉬운 방법은 TTL 칩 을 구입 하고 무납땜 브레드보드 라고 하는 장치에서 회로를 빠르게 배선하는 것 입니다. 실제로 사용해 볼 수 있도록 기술과 프로세스에 대해 조금 이야기해 보겠습니다!

컴퓨터 기술의 역사를 되돌아보면 모든 컴퓨터가 부울 게이트를 중심으로 설계되었음을 알 수 있습니다. 그러나 이러한 게이트를 구현하는 데 사용되는 기술은 수년에 걸쳐 극적으로 변경되었습니다. 최초의 전자 게이트는 릴레이를 사용하여 만들어졌습니다 . 이 문은 느리고 부피가 컸습니다. 진공관이 릴레이를 교체했습니다. 튜브는 훨씬 더 빨랐지만 부피도 똑같이 크고 튜브가 타버리는 문제( 전구 처럼 )로 인해 골칫거리 였습니다. 트랜지스터 가 완성 되면 (트랜지스터가 1947년에 발명됨) 컴퓨터는 개별 트랜지스터 로 만든 게이트를 사용하기 시작했습니다.. 트랜지스터는 튜브나 릴레이에 비해 높은 신뢰성, 낮은 전력 소비 및 작은 크기 등 많은 장점이 있습니다. 이 트랜지스터는 개별 장치였습니다. 즉, 각 트랜지스터는 별도의 장치였습니다. 각각은 완두콩 크기의 작은 금속 캔에 들어 있었고 세 개의 전선이 연결되어 있었습니다. 게이트를 생성하려면 3개 또는 4개의 트랜지스터와 여러 개의 저항 및 다이오드 가 필요할 수 있습니다 .

1960년대 초 집적회로 (IC)가 발명되었습니다. 트랜지스터, 저항기 및 다이오드는 실리콘 "칩"에서 함께 제조될 수 있습니다. 이 발견으로 SSI(소규모 통합) IC가 탄생했습니다. SSI IC는 통상적 아마도 20 트랜지스터 및 다양한 다른 구성 요소가 에칭되어있는 실리콘의 3 mm 평방 칩 구성된다. 일반적인 칩에는 4개 또는 6개의 개별 게이트가 포함될 수 있습니다. 이 칩은 컴퓨터 크기를 약 100분의 1로 줄였으며 훨씬 쉽게 구축할 수 있게 했습니다.

칩 제조 기술이 향상됨에 따라 점점 더 많은 트랜지스터를 단일 칩에 에칭할 수 있게 되었습니다. 이는 다중 게이트로 구성된 전가산기와 같은 간단한 구성 요소를 포함하는 MSI(중간 규모 통합) 칩으로 이어졌습니다. 그런 다음 LSI(대규모 통합)를 통해 설계자는 간단한 마이크로프로세서 의 모든 구성 요소를 단일 칩 에 맞출 수 있었습니다 . 8080 프로세서를 1974 년에 인텔의 발표는, 최초의 상업적 성공 단일 칩 마이크로 프로세서였다. 4,800개의 트랜지스터가 들어 있는 LSI 칩이었습니다. VLSI(Very Large Scale Integration)는 그 이후로 트랜지스터의 수를 꾸준히 증가시켜 왔습니다. 최초의 펜티엄 프로세서는 1993년 320만 트랜지스터와 함께 출시되었으며 현재 칩에는 최대 2000만 트랜지스터가 포함될 수 있습니다.

게이트를 실험하기 위해 약간 시간을 거슬러 올라가 SSI IC를 사용할 것입니다. 이 칩은 여전히 ​​널리 사용되며 매우 안정적이고 저렴합니다. 한 번에 하나의 게이트로 원하는 모든 것을 만들 수 있습니다. 우리가 사용할 특정 IC는 TTL (Transistor Transistor Logic, IC의 특정 게이트 배선 이름)이라는 제품군 입니다. 우리가 사용할 칩은 7400 시리즈 라고 하는 가장 일반적인 TTL 시리즈 입니다. 이 시리즈에는 간단한 AND 게이트에서 완전한 ALU(산술 논리 장치)에 이르기까지 100가지 다른 SSI 및 MSI 칩이 있습니다.

7400 시리즈 칩은 DIP(이중 인라인 패키지)에 보관됩니다. 오른쪽 그림과 같이 DIP 는 내부 게이트에 대한 연결을 제공하기 위해 14, 16, 20 또는 24개의 작은 금속 리드가 돌출된 작은 플라스틱 패키지입니다. 이러한 게이트에서 무언가를 구성하는 가장 쉬운 방법은 무납땜 브레드보드에 칩을 배치하는 것입니다. 브레드보드를 ​​사용하면 와이어 조각을 보드의 연결 구멍에 연결하기만 하면 모든 것을 연결할 수 있습니다.

모든 전자 게이트에는 전원이 필요합니다. TTL 게이트 는 작동에 5볼트 를 사용합니다. 칩은 이 전압에 대해 상당히 구체적이므로 TTL 칩으로 작업할 때마다 깨끗하고 조절된 5볼트 전원 공급 장치를 사용하고 싶습니다. 4000 시리즈 CMOS 칩과 같은 특정 다른 칩 제품군은 사용하는 전압에 대해 훨씬 덜 구체적입니다. CMOS 칩은 훨씬 적은 전력을 사용한다는 추가적인 이점이 있습니다. 그러나 정전기에 매우 민감하므로 작업할 정전기가 없는 환경이 아니면 신뢰성이 떨어집니다. 따라서 여기서는 TTL을 사용합니다.

TTL 게이트를 가지고 놀기 위해서는 몇 가지 장비가 필요합니다. 구매해야 하는 목록은 다음과 같습니다.

이러한 부품의 가격은 어디서 구하는지에 따라 $40에서 $60 정도입니다.

이 부분에 대해 좀 더 자세히 알아볼 수 있도록 몇 가지 세부 정보를 살펴보겠습니다.

이 장비는 모퉁이 상점에서 찾을 수 있는 종류의 물건이 아닙니다. 그러나 이러한 부품을 얻는 것은 어렵지 않습니다. 위에 나열된 구성 요소를 구입하려고 할 때 몇 가지 선택 사항이 있습니다.

메모

TTL 칩과 함께 작동 하려면 반드시 조절된 5볼트 전원 공급 장치 가 필요합니다 . 앞서 언급했듯이 Radio Shack이나 Jameco는 표준의 저렴한 5볼트 조정 전원 공급 장치를 제공하지 않는 것 같습니다. 한 가지 옵션은 부품 번호 116089와 같은 것을 Jameco에서 구입하는 것입니다. 이것은 오래된 Atari 비디오 게임의 5볼트 전원 공급 장치입니다. Jameco 카탈로그를 보면 이와 같은 약 20개의 잉여 전원 공급 장치가 있어 모든 종류의 전압과 암페어를 생성 한다는 것을 알 수 있습니다 . 당신은 필요 5 볼트 에서 적어도 0.3 암페어(300 밀리암페어) -- 2암페어 이상 필요하지 않으므로 필요 이상으로 전원 공급 장치를 구입하지 마십시오. 당신이 할 수 있는 일은 전원 공급 장치를 구입한 다음 커넥터를 차단하고 5볼트 및 접지선에 액세스하는 것입니다. 그것은 잘 작동하며 아마도 가장 쉬운 방법일 것입니다. 전압계(아래 참조)를 사용하여 전원 공급 장치가 필요한 전압을 생성하는지 확인할 수 있습니다.

대안은 작은 전원 큐브 변압기 에서 5볼트 공급을 구축하는 것 입니다. 당신이 필요로하는 것은 100 밀리암페어 이상 에서 7 ~ 12 DC 볼트 를 생성하는 변압기입니다 . 참고:

사용할 수 있는 오래된 것이 있을 수 있습니다. 표지에 있는 인쇄물을 읽고 세 가지 요구 사항을 모두 충족하는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 Radio Shack 또는 Jameco에서 변압기를 구입할 수 있습니다.

Radio Shack은 9볼트 300밀리암페어 변압기(부품 번호 273-1455)를 판매합니다. Jameco에는 7.5볼트 300밀리암페어 모델(부품 번호 149964)이 있습니다. 변압기에서 커넥터를 자르고 두 개의 전선을 분리합니다. 두 전선에서 절연체를 약 1센티미터 벗겨냅니다. 이제 변압기를 연결하십시오(한 번 연결되면 변압기의 두 전선이 서로 닿지 않도록 하십시오. 그렇지 않으면 변압기를 태워 망가뜨릴 수 있습니다). 전압계(아래 참조)를 사용하여 전압을 측정하십시오. 변압기가 대략적으로 명시된 전압을 생성하는지 확인하고 싶습니다(2배만큼 높을 수 있습니다. 괜찮습니다). 당신의 변압기는 배터리 처럼 작동합니다당신을 위해, 그래서 당신은 또한 어떤 와이어가 음수이고 어느 것이 양수인지 결정하기를 원합니다. 전압계의 검정색과 빨간색 리드를 변압기의 전선에 무작위로 연결하고 측정된 전압이 양수인지 음수인지 확인합니다. 음수이면 리드를 반대로 하십시오. 이제 검은색 리드가 연결된 전선이 음극(접지) 전선이고 다른 전선이 양극 전선이라는 것을 알았습니다.

볼트 옴 미터 사용

볼트-옴 미터(멀티미터)는 전압, 전류 및 저항을 측정합니다. 그것은 두 개의 "리드"(와이어)가 있습니다. 하나는 검정색이고 하나는 빨간색입니다. 지금 우리가 미터로 하고 싶은 것은 전압을 측정하는 방법을 배우는 것입니다. 이렇게 하려면 가지고 놀 AA, C 또는 D 배터리 를 찾으십시오 (죽은 배터리 가 아님). 우리는 그것을 전압원으로 사용할 것입니다.

미터마다 다르지만 일반적으로 배터리 전압을 측정하기 위한 단계는 다음과 같습니다.

1. 검정색 테스트 리드를 잡고 "Common", "Com", "Ground", "Gnd" 또는 "-"(마이너스)로 표시된 구멍에 삽입합니다(미터에 따라 다름).
2. 빨간색 테스트 리드를 잡고 "Volts", "V", "Pos" 또는 "+"(플러스)로 표시된 구멍에 삽입합니다(미터에 따라 다름). 일부 미터에는 빨간색 리드용 구멍이 여러 개 있습니다. 볼트용 구멍을 사용해야 합니다.
3. 다이얼을 "DC 볼트" 섹션으로 돌립니다. 일반적으로 이 섹션에서 사용할 수 있는 여러 전압 범위가 있습니다. 제 측정기의 범위는 2.5볼트, 50볼트, 250볼트 및 1,000볼트입니다(멋진 자동 범위 측정기가 자동으로 범위를 설정할 수 있음). 측정기는 비슷한 범위를 갖습니다. 배터리의 전압은 1.25볼트이므로 1.25볼트보다 큰 가장 가까운 전압을 찾으십시오. 제 경우에는 2.5볼트입니다.

이제 검정색 리드를 배터리의 음극 단자에, 빨간색 리드를 양극 단자에 연결합니다. 미터에서 1.25볼트에 가까운 것을 읽을 수 있어야 합니다. 검은색 리드를 음극에 연결하고 빨간색 리드를 양극에 연결하고 그렇게 하는 습관을 유지하는 것이 중요합니다. 이제 미터를 사용하여 전원 공급 장치도 테스트할 수 있습니다. 필요한 경우 전압 범위를 변경한 다음 검은색 리드를 접지에 연결하고 빨간색 리드를 양극 5볼트 와이어로 추정되는 것에 연결합니다. 미터는 5볼트를 읽어야 합니다.

레귤레이터를 구축하려면 세 부분이 필요합니다.

7805는 7볼트에서 30볼트 사이의 전압을 받아 정확히 5볼트로 조정합니다. 첫 번째 커패시터 는 변압기에서 나오는 리플을 제거하여 7805가 부드러운 입력 전압을 수신하고 두 번째 커패시터는 로드 밸런서 역할을 하여 7805의 일관된 출력을 보장합니다.

7805에는 세 개의 리드가 있습니다. 7805를 전면(인쇄된 측면)에서 보면 왼쪽에서 오른쪽으로 3개의 리드가 입력 전압 (7~30볼트), 접지 및 출력 전압 (5볼트)입니다.

두 개의 커패시터는 평행선으로 표시됩니다. "+" 기호는 전해 커패시터가 극성화 되었음을 나타냅니다. 전해 커패시터에는 양극 및 음극 단자가 있습니다(그 중 하나가 표시됨). 커패시터를 설치할 때 극성이 올바른지 확인해야 합니다.

브레드보드에 이 레귤레이터를 구축 할 수 있습니다 . 이렇게 하려면 브레드보드가 내부적으로 어떻게 연결되어 있는지 이해해야 합니다.

브레드보드의 바깥쪽 가장자리에는 보드 길이로 이어지는 두 줄의 터미널이 있습니다. 이 모든 터미널은 내부적으로 연결되어 있습니다. 일반적으로 그 중 하나에는 +5볼트가 흐르고 다른 하나는 접지됩니다. 보드 중앙 아래에 채널이 있습니다. 채널의 양쪽에는 5개의 상호 연결된 터미널 세트가 있습니다. 전압 저항계를 사용하여 상호 연결을 볼 수 있습니다. 미터의 다이얼을 옴 설정으로 설정한 다음 브레드보드의 다른 지점에 와이어를 연결합니다(미터의 테스트 리드는 브레드보드의 구멍에 맞지 않을 수 있습니다).

옴 설정에서 미터는 저항을 측정 합니다. 두 지점 사이에 연결이 있는 경우 저항은 0 이 되고(이를 보려면 리드를 함께 터치) 연결이 없는 경우에는 무한대가 됩니다(이를 보려면 리드를 떼어 놓으십시오). 다이어그램에 표시된 것처럼 보드의 포인트가 실제로 상호 연결되어 있음을 알 수 있습니다. 연결을 확인하는 또 다른 방법은 브레드보드 뒷면의 스티커를 약간 뒤로 당겨 금속 커넥터를 확인하는 것입니다.

이제 레귤레이터 부품을 연결합니다 .

레귤레이터를 만들었습니다. 완료되면 다음과 같이 보일 수 있습니다(두 가지 보기).

두 그림 모두에서 변압기의 선은 왼쪽에서 들어옵니다. 하단에서 보드 길이를 따라 접지 스트립에 직접 연결된 변압기의 접지선을 볼 수 있습니다. 상단 스트립은 +5볼트를 공급하고 7805의 +5 핀에 직접 연결됩니다. 왼쪽 커패시터는 변압기 전압을 필터링하고 오른쪽 커패시터는 7805에서 생성된 +5볼트를 필터링합니다. LED는 +5와 저항을 통해 접지 스트립을 제거하고 전원 공급 장치가 "켜져" 있을 때 알려줍니다.

변압기를 연결하고 7805의 입력 및 출력 전압을 측정합니다. 7805에서 정확히 5볼트가 나오는 것을 볼 수 있어야 하며 변압기가 제공하는 전압이 무엇이든 간에 입력되어야 합니다. 그렇지 않으면 즉시 변압기를 분리하고 다음을 수행하십시오. :

레귤레이터에서 5볼트가 나오는 것이 보이면 추가로 테스트하고 LED를 연결하여 켜져 있는지 확인할 수 있습니다. LED와 저항 을 직렬 로 연결해야 합니다 . 이는 브레드보드에서 쉽게 수행할 수 있는 작업입니다. 저항을 사용해야 합니다. 그렇지 않으면 LED가 즉시 타버릴 것입니다. 저항에 대한 좋은 값은 330옴이지만 200에서 500옴 사이의 모든 것이 제대로 작동합니다. LED는 다이오드이므로 극성이 있으므로 LED에 불이 들어오지 않으면 리드를 반대로 바꾸어 도움이 되는지 확인하십시오.

전원 공급 장치를 연결하고 작동시키는 데 엄청난 어려움을 겪었던 것처럼 보일 수도 있습니다. 하지만 그 과정에서 몇 가지를 배웠습니다. 이제 우리는 부울 게이트를 실험할 수 있습니다!

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7408 AND 칩 부터 시작하겠습니다 . 칩을 보면 일반적으로 핀 1에 점이 있거나 칩의 핀 1 끝에 움푹 들어간 곳이 있거나 핀 1을 나타내는 다른 표시가 있습니다. 칩을 브레드보드에 밀어 넣어 중앙 채널에 걸치도록 합니다 . 다이어그램에서 모든 칩에서 핀 7은 접지에 연결되어야 하고 핀 14는 +5볼트에 연결되어야 함을 알 수 있습니다. 따라서 두 핀을 적절하게 연결하십시오. (뒤로 연결하면 칩이 타버리니 거꾸로 연결하지 마세요. 혹시 실수로 칩이 탔다면 좋은 부품과 혼동되지 않도록 버리세요.) 이제 LED를 연결합니다. 칩의 핀 3과 접지 사이의 저항. LED가 켜져야 합니다. 그렇지 않은 경우 LED를 반대로 켜서 켜십시오. IC는 다음과 같아야 합니다.

여기에 무슨 일이 일어나고 있습니다. TTL에서 +5는 이진수 "1"을 나타내고 ground는 이진수 "0"을 나타냅니다. 게이트에 대한 입력 핀이 아무 것도 연결되지 않은 경우 " 높게 떠오른다 "는 의미는 게이트가 핀에 1이 있다고 가정한다는 의미입니다. 따라서 AND 게이트는 A 및 B 입력 모두에서 1을 표시해야 합니다. 즉, 핀 3의 출력이 5볼트를 전달한다는 의미입니다. 그래서 LED가 켜집니다. 칩의 핀 1 또는 2 또는 둘 다를 접지하면 LED가 꺼집니다. 이것은 부울 논리 작동 방식에 설명된 AND 게이트의 표준 동작입니다 .

브레드보드에 연결하여 다른 게이트를 시험해보고 부울 논리 기사 의 논리 테이블에 따라 모두 작동하는지 확인 하십시오. 그런 다음 더 복잡한 것을 배선해 보십시오. 예를 들어, XOR 게이트 또는 전체 가산기 의 Q 비트를 연결하고 예상대로 작동하는지 확인하십시오.

이론적으로 이제 디지털 장치를 구축하는 데 필요한 기본 지식을 갖게 되었습니다. 이 기사에서 논의한 기본 게이트를 사용하여 무엇이든 구성할 수 있습니다. 그러나 ALU 와 같은 일반적인 것을 구축하기 위해 50개의 칩을 결합할 필요가 없도록 더 큰 규모의 장치를 사용하는 것이 더 편리한 경우가 많습니다 . 복잡한 시스템을 만들기 위해 게이트를 결합하는 다양한 방법의 예를 보는 것도 도움이 됩니다.

더 큰 프로젝트에서 작업하고 싶다면 디지털 시계 작동 방식에 설명된 디지털 시계를 구축해 볼 수 있습니다 . TTL 장치에 대해 더 알고 싶다면 다음 책이 도움이 될 것입니다.

몇 개의 IC와 약간의 창의성으로 만들 수 있는 것에 놀랄 것입니다. 그것으로 재미를!

전자 게이트 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.

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