Llogaritësi binar 4-bit: 11 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Kam zhvilluar një interes për mënyrën se si kompjuterët punojnë në një nivel themelor. Doja të kuptoja përdorimin e përbërësve diskrete dhe qarqeve të nevojshme për të kryer detyra më komplekse. Një komponent themelor i rëndësishëm në një CPU është njësia logjike aritmetike ose ALU e cila kryen operacione në numra të plotë. Për të përmbushur këtë detyrë, kompjuterët përdorin numra binarë dhe porta logjike. Një nga operacionet më të thjeshta të kryera është mbledhja e dy numrave së bashku, në një qark mbledhës. Kjo video nga numberphile bën një punë të shkëlqyeshme për të shpjeguar këtë koncept përmes Domino Addition. Matt Parker shtrin këtë koncept bazë dhe ndërton një qark Kompjuter Domino duke përdorur 10, 000 domino. Ndërtimi i një kompjuteri të tërë personal nga dominos është absurd, por unë ende doja të kuptoja përdorimin e komponentëve diskrete për të kryer këtë detyrë shtesë. Në video, portat logjike u krijuan nga dominot, por ato gjithashtu mund të bëhen nga komponentët bazë, domethënë transistorët dhe rezistorët. Qëllimi i këtij projekti ishte të shfrytëzoja këto përbërës të veçantë për të mësuar dhe krijuar llogaritësin tim të mbledhësit 4-bit.

Qëllimet e mia për këtë projekt përfshinin: 1) Mësoni si të krijoni dhe fabrikoni një PCB të personalizuar 2) Bëni dizajnin të lehtë për t’u konceptuar duke shtuar numra binarë 3) Demonstroni ndryshimin në shkallë midis përbërësve diskrete dhe një qarku të integruar që kryen të njëjtën detyrë

Pjesa më e madhe e frymëzimit dhe kuptimit të këtij projekti erdhi nga Simon Inns.

Furnizimet

Kam përdorur Fritzing për të bërë skema, për të krijuar dhe fabrikuar PCB

Hapi 1: Teoria

Numërimi në bazën 10 është i thjeshtë sepse ekziston një numër i plotë i ndryshëm që përfaqëson shumën e dy numrave të plotë. Shembulli më i thjeshtë:

1 + 1 = 2

Numërimi në bazën 2 ose binare përdor vetëm 1 dhe 0. Një kombinim i 1 dhe 0 përdoren për të përfaqësuar numra të plotë të ndryshëm dhe shumat e tyre. Një shembull i numërimit në bazën 2:

1+1 = 0 dhe e bartni 1 në bitin tjetër

Kur shtoni dy bit (A dhe B) së bashku, 4 rezultate të ndryshme janë të mundshme me rezultatet e Sum dhe Carry (Cout). Kjo është ajo që tregohet në tabelë.

Portat logjike marrin hyrje dhe gjenerojnë një dalje. Disa nga portat më themelore logjike përbëhen nga portat JO, DHE dhe OR të cilat përdoren të gjitha në këtë projekt. Ato përbëhen nga kombinime dhe instalime të ndryshme të transistorëve dhe rezistencave. Janë dhënë skemat e secilës portë.

Duke iu referuar tabelës, një kombinim i këtyre portave mund të përdoret për të prodhuar rezultatet e Shumës në tabelë. Ky kombinim i logjikës njihet gjithashtu si një portë ekskluzive OR (XOR). Hyrja duhet të jetë saktësisht 1 për të rezultuar në një dalje 1. Nëse të dy hyrjet janë 1, dalja që rezulton është 0. Rezultatet e bitit bartës mund të përfaqësohen nga një portë e thjeshtë AND. Kështu, përdorimi i një XOR me një portë AND mund të përfaqësojë të gjithë tabelën. Kjo njihet si Half Adder dhe skema është treguar më lart.

Për të shtuar numra binarë më të mëdhenj, biti i bartjes duhet të inkorporohet si hyrje. Kjo arrihet duke kombinuar 2 qarqe Half Adder për të gjeneruar një Adder të Plotë. Mbledhësit e plotë pastaj mund të grumbullohen së bashku për të shtuar numra binarë më të mëdhenj. Në projektin tim unë kaskadova 4 Shtues të Plotë të cilët më mundësuan që të kem hyrje 4 bit. Skema për Adderin e Plotë është më lart.

Simon Inns ka një shkrim të madh dhe më të thelluar për teorinë. Ekzistojnë gjithashtu disa PDF që më duken të dobishme.

Hapi 2: Testimi i qarkut

Hapi i parë pasi të keni kuptuar se si funksionojnë portat logjike dhe teoria pas një Adder të Plotë është të ndërtoni qarkun. Fillova duke mbledhur të gjithë përbërësit që më nevojiteshin: Rezistorët 10K dhe 1K, Transistorët NPN, Breadboard, Jumperwires. Unë ndoqa së bashku me një printim të mbledhësit të plotë. Procesi ishte i lodhshëm, por unë isha në gjendje të merrja një qark pune për mbledhësin e plotë. Unë do t'i lidhja hyrjet lartë ose të ulët dhe do të përdorja një multimetër për të testuar daljet. Tani isha gati të përktheja tabelën e bukës dhe atë skematike në një PCB.

Hapi 3: Hartimi i PCB -së së Plotë Adder

Për të hartuar PCB -në kam përdorur ekskluzivisht Fritzing. Kjo ishte hera ime e parë që dizajnoja një PCB dhe ky program dukej si më miqësor ndaj përdoruesit dhe intuitiv me kurbën më të vogël të të mësuarit. Ka programe të tjera të shkëlqyera si EasyEDA dhe Eagle në dispozicion për të ndihmuar në hartimin e një PCB. Me Fritzing, mund të filloni të hartoni në një tabelë virtuale ose në një skemë, pastaj të kaloni në PCB. Kam përdorur të dyja këto metoda për këtë projekt. Kur të jeni gati për të fabrikuar PCB, është aq e thjeshtë sa klikimi i një butoni për të eksportuar skedarët tuaj dhe për t'i ngarkuar ato drejtpërdrejt në Aisler, fabrikuesi i partnerizuar për Fritzing.

Fillova me skedën skematike për të filluar procesin. Së pari, gjeta dhe futa të gjithë përbërësit në hapësirën e punës. Tjetra, vizatova të gjitha gjurmët midis përbërësve. Jam siguruar që të shtoj hyrje 5V dhe tokëzim në vendet e duhura.

Dizajnoni PCBI të klikuar në skedën PCB. Kur lëvizni drejtpërsëdrejti nga një skemë, ju përziheni me të gjithë përbërësit e lidhur me vija ratsnest bazuar në gjurmët që keni bërë në skemë. Gjëja e parë që bëra ishte ndryshimi i madhësisë së PCB gri në madhësinë që doja dhe shtova vrima montimi. Shtova gjithashtu 16 kunja për hyrjen dhe daljet. Tjetra, fillova të rregulloj përbërësit në një mënyrë logjike. Unë u përpoqa të grupoja komponentët me lidhje që ishin afër njëri -tjetrit në mënyrë që të minimizoja gjurmët e distancës. Unë bëra një hap shtesë dhe grupova përbërësit së bashku me portën logjike. Një nga qëllimet e mia ishte të isha në gjendje të përfytyroja sesi funksionon qarku dhe të jem në gjendje të ndjek "bit" përmes qarkut. Pas kësaj, kam përdorur funksionin e autorouting i cili kalon automatikisht dhe tërheq gjurmimet e optimizuara midis përbërësve. Unë isha skeptik se ky proces përfundoi të gjitha gjurmimet e duhura, kështu që unë kalova për të kontrolluar dhe rishikuar gjurmimet aty ku supozohej se ishin. Për fat të mirë, funksioni i autorouting bëri një punë mjaft të mirë dhe më duhej të rregulloja vetëm disa nga gjurmimet. Autorouter gjithashtu bëri disa kënde të çuditshme me gjurmët që nuk janë "praktika më e mirë", por unë isha mirë me këtë dhe gjithçka akoma funksionoi mirë. Gjëja e fundit që bëra ishte shtimi i tekstit që do të printohej si ekran mëndafshi. Unë u sigurova që të gjithë përbërësit të ishin të etiketuar. Unë gjithashtu importova fotografi të portave logjike me porosi për të theksuar grupimin e përbërësve. Fotografia e fundit më sipër tregon ekranin e mëndafshit.

Fabrikoni PCBI të klikuar në butonin e fabrikuar në fund të ekranit. Më çoi drejtpërdrejt në faqen e internetit të Aisler ku isha në gjendje të bëja një llogari dhe të ngarkoja të gjithë skedarët e mi Fritzing. I lashë të gjitha cilësimet e paracaktuara dhe vendosa porosinë.

Hapi 4: Projektimi i PCB -ve të tjera

PCB -të e mbetura që më duheshin ishin bordi i ndërfaqes hyrëse/dalëse dhe bordi për IC. Kam ndjekur një proces si Hapi 3 për këto borde. Pdf -ja e skemave është postuar më poshtë. Për IC, i kam bërë të gjitha lidhjet duke përdorur veçorinë virtuale të breadboard. Unë përfshiva skemën për plotësinë, por isha në gjendje të kaloja direkt nga paneli i bukës në skedën PCB e cila ishte mjaft e lezetshme. Unë gjithashtu shtova një bazë 10 në tabelën e konvertimit bazë 2 në ekranin e mëndafshit në bordin e ndërfaqes I/O para se të ngarkoni dhe porositni në Aisler.

Hapi 5: Komponentët e saldimit në PCB

Të gjitha PCB -të mbërritën dhe unë isha vërtet i impresionuar me cilësinë. Unë nuk kam pasur ndonjë përvojë me prodhuesit e tjerë, por nuk do të hezitoja të përdorja përsëri Aisler.

Detyra tjetër ishte bashkimi i të gjithë përbërësve, i cili ishte një proces i mundimshëm, por aftësitë e mia të saldimit u përmirësuan shumë. Fillova me pllakat e plota të plota dhe bashkova përbërësit duke filluar me transistorë, pastaj rezistorë 1K, pastaj rezistorë 10K. Kam ndjekur një metodë të ngjashme për të bashkuar pjesën tjetër të përbërësve në tabelën I/O dhe IC. Pasi u plotësua çdo tabelë Full Adder unë i testova me të njëjtën metodë si Adboard Full Adder. Çuditërisht, të gjitha bordet funksionuan si duhet pa ndonjë problem. Kjo do të thoshte që dërrasat ishin drejtuar në mënyrë korrekte dhe se ishin bashkuar saktë. Për në hapin tjetër!

Hapi 6: Përfundimi i PCB -ve për Stacking

Detyra tjetër ishte ngjitja e të gjitha kunjave të kokës në secilën tabelë. Më duhej gjithashtu të shtoja tela kërcyes midis pinit të saktë të kokës dhe hyrjeve/daljeve të tabelave të Plotësuara të Plotësuara (A, B, Cin, V+, GND, Sum, Cout). Ky hap mund të shmanget nëse keni projektuar PCB të ndryshme për secilin nivel të qarkut të mbledhësit, por unë doja të minimizoja dizajnin dhe koston duke krijuar vetëm një PCB Full Adder. Si rezultat, lidhjet me këto hyrje/dalje kërkonin tela kërcyes. Skema e ofruar është mënyra se si e arrita këtë detyrë dhe cilat kunja u përdorën për secilin nivel të bordeve të Plotësuesit. Imazhet tregojnë se si i bashkova telat e bluzës për secilën dërrasë. Fillova duke bashkuar telat falas në kunjat e sakta në kokë. Pastaj e bashkova kokën në PCB. Pasi i kisha bashkuar kunjat e kokës me tela kërcyes në vend, i bashkova skajet e lira të telave të kërcyesit në prizat e duhura në PCB. Fotografia e mësipërme tregon një afërsi të kunjave të kokës me telat e kërcyesit të ngjitur në to.

Hapi 7: Fuqizimi i qarqeve

Kam planifikuar përdorimin e një furnizimi me energji të folesë 12V DC për këtë projekt, kështu që hartova bordin e ndërfaqes I/O që të kishte një prizë/lidhës fuçi DC për hyrjen e energjisë. Për shkak se unë isha duke përdorur të njëjtën tabelë I/O dhe doja të përdorja një furnizim me energji të vetme më duhej për të rregulluar tensionin në 5V pasi ky është hyrja maksimale për IC SN7483A. Për ta arritur këtë më duhej një rregullator 5V dhe një ndërprerës që mund të kalonte midis 12V dhe 5V. Skema e mësipërme tregon se si e lidhja qarkun e energjisë së bashku.

Hapi 8: Shtypja 3D e Bazës

Tani që të gjitha instalimet elektrike dhe bashkimi kanë përfunduar, më duhej të kuptoja se si do të mbaheshin të gjitha së bashku. Zgjodha për CADing dhe printim 3D një dizajn që do të strehonte dhe shfaqte të gjitha pjesët e këtij projekti.

Konsideratat e DizajnitMë duheshin vende për të montuar PCB -të me bulona dhe ngecje. Shtesat e grumbulluara janë më tërheqëset nga ana vizuale dhe doja t'i kisha ato të ekspozuara kur nuk ishin në përdorim, kështu që doja një vend për të ruajtur PCB IC. Më duhej të akomodoja qarkun e energjisë me ndërprerës për kalimin dhe prizën/lidhësin e fuçisë DC. Së fundi, doja një lloj vitrinëje rrethimi për të parandaluar grumbullimin e pluhurit në PCB -të e hapura, kështu që më duhej një vend për të ulur rrethimin.

Modelimi 3DI kam përdorur Fusion360 për të hartuar bazën. Fillova me dimensionet e PCB dhe ndarjen e vrimave të montimit. Pas kësaj kam përdorur një seri skicash dhe nxjerrjesh për të vendosur lartësinë dhe madhësinë e bazës me pikat e montimit të PCB. Tjetra bëra ndërprerjet për rrethimin dhe qarkun e energjisë. Pastaj, krijova një zonë për të ruajtur PCB IC kur nuk përdoret. Së fundi shtova disa detaje të skajit përfundimtar dhe i dërgova në Cura, programin tim të prerjes në feta.

Zgjodha fije të zezë PLA. Shtypja zgjati pak më shumë se 6 orë dhe doli e shkëlqyeshme. Çuditërisht, të gjitha dimensionet ishin të sakta dhe gjithçka dukej sikur do të përshtatej së bashku. Fotografia e mësipërme tregon printimin pasi shtova pengesat në vrimat e montimit. Ata ishin një përshtatje perfekte!

Hapi 9: Asambleja

Fut ndërprerjet. I vendosa të gjitha pengesat në vrimat e montimit të bazës.

Vendosni qarkun e energjisë në bazë. I kisha lidhur të gjitha së bashku dhe i tërhoqa të gjithë përbërësit përmes vrimës për ndërprerës. Tjetra, futa prizën/përshtatësin e energjisë në pjesën e pasme të bazës. Unë e shtyva rregullatorin 5V në folenë e tij dhe më në fund çelësi ishte në gjendje të shtyhej i vendosur në pozicion.

Montoni PCB -në I/O. Vendosa PCB IC në hapësirën e tij të ruajtjes dhe vendosa PCB të ndërfaqes I/O në krye. E hidha poshtë PCB -në duke përdorur bulona 4x M3 dhe një drejtues gjashtëkëndësh. Më në fund e futa folenë e fuçisë DC në PCB.

Grumbulloni PCB -të e Adderit. Vendosa Adderin e parë në vend. Unë e vidhos pjesën e pasme të PCB -së në vrimat e montimit të pasmë me 2 ndalesa. E përsërita këtë proces derisa Adderi i fundit ishte në vend dhe e sigurova atë me 2 bulonat e tjerë M3.

Bëni rrethimin. Kam përdorur akrilik 1/4 për rrethimin. Kam matur lartësinë përfundimtare të projektit dhe, me dimensionet CAD, kam prerë 5 pjesë për anët dhe pjesën e sipërme për të bërë një kuti të thjeshtë me një fund të hapur. Kam përdorur epoksi për ngjitje Më në fund unë lëmova një prerje të vogël gjysmë rrethi në anën e djathtë për të akomoduar ndërprerësin.

Gati për të llogaritur

Hapi 10: Llogaritja dhe Krahasimi

Lidhni kalkulatorin tuaj të ri dhe filloni të shtoni! Tabela e bazës 10 në bazën 2 mund të përdoret për të konvertuar shpejt midis binarit dhe numrave të plotë. Unë preferoj të vendos hyrjet dhe më pas të godas "të barabarta" duke rrotulluar çelësin e energjisë dhe duke vëzhguar daljen binare nga LED -të.

Krahasimi i përbërësve diskrete me një qark të integruar. Tani, mund të heqësh shtesat e plota dhe të futësh IC SN7483A në tabelën I/O. (Mos harroni të rrokullisni çelësin në drejtim të kundërt për të fuqizuar IC me 5V në vend të 12V). Ju mund të bëni llogaritjet e njëjta dhe do të merrni të njëjtat rezultate. Impressiveshtë mjaft mbresëlënëse të mendosh se si përbërësi diskret Adder ashtu edhe IC funksionojnë në të njëjtën mënyrë vetëm në një shkallë madhësie shumë të ndryshme. Fotografitë tregojnë të njëjtat hyrje dhe dalje për qarqet.

Hapi 11: Përfundim

Shpresoj që ju ka pëlqyer ky projekt dhe keni mësuar aq sa kam mësuar unë. Prettyshtë mjaft e kënaqshme të mësosh diçka të re dhe ta shndërrosh atë në një projekt unik që gjithashtu kërkon të mësosh një aftësi të re si dizajni/fabrikimi i PCB. Të gjitha skemat janë renditur më poshtë. Për këdo që është i interesuar, unë gjithashtu mund të lidh skedarët e mi PCB Gerber në mënyrë që të krijoni llogaritësin tuaj binar 4-bit. Gëzuar bërja!