4 ბიტიანი ორობითი კალკულატორი: 11 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:16

დავინტერესდი კომპიუტერის მუშაობის ფუნდამენტურ დონეზე. მე მინდოდა გამეგო დისკრეტული კომპონენტების და სქემების გამოყენება, რომლებიც აუცილებელია უფრო რთული ამოცანების შესასრულებლად. პროცესორის ერთ -ერთი მნიშვნელოვანი ფუნდამენტური კომპონენტია არითმეტიკული ლოგიკური ერთეული ან ALU, რომელიც ასრულებს ოპერაციებს მთელ რიცხვზე. ამ ამოცანის შესასრულებლად კომპიუტერები იყენებენ ორობითი რიცხვებს და ლოგიკურ კარიბჭეს. ერთ -ერთი უმარტივესი ოპერაცია არის ორი რიცხვის ერთად დამატება, დამატების წრეში. ეს ნომერი numberphile– ით შესანიშნავად ასრულებს ამ კონცეფციის ახსნას დომინოს დამატებით. მეტ პარკერი ავრცელებს ამ ძირითად კონცეფციას და აყალიბებს დომინოს კომპიუტერულ წრეს 10 000 დომინოს გამოყენებით. დომინოსგან პერსონალური კომპიუტერის აგება აბსურდია, მაგრამ მე მაინც მინდოდა გამეგო ამ დამატებითი დავალების შესასრულებლად დისკრეტული კომპონენტების გამოყენება. ვიდეოებში ლოგიკური კარიბჭე შეიქმნა დომინოსგან, მაგრამ ისინი ასევე შეიძლება გაკეთდეს ძირითადი კომპონენტებისგან, კერძოდ ტრანზისტორებისა და რეზისტორებისგან. ამ პროექტის მიზანი იყო გამოვიყენო ეს დისკრეტული კომპონენტები, რომ ვისწავლო და შევქმნა ჩემი საკუთარი 4-ბიტიანი დამატების გამომთვლელი.

ჩემი მიზნები ამ პროექტში შედიოდა: 1) ისწავლეთ როგორ შექმნათ და დაამზადოთ პერსონალური PCB2) გაუადვილეთ დიზაინი ორობითი რიცხვების დამატებით 3) აჩვენეთ განსხვავების მასშტაბი დისკრეტულ კომპონენტებსა და ერთი და იმავე ამოცანას

ამ პროექტის შთაგონების და გაგების დიდი ნაწილი სიმონ ინსმა მიიღო.

მარაგები

მე Fritzing გამოვიყენე სქემების შესაქმნელად, PCB– ების შესაქმნელად და შესაქმნელად

ნაბიჯი 1: თეორია

მე –10 ბაზაში დათვლა მარტივია, რადგან არსებობს განსხვავებული მთელი რიცხვი, რომელიც წარმოადგენს ორი მთელი რიცხვის ჯამს. უმარტივესი მაგალითი:

1 + 1 = 2

2 -ის ან ორობითი რიცხვის დათვლა მხოლოდ 1 -ს და 0 -ს იყენებს. 1 -ის და 0 -ის კომბინაცია გამოიყენება სხვადასხვა მთელი რიცხვებისა და მათი ჯამების გამოსახატავად. მაგალითი დათვლის მაგალითი 2:

1+1 = 0 და თქვენ ატარებთ 1 -ს შემდეგ ბიტზე

ორი ბიტის (A და B) ერთად დამატებისას, 4 განსხვავებული შედეგი შესაძლებელია Sum და Carry (Cout) შედეგებით. ეს არის ის, რაც ნაჩვენებია ცხრილში.

ლოგიკური კარიბჭე იღებს შემოსავალს და გამოიმუშავებს გამომავალს. ზოგიერთი ყველაზე ძირითადი ლოგიკური კარიბჭე შედგება NOT, AND და OR კარიბჭეებისგან, რომლებიც ყველა გამოიყენება ამ პროექტში. ისინი შედგება სხვადასხვა კომბინაციებისა და ტრანზისტორებისა და რეზისტორების გაყვანილობისგან. თითოეული კარიბჭის სქემა მოცემულია.

ცხრილს რომ დავუბრუნდეთ, ამ კარიბჭეების კომბინაცია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ცხრილში ჯამური შედეგების მისაღებად. ლოგიკის ეს კომბინაცია ასევე ცნობილია როგორც ექსკლუზიური OR (XOR) კარიბჭე. შესასვლელი უნდა იყოს ზუსტად 1, რომ გამოიღოს გამომავალი 1. თუ ორივე შეყვანა 1 არის, გამომავალი არის 0. 0. გადასატანი ბიტის შედეგები შეიძლება წარმოდგენილი იყოს მარტივი AND კარიბჭით. ამრიგად, ორივე XOR- ის AND კარიბჭის გამოყენებით შეიძლება წარმოადგინოს მთელი ცხრილი. ეს ცნობილია როგორც Half Adder და სქემა ნაჩვენებია ზემოთ.

უფრო დიდი ორობითი რიცხვების დასამატებლად, ტარების ბიტი უნდა იყოს ჩართული შეყვანის სახით. ეს მიიღწევა 2 Half Adder სქემის კომბინირებით, რათა შეიქმნას სრული Adder. სრული დამატებები შეიძლება შემდეგ კასკადურად გაერთიანდეს უფრო დიდი ორობითი რიცხვების დასამატებლად. ჩემს პროექტში მე შევასრულე 4 სრული დამატება, რამაც საშუალება მომცა მქონოდა 4 ბიტიანი შეყვანა. სქემა სრული Adder ზემოთ.

სიმონ ინსს აქვს დიდი და უფრო ღრმად დაწერილი თეორია. ასევე არის რამდენიმე PDF, რომელიც მე დამხმარე აღმოვაჩინე.

ნაბიჯი 2: წრის შემოწმება

პირველი ნაბიჯი იმის გაგების შემდეგ, თუ როგორ მუშაობს ლოგიკური კარიბჭეები და თეორია სრული ადდერის უკან არის წრის აგება. დავიწყე ყველა საჭირო კომპონენტის შეგროვებით: 10K და 1K რეზისტორები, NPN ტრანზისტორები, პურის დაფა, Jumperwires. მე მივყვებოდი ამობეჭდვას სრული დამატებით. პროცესი დამღლელი იყო, მაგრამ მე შემეძლო მომუშავე წრე სრული შემმუშავებლისთვის. მე შევაერთებდი შეყვანებს მაღლა ან დაბლა და ვიყენებდი მულტიმეტრს გამოსასვლელების შესამოწმებლად. ახლა მე მზად ვიყავი პურის დაფა და სქემატური თარგმნა PCB- ში.

ნაბიჯი 3: სრული Adder PCB- ის დიზაინი

PCB- ის შესაქმნელად მე გამოვიყენე Fritzing ექსკლუზიურად. ეს იყო ჩემი პირველი დიზაინი PCB და ეს პროგრამა, როგორც ჩანს, ყველაზე მოსახერხებელი და ინტუიციური იყო სწავლის უმცირესი მრუდით. არსებობს სხვა შესანიშნავი პროგრამები, როგორიცაა EasyEDA და Eagle, რომლებიც დაგეხმარებათ PCB დიზაინის შემუშავებაში. Fritzing– ით თქვენ შეგიძლიათ დაიწყოთ დიზაინი ვირტუალურ პურის დაფაზე ან სქემატურ რეჟიმში, შემდეგ კი გადადით PCB– ზე. მე გამოვიყენე ორივე ეს მეთოდი ამ პროექტისათვის. როდესაც თქვენ მზად ხართ PCB- ის შესაქმნელად, ეს ისეთივე მარტივია, როგორც ღილაკზე დაწკაპუნება თქვენი ფაილების ექსპორტისთვის და პირდაპირ ატვირთვისთვის Aisler– ში, პარტნიორი მწარმოებელი Fritzing– ისთვის.

პროცესის დასაწყებად დავიწყე სქემატური ჩანართი. პირველ რიგში, მე ვიპოვე და ჩავრთე ყველა კომპონენტი სამუშაო სივრცეში. შემდეგი, მე დავხატე ყველა კვალი კომპონენტებს შორის. მე დავრწმუნდი, რომ დავამატე 5V შეყვანა და დასაბამი შესაბამის ადგილებში.

დიზაინი PCBI დააწკაპუნეთ PCB ჩანართზე. როდესაც თქვენ პირდაპირ გადახვალთ სქემატურიდან თქვენ არეულობთ ყველა კომპონენტს, რომელიც დაკავშირებულია ვირთხების ხაზებით, სქემატურ თქვენს მიერ დადგენილ კვალზე დაყრდნობით. პირველი რაც გავაკეთე იყო ნაცრისფერი PCB- ის ზომის შეცვლა სასურველ ზომაზე და დავამატე სამონტაჟო ხვრელები. მე ასევე დავამატე 16 ქინძისთავი შეყვანისა და გამოსავლისთვის. შემდეგ დავიწყე კომპონენტების ლოგიკური განლაგება. მე შევეცადე დავაჯგუფო კომპონენტები ერთმანეთთან ახლოს მდებარე კავშირებით ისე, რომ მინიმუმამდე შევამცირო კვალი მანძილი. მე დამატებითი ნაბიჯი გადავდგი და კომპონენტები ერთად დავაჯგუფე ლოგიკური კარიბჭით. ჩემი ერთ -ერთი მიზანი იყო ვიზუალიზაცია, თუ როგორ მუშაობს წრე და შევძლო „ბიტის“გავლა მიკროსქემის გავლის შემდეგ. ამის შემდეგ გამოვიყენე autorouting ფუნქცია, რომელიც გადის ავტომატურად და ხატავს კომპონენტებს შორის ოპტიმიზირებულ მიკვლევას. მე ვიყავი სკეპტიკურად განწყობილი, რომ ამ პროცესმა დაასრულა ყველა სწორი მიკვლევა, ასე რომ მე გავიარე ორმაგი შემოწმება და ხელახლა დახატვა კვალი, სადაც ისინი უნდა ყოფილიყვნენ. საბედნიეროდ, autorouting ფუნქციამ საკმაოდ კარგი სამუშაო გააკეთა და მე მხოლოდ რამოდენიმე თვალთვალის დაფიქსირება მომიწია. Autorouter– მა ასევე გააკეთა რამდენიმე უცნაური კუთხე იმ კვალით, რომელიც არ არის „საუკეთესო პრაქტიკა“, მაგრამ მე კარგად ვიყავი და ყველაფერი მაინც კარგად მუშაობდა. ბოლო რაც გავაკეთე იყო ტექსტის დამატება, რომელიც დაიბეჭდებოდა აბრეშუმის ეკრანის სახით. დავრწმუნდი, რომ ყველა კომპონენტი იყო მარკირებული. მე ასევე შემოვიტანე პერსონალური ლოგიკური კარიბჭის სურათები კომპონენტების დაჯგუფების ხაზგასასმელად. ბოლო სურათი ზემოთ აჩვენებს აბრეშუმის ეკრანს.

დაამზადეთ PCBI დააწკაპუნეთ ფაბრიკაციის ღილაკზე ეკრანის ბოლოში. მან პირდაპირ გამიყვანა Aisler– ის ვებსაიტზე, სადაც შემეძლო ანგარიშის გაკეთება და ატვირთვა ყველა ჩემი Fritzing ფაილი. დავტოვე ყველა ნაგულისხმევი პარამეტრი და შეკვეთა გავაკეთე.

ნაბიჯი 4: სხვა PCB- ების დიზაინი

დანარჩენი PCB, რომელიც დამჭირდა იყო შეყვანის/გამომავალი ინტერფეისის დაფა და დაფა IC– სთვის. მე მივყევი პროცესს, როგორც ნაბიჯი 3 ამ დაფებისთვის. სქემების pdf განთავსებულია ქვემოთ. IC– სთვის, მე გავაკეთე ყველა კავშირი ვირტუალური breadboard ფუნქციის გამოყენებით. მე ჩავრთე სქემა სისრულისთვის, მაგრამ შევძელი უშუალოდ პურის დაფაზე გადასვლა PCB ჩანართზე, რომელიც საკმაოდ მაგარი იყო. მე ასევე დავამატე ბაზა 10 ბაზაზე 2 კონვერტაციის სქემა აბრეშუმის ეკრანზე I/O ინტერფეისის დაფაზე, სანამ აიზლერში ატვირთავდი და შეკვეთავდი.

ნაბიჯი 5: კომპონენტების შედუღება PCB- ზე

ყველა PCB ჩამოვიდა და მე ნამდვილად შთაბეჭდილება მოახდინა ხარისხზე. მე არ მქონია გამოცდილება სხვა მწარმოებლებთან დაკავშირებით, მაგრამ არ ვიყოყმანებ კვლავ გამოვიყენო აისლერი.

შემდეგი ამოცანა იყო ყველა კომპონენტის შედუღება, რაც რთული პროცესია, მაგრამ ჩემი შედუღების უნარი მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა. დავიწყე სრული შემავსებელი დაფებით და შევაერთე კომპონენტები დაწყებული ტრანზისტორებით, შემდეგ 1K რეზისტორებით, შემდეგ 10K რეზისტორებით. მე მივყვებოდი მსგავს მეთოდს დანარჩენი კომპონენტების შედუღებისათვის I/O და IC დაფაზე. ყოველი სრული ადდერის დაფის დასრულების შემდეგ მე ვცადე ისინი იმავე მეთოდით, როგორც პურის დაფა სრული ადდერი. გასაკვირია, რომ ყველა დაფა სწორად მუშაობდა პრობლემის გარეშე. ეს იმას ნიშნავდა, რომ დაფები სწორად იყო მორგებული და რომ ისინი სწორად იყო შეკრული. გადადით შემდეგ საფეხურზე!

ნაბიჯი 6: დასრულების PCBs დაწყობა

შემდეგი ამოცანა იყო სათაურის ყველა ქინძისთავის შეკვრა თითოეულ დაფაზე. მე ასევე დამჭირდა ჯუმბერის მავთულის დამატება სათაურის სწორ პინსა და Full Adder დაფების (A, B, Cin, V+, GND, Sum, Cout) შორის. ამ ნაბიჯის თავიდან აცილება შეიძლება, თუ თქვენ შეიმუშავებთ სხვადასხვა PCB- ებს დამატების მიკროსქემის თითოეულ დონეზე, მაგრამ მე მინდოდა დიზაინისა და ღირებულების მინიმუმამდე შემცირება მხოლოდ ერთი სრული Adder PCB- ის შექმნით. შედეგად, ამ შესასვლელთან/გამოსასვლელთან კავშირი მოითხოვდა ჯუმბერის მავთულს. სქემატურად არის ნაჩვენები, თუ როგორ შევასრულე ეს ამოცანა და რომელი ქინძისთავები იქნა გამოყენებული Full Adder დაფების თითოეულ დონეზე. სურათები აჩვენებს, თუ როგორ შევკარი ჯამპერის მავთულები თითოეული დაფისთვის. დავიწყე უფასო მავთულის შედუღებით სათაურზე. შემდეგ მე შევაერთე სათაური PCB- ზე. მას შემდეგ, რაც სათაურის ქინძისთავები გამყარდა ჯუმბერის მავთულხლართებით, მე შევაერთე ჯუმბერის მავთულის თავისუფალი ბოლოები PCB– ის სწორ ხაზებს. ზემოთ მოცემულ სურათზე ნაჩვენებია სათაურის ქინძისთავების დახურვა ჯუმბერის მავთულხლართებით.

ნაბიჯი 7: ჩართეთ სქემები

მე ვგეგმავდი 12V DC ლულის ჯეკის დენის წყაროს გამოყენებას ამ პროექტისათვის, ასე რომ, მე შევიმუშავე I/O ინტერფეისის დაფა, რომ ჰქონოდა DC ლულის ბუდე/კონექტორი დენის შეყვანისთვის. ვინაიდან მე ვიყენებდი იმავე I/O დაფას და მინდოდა გამომეყენებინა ერთადერთი კვების წყარო, მე მჭირდებოდა ძაბვის რეგულირება 5V– მდე, რადგან ეს არის SN7483A IC– ის მაქსიმალური შეყვანა. ამის მისაღწევად მჭირდებოდა 5V რეგულატორი და გადამრთველი, რომელსაც შეეძლო გადაერთო 12V და 5V შორის. ზემოთ მოყვანილი სქემა გვიჩვენებს, თუ როგორ შევაერთე დენის წრე ერთად.

ნაბიჯი 8: ბაზის 3D ბეჭდვა

ახლა, როდესაც ყველა გაყვანილობა და შედუღება დასრულებულია, მე უნდა გავარკვიო, როგორ მოხდებოდა ეს ყველაფერი ერთად. მე ავირჩიე დიზაინი CADing და 3D ბეჭდვა, რომელიც მოთავსდებოდა და აჩვენებდა ამ პროექტის ყველა ნაწილს.

დიზაინის გათვალისწინება მე მჭირდებოდა ადგილები PCB– ების დასაჭერად ჭანჭიკებითა და ჩამკეტებით. დაწყობილი დანამატები ყველაზე ვიზუალურად მიმზიდველია და მინდოდა, რომ ისინი გამოფენილიყო, როდესაც არ ვიყენებდი, ამიტომ მინდოდა IC PCB- ის შესანახი ადგილი. მე მჭირდებოდა დენის წრეზე განთავსება გადამრთველისთვის და DC ლულის ბუდე/კონექტორი. დაბოლოს, მე მინდოდა რაიმე სახის დანართის ვიტრინა, რათა თავიდან ავიცილო მტვერი ღია PCB– ებში, ამიტომ დამჭირდა ადგილი, რომ ეს ადგილი ყოფილიყო დასაჯდომი.

3D მოდელირება მე გამოვიყენე Fusion360 ბაზის შესაქმნელად. დავიწყე PCB- ის ზომებით და სამონტაჟო ხვრელების ინტერვალით. ამის შემდეგ გამოვიყენე ესკიზებისა და ექსტრუზიის სერია, რათა დავადგინო ბაზის სიმაღლე და ზომა PCB სამონტაჟო წერტილებით. შემდეგი მე გავაკეთე cutouts დანართი, და ძალა ჩართვა. შემდეგ, მე გავაკეთე ფართობი IC PCB- ის შესანახად, როდესაც ის არ გამოიყენება. ბოლოს დავამატე რამოდენიმე დასასრული დეტალები და გავაგზავნე კურაში, ჩემს პროგრამულ უზრუნველყოფაში.

ბეჭდვა მე ავირჩიე შავი PLA ბოჭკო. ბეჭდვას 6 საათზე ცოტა მეტი დასჭირდა და შესანიშნავი გამოვიდა. გასაკვირია, რომ ყველა განზომილება სწორი იყო და ყველაფერი ისე გამოიყურებოდა, როგორც სათანადოდ ჯდებოდა. ზემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს ბეჭდვას მას შემდეგ, რაც ჩამორჩენილობა დავამატე სამონტაჟო ხვრელებში. ისინი სრულყოფილად მოერგნენ!

ნაბიჯი 9: შეკრება

ჩადეთ ჩამორჩენილები. ყველა ჩამონგრევა მოვათავსე ბაზის სამონტაჟო ხვრელებში.

განათავსეთ დენის წრე ბაზაზე. მე ყველაფერი მავთულხლართზე მქონდა აყვანილი და ყველა კომპონენტი გადავიყვანე გადართვის ხვრელში. შემდეგი, მე ჩავსვი დენის ჯეკი/ადაპტერი ბაზის უკანა ნაწილში. მე 5V რეგულატორი ჩავაგდე მის სლოტში და საბოლოოდ გადამრთველმა შეძლო პოზიციურად დაყენება.

დაამონტაჟეთ I/O PCB. მე მოვათავსე IC PCB მის საცავ სივრცეში და თავზე მოვათავსე I/O ინტერფეისის PCB. მე გავანადგურე PCB 4x M3 ჭანჭიკების და ექვსკუთხა დრაივერის გამოყენებით. საბოლოოდ მე შევაერთე DC ლულის ბუდე PCB- ში.

დააწყეთ Adder PCB. პირველი ადდერი დავაყენე ადგილზე. მე დამაბნია PCB- ის უკანა ნაწილი სამონტაჟო ხვრელებში 2 ჩამორჩენით. მე ვიმეორებ ამ პროცესს მანამ, სანამ ბოლო ადდერი არ იყო ადგილზე და ვამაგრებდი მას კიდევ 2 M3 ჭანჭიკით.

გააკეთე დანართი. მე გამოვიყენე 1/4 აკრილი აკადრისთვის. მე გავზომე პროექტის საბოლოო სიმაღლე და, CAD ზომებით, ამოვიღე 5 ცალი გვერდებზე და ზემოდან, რათა გავაკეთო მარტივი ყუთი ღია ქვედანით. მე ვიყენებ ეპოქსიდს წებოსთვის ნაჭრები ერთად.ბოლოს მე მოვაქციე პატარა ნახევარი წრის ამოკვეთა მარჯვენა მხარეს, რათა მოხდეს გადამრთველი.

მზად არის გამოთვლა

ნაბიჯი 10: გამოთვლა და შედარება

შეაერთეთ თქვენი ახალი კალკულატორი და დაიწყეთ დამატება! ბაზის 10 დიაპაზონი 2 შეიძლება გამოყენებულ იქნას ორობითი და მთელი რიცხვების სწრაფად გადასაყვანად. მე მირჩევნია, შევაყენო შეყვანის შემდეგ მოხვდა "თანაბარი" მიერ flipping დენის გადამრთველი და დაკვირვება ორობითი გამომავალი LED- ები.

დისკრეტული კომპონენტების შედარება ინტეგრირებულ წრეს. ახლა თქვენ შეგიძლიათ ამოიღოთ სრული დამატებები და შეაერთოთ SN7483A IC I/O დაფაზე. (ნუ დაგავიწყდებათ გადაატრიალეთ გადამრთველი საპირისპირო მიმართულებით, რომ აიცილოთ IC 5V 12V- ის ნაცვლად). შეგიძლიათ გააკეთოთ ერთი და იგივე გათვლები და მიიღებთ ერთსა და იმავე შედეგს. საკმაოდ შთამბეჭდავია ვიფიქროთ, რომ ორივე დისკრეტული კომპონენტი Adder და IC ფუნქციონირებენ ერთნაირად მხოლოდ ძალიან განსხვავებული ზომის მასშტაბით. სურათებზე ნაჩვენებია იგივე შეყვანა და გამოსავალი სქემებისთვის.

ნაბიჯი 11: დასკვნა

ვიმედოვნებ, რომ მოგეწონათ ეს პროექტი და ისწავლეთ ისევე, როგორც მე. საკმაოდ დამაკმაყოფილებელია ისწავლოს რაიმე ახალი და აქციოს იგი უნიკალურ პროექტად, რომელიც ასევე საჭიროებს ახალი უნარების სწავლას, როგორიცაა PCB დიზაინი/დამზადება. ყველა სქემა მოცემულია ქვემოთ. ყველასთვის, ვინც დაინტერესებულია, შემიძლია დავუკავშირო ჩემი PCB გერბერის ფაილები, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ შექმნათ თქვენი საკუთარი 4-ბიტიანი ორობითი კალკულატორი. ბედნიერი დამზადება!