Basispoortfunctie

Onderdelen en materialen

• 4011 quad NAND-poort (Radio Shack-catalogus # 276-2411)
• DIP-schakelaar met acht standen (Radio Shack-catalogus # 275-1301)
• Bargraph-LED met tien segmenten (Radio Shack-catalogus # 276-081)
• Eén 6 volt batterij
• Twee weerstanden van 10 kΩ
• Drie weerstanden van 470

Let op! De 4011 IC is CMOS en daarom gevoelig voor statische elektriciteit!

Verder lezen

Lessen in elektrische circuits , Volume 4, hoofdstuk 3:“Logic Gates”

Leerdoelen

• Doel van een “pulldown” weerstand
• Hoe de waarheidstabel van een poort experimenteel te bepalen
• Hoe logische poorten met elkaar te verbinden
• Hoe verschillende logische functies te creëren met behulp van NAND-poorten

Schema basisschema poortfunctie

Illustratie basispoortfunctie

Experimentinstructies

Sluit om te beginnen een enkele NAND-poort aan op twee ingangsschakelaars en één LED, zoals weergegeven. In eerste instantie lijkt het gebruik van een 8-standenschakelaar en een 10-segmenten LED-staafdiagram misschien overdreven, aangezien er slechts twee schakelaars en één LED nodig zijn om de werking van een enkele NAND-poort weer te geven. De aanwezigheid van die extra schakelaars en LED's maakt het echter erg handig om het circuit uit te breiden en de circuitlay-out zowel schoon als compact te maken.

Het wordt ten zeerste aanbevolen dat u een gegevensblad heeft voor de 4011 chip beschikbaar wanneer u uw circuit bouwt. Volg niet alleen de bovenstaande afbeelding! Het is belangrijk dat u de vaardigheid ontwikkelt om gegevensbladen te lezen, met name "pinout" -diagrammen bij het aansluiten van IC-terminals op andere circuitelementen. Het aansluitschema van de datasheet is essentieel om te hebben. Hier getoond is mijn eigen weergave van wat een 4011 datasheet toont:

In de afbeelding van het breadboard heb ik het circuit laten zien dat is gebouwd met behulp van de NAND-poort linksonder:pin # 's 1 en 2 zijn de ingangen en pin # 3 is de uitgang. Pin #'s 14 en 7 geleiden gelijkstroom naar alle vier poortcircuits in de IC-chip, "V_DD ” staat voor de positieve kant van de voeding (+V), en “Gnd” staat voor de negatieve kant van de voeding (-V), of aarde. Soms wordt de negatieve voedingsaansluiting aangeduid met "V_SS ” in plaats van “Gnd” op een datasheet, maar het betekent hetzelfde.

Digitale logische schakelingen maken geen gebruik van gesplitste voedingen zoals op-amps. Net als op-amp-circuits is aarde echter nog steeds het impliciete referentiepunt voor alle spanningsmetingen. Als ik zou spreken van een "hoog" signaal dat aanwezig is op een bepaalde pin van de chip, zou ik bedoelen dat er volledige spanning was tussen die pin en de negatieve kant van de voeding (aarde).

Merk op hoe alle ingangen van de ongebruikte poorten binnen de 4011 chip zijn verbonden met V_DD of grond. Dit is geen fout, maar een opzettelijke handeling. Sinds de 4011 is een CMOS-geïntegreerd circuit en de CMOS-circuitingangen zijn niet aangesloten (zwevend ) kan elk spanningsniveau aannemen door alleen een statische elektrische lading van een nabijgelegen object te onderscheppen, waardoor de ingangen zwevend blijven, wat betekent dat die ongebruikte poorten willekeurige combinaties van "hoge" en "lage" signalen kunnen ontvangen.

Waarom is dit onwenselijk, als we die poorten niet gebruiken? Wat maakt het uit welke signalen ze ontvangen, als we niets met hun output doen? Het probleem is dat als er statische spanningssignalen verschijnen bij de poortingangen die niet volledig "hoog" of volledig "laag" zijn, de interne transistors van de poorten op zo'n manier kunnen inschakelen dat er overmatige stroom wordt getrokken. In het ergste geval kan dit leiden tot beschadiging van de chip.

In het beste geval betekent het overmatig stroomverbruik. Het maakt niet uit of we ervoor kiezen om deze ongebruikte poortingangen "hoog" (V_DD ) of "laag" (aarde), zolang we ze maar verbinden met een van die twee plaatsen. In de afbeelding van het breadboard laat ik alle bovenste ingangen zien die zijn aangesloten op V_DD , en alle onderste ingangen (van de ongebruikte poorten) verbonden met aarde. Dit werd alleen gedaan omdat de gaten in de voedingsrail dichterbij waren en er geen lange jumperdraden nodig waren!

Houd er rekening mee dat geen van de ongebruikte gate uitgangen zijn verbonden met V_DD of grond, en met een goede reden! Als ik dat zou doen, zou ik een poort kunnen dwingen om de tegenovergestelde uitgangstoestand aan te nemen die het probeert te bereiken, wat een gecompliceerde manier is om te zeggen dat ik een kortsluiting zou hebben veroorzaakt. Stel je een poort voor die verondersteld wordt een "hoog" logisch niveau uit te voeren (voor een NAND-poort zou dit waar zijn als een van zijn ingangen "laag" zou zijn).

Als een dergelijke poort zijn uitgangsaansluiting direct met aarde zou hebben verbonden, zou deze nooit een "hoge" toestand kunnen bereiken (die elektrisch gemeenschappelijk wordt gemaakt voor aarde via de verbinding met de jumperdraad). In plaats daarvan zou de bovenste (P-kanaal) uitgangstransistor tevergeefs worden ingeschakeld, waardoor maximale stroom wordt geleverd aan een niet-bestaande belasting. Dit zou zeer waarschijnlijk de poort beschadigen! Gate-uitgangsterminals genereren van nature hun eigen logische niveaus en "zweven" nooit op dezelfde manier als CMOS-gate-ingangen.

De twee weerstanden van 10 kΩ zijn in het circuit geplaatst om zwevende ingangscondities op de gebruikte poort te voorkomen. Als een schakelaar gesloten is, wordt de respectieve ingang rechtstreeks verbonden met V_DD en daarom 'hoog' zijn. Met een schakelaar open, de 10 kΩ “pulldown "-weerstand zorgt voor een resistieve verbinding met aarde, waardoor een veilige "lage" toestand op de ingangsterminal van de poort wordt gegarandeerd. Op deze manier is de ingang niet gevoelig voor statische spanningen.

Met de NAND-poort aangesloten op de twee schakelaars en één LED zoals weergegeven, bent u klaar om een ​​"waarheidstabel" voor de NAND-poort te ontwikkelen. Zelfs als je al weet hoe een NAND-gate-waarheidstabel eruitziet, is dit een goede oefening in experimenteren:het ontdekken van de gedragsprincipes van een circuit door inductie. Teken een waarheidstabel op een stuk papier als volgt:

De “A” en “B” kolommen vertegenwoordigen respectievelijk de twee ingangsschakelaars. Wanneer de schakelaar aan staat, is de status "hoog" of 1. Wanneer de schakelaar uit is, is de status "laag" of 0, zoals verzekerd door de pulldown-weerstand. De uitgang van de poort wordt natuurlijk weergegeven door de LED:of deze nu verlicht is (1) of niet verlicht (0). Nadat je de schakelaars in elke mogelijke combinatie van toestanden hebt geplaatst en de status van de LED hebt geregistreerd, vergelijk je de resulterende waarheidstabel met wat de waarheidstabel van een NAND-poort zou moeten zijn.

Zoals je je kunt voorstellen, is dit breadboard-circuit niet beperkt tot het testen van NAND-poorten. Elk poorttype kan worden getest met twee schakelaars, twee pulldown-weerstanden en een LED om de uitgangsstatus aan te geven. Zorg ervoor dat u het "pinout"-diagram van de chip nogmaals controleert voordat u het pin-voor-pin vervangt in plaats van de 4011 . Niet alle "quad" gate-chips hebben dezelfde pintoewijzingen!

Aanvullende verbetering

Een verbetering die u misschien aan dit circuit wilt aanbrengen, is om een ​​paar LED's toe te wijzen om de ingangsstatus aan te geven, naast de ene LED die is toegewezen om de uitgang aan te geven. Dit maakt de bediening een beetje interessanter om te observeren, en heeft het verdere voordeel dat het aangeeft of een schakelaar niet sluit (of opent) door de true te tonen ingangssignaal naar de poort, in plaats van u te dwingen de ingangsstatus af te leiden van de schakelaarpositie:

GERELATEERD WERKBLAD:

• Basis logische poorten werkblad