Calculadora binària de 4 bits: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Vaig desenvolupar un interès per la manera com funcionen els ordinadors a un nivell fonamental. Volia entendre l’ús de components discrets i els circuits necessaris per realitzar tasques més complexes. Un component fonamental important en una CPU és la unitat lògica aritmètica o l'ALU que realitza operacions amb nombres enters. Per dur a terme aquesta tasca, els ordinadors utilitzen números binaris i portes lògiques. Una de les operacions més senzilles realitzades és sumar dos nombres junts, en un circuit sumador. Aquest vídeo de numberphile fa una excel·lent feina per explicar aquest concepte mitjançant Domino Addition. Matt Parker amplia aquest concepte bàsic i crea un circuit d’ordinador Domino amb 10.000 dominos. Construir un ordinador personal complet a partir de dominos és absurd, però encara volia entendre l’ús de components discrets per dur a terme aquesta tasca addicional. Als vídeos, les portes lògiques es van crear a partir de dominos, però també es poden fer a partir de components bàsics, a saber, transistors i resistències. El propòsit d’aquest projecte era utilitzar aquests components discrets per aprendre i crear la meva pròpia calculadora de sumadors de 4 bits.

Els meus objectius per a aquest projecte van ser: 1) Aprendre a crear i fabricar un PCB personalitzat2) Fer que el disseny sigui fàcil de conceptualitzar afegint nombres binaris 3) Demostrar la diferència d’escala entre components discrets i un circuit integrat que realitza la mateixa tasca

Gran part de la inspiració i comprensió d’aquest projecte va ser de Simon Inns.

Subministraments

Vaig utilitzar Fritzing per fer esquemes, crear i fabricar els PCB

Pas 1: teoria

Comptar a la base 10 és senzill perquè hi ha un nombre enter diferent per representar la suma de dos enters. L'exemple més senzill:

1 + 1 = 2

Comptar a la base 2 o binari només fa servir 1 i 0. S'utilitza una combinació d'1 i 0 per representar diferents enters i les seves sumes. Un exemple de recompte a la base 2:

1 + 1 = 0 i porteu l'1 al bit següent

En afegir dos bits (A i B) junts, són possibles 4 resultats diferents amb les sortides de Sum i Carry (Cout). Això és el que es mostra a la taula.

Les portes lògiques prenen entrades i generen una sortida. Algunes de les portes lògiques més bàsiques consisteixen en les portes NOT, AND i OR que s’utilitzen en aquest projecte. Estan formats per diferents combinacions i cablejat de transistors i resistències. Es proporcionen esquemes de cada porta.

Tornant a la taula, es pot utilitzar una combinació d’aquestes portes per produir els resultats de la suma. Aquesta combinació de lògica també es coneix com una porta OR exclusiva (XOR). L'entrada ha de ser exactament 1 per donar lloc a una sortida d'1. Si les dues entrades són 1, la sortida resultant és 0. Els resultats del bit de transport es poden representar mitjançant una porta AND simple. Per tant, fer servir un XOR amb una porta AND pot representar tota la taula. Això es coneix com a mitja sumadora i l’esquema es mostra més amunt.

Per afegir nombres binaris més grans, cal incorporar el bit de transport com a entrada. Això s’aconsegueix combinant 2 circuits de mitja sumadora per generar un sumador complet. Els sumadors complets es poden combinar en cascada per afegir nombres binaris més grans. En el meu projecte vaig engruixir quatre additius complets que em van permetre tenir entrades de 4 bits. L’esquema del Sumador complet es mostra a sobre.

Simon Inns té una redacció genial i més profunda sobre la teoria. També hi ha alguns PDF que he trobat útils.

Pas 2: provar el circuit

El primer pas després d’entendre com funcionen les portes lògiques i la teoria que hi ha darrere d’un Sumador Complet és construir el circuit. Vaig començar reunint tots els components que necessitava: resistències 10K i 1K, transistors NPN, taulers de panell, cables de connexió. Vaig seguir junt amb una impressió del sumador complet. El procés va ser tediós, però vaig poder obtenir un circuit de treball per al sumador complet. Lligaria les entrades de forma alta o baixa i faria servir un multímetre per provar les sortides. Ara ja estava preparat per traduir la taula de treball i l'esquema a un PCB.

Pas 3: Dissenyar el PCB Full Adder

Per dissenyar el PCB he utilitzat exclusivament Fritzing. Aquesta era la meva primera vegada que dissenyava un PCB i aquest programa semblava el més fàcil d’utilitzar i intuïtiu amb la corba d’aprenentatge més petita. Hi ha altres programes fantàstics com EasyEDA i Eagle disponibles per ajudar a dissenyar un PCB. Amb Fritzing, podeu començar a dissenyar en una taula virtual o en un esquema i després passar al PCB. He utilitzat aquests dos mètodes per a aquest projecte. Quan estigueu preparat per fabricar el PCB, és tan simple com fer clic a un botó per exportar els fitxers i penjar-los directament a Aisler, el fabricant associat de Fritzing.

Vaig començar amb la pestanya esquemàtica per començar el procés. En primer lloc, he trobat i inserit tots els components a l’espai de treball. A continuació, vaig dibuixar totes les traces entre els components. M'he assegurat d'afegir entrada i terra de 5 V als llocs adequats.

Dissenyeu el PCBI que feu clic a la pestanya PCB. Quan es mou directament d’un esquema, s’obté un embolic amb tots els components connectats per línies ratsnest en funció de les traces que es van fer a l’esquema. El primer que vaig fer va ser redimensionar el PCB gris a la mida que volia i afegir forats de muntatge. També he afegit 16 pins per a les entrades i sortides. A continuació, vaig començar a organitzar els components d’una manera lògica. Vaig intentar agrupar components amb connexions properes entre si per minimitzar la distància de traça. Vaig fer un pas addicional i vaig agrupar els components per porta lògica. Un dels meus objectius era poder visualitzar el funcionament del circuit i poder seguir el "bit" a través del circuit. Després d'això, vaig utilitzar la funció de sortida automàtica que passa automàticament i dibuixa els traçats optimitzats entre els components. Jo era escèptic que aquest procés completés tots els traçats adequats, així que vaig passar a revisar i tornar a dibuixar els traçats on se suposava que havien de ser. Afortunadament, la funció d’autorouting va fer una feina bastant bona i només vaig haver d’arreglar alguns dels traçats. L'autorouter també va fer alguns angles estranys amb les traces que no són la "millor pràctica", però estava bé amb això i tot funcionava bé. L’últim que vaig fer va ser afegir text que s’imprimiria com a serigrafia. Em vaig assegurar que tots els components estiguessin etiquetats. També he importat imatges de portes lògiques personalitzades per emfatitzar l’agrupació dels components. La darrera imatge superior mostra la serigrafia.

Feu el PCBI fent clic al botó de fabricació que hi ha a la part inferior de la pantalla. Em va encaminar directament al lloc web d’Aisler, on vaig poder crear un compte i penjar tots els meus fitxers Fritzing. He deixat tots els paràmetres predeterminats i he fet la comanda.

Pas 4: Dissenyar els altres PCB

La resta de PCB que necessitava eren la placa d’interfície d’entrada / sortida i la placa per a l’IC. Vaig seguir el procés com a pas 3 per a aquestes taules. El pdf dels esquemes es publica a continuació. Per a l’IC, he fet totes les connexions mitjançant la funció de taulers virtuals. Vaig incloure l’esquema per completar-lo, però vaig poder anar directament de la placa a la pestanya PCB, que era força maca. També he afegit un gràfic de conversió de base 10 a base 2 a la serigrafia de la placa d’interfície d’E / S abans de carregar i fer comandes a Aisler.

Pas 5: soldar components a PCB

Van arribar tots els PCB i em va impressionar molt la qualitat. No he tingut cap experiència amb altres fabricants, però no dubtaria en tornar a utilitzar Aisler.

La següent tasca va ser soldar tots els components, cosa que va suposar un ardu procés, però les meves habilitats de soldadura van millorar molt. Vaig començar amb les taules de sumador complet i vaig soldar els components començant per transistors, després resistències 1K i després resistències 10K. Vaig seguir un mètode similar per soldar la resta de components a la placa d'E / S i IC. Després de completar cada tauler Full Adder, els vaig provar amb el mateix mètode que el full Adder Fullboard. Sorprenentment, tots els taulers funcionaven correctament sense cap problema. Això significava que les taules estaven encaminades correctament i que estaven soldades correctament. Passeu al següent pas.

Pas 6: Acabar els PCB per apilar

La següent tasca va ser soldar tots els passadors de capçalera a cada tauler. També calia afegir cables de pont entre el pin correcte de la capçalera i les entrades / sortides de les plaques Full Adder (A, B, Cin, V +, GND, Sum, Cout). Aquest pas es podria evitar si haguéssiu dissenyat diferents PCB per a cada nivell del circuit sumador, però volia minimitzar el disseny i el cost creant només un PCB complet. Com a resultat, les connexions a aquestes entrades / sortides requereixen cables de pont. L’esquema que es proporciona és com he realitzat aquesta tasca i quins pins s’han utilitzat per a cada nivell de les taules Full Adder. Les imatges mostren com he soldat els cables del pont per a cada tauler. Vaig començar soldant cables lliures als pins correctes de la capçalera. Després he soldat la capçalera al PCB. Després d’haver soldat els passadors de capçalera amb cables de pont, heu soldat els extrems lliures dels cables de pont als cables correctes de la PCB. La imatge superior mostra un primer pla dels passadors de capçalera amb els cables de pont soldats a ells.

Pas 7: Alimentació dels circuits

Vaig planejar utilitzar una font d'alimentació de 12V de barril de corrent continu per a aquest projecte, de manera que vaig dissenyar la placa d'interfície d'E / S per tenir un connector de barril de CC per a l'entrada d'alimentació. Com que utilitzava la mateixa placa d'E / S i volia utilitzar una única font d'alimentació que necessitava per regular el voltatge a 5 V, ja que aquesta és la entrada màxima per a l'SN7483A IC. Per aconseguir-ho, necessitava un regulador de 5V i un commutador que pogués alternar entre els 12V i els 5V. L'esquema anterior mostra com he connectat el circuit d'alimentació.

Pas 8: Impressió 3D de la base

Ara que tot el cablejat i la soldadura s’ha completat, necessitava esbrinar com es mantindria tot junt. Vaig optar per la CAD i la impressió 3D, un disseny que pogués incloure i mostrar totes les parts d’aquest projecte.

Consideracions sobre el disseny Necessitava llocs per muntar els PCB amb perns i separadors. Els Adders apilats són els més atractius visualment i volia tenir-los exposats quan no s’utilitzaven, així que volia un lloc on emmagatzemar el PCB IC. Necessitava acomodar el circuit d’alimentació amb retalls per al commutador i el connector / connector de barril de CC. Per últim, volia una espècie de vitrina de la caixa per evitar que la pols s’acumulés als PCB oberts, de manera que necessitava un lloc on seure la caixa.

Modelatge 3D: Vaig utilitzar Fusion360 per dissenyar la base. Vaig començar amb les dimensions del PCB i l’espaiat dels forats de muntatge. Després vaig utilitzar una sèrie d'esbossos i extrusions per configurar l'alçada i la mida de la base amb els punts de muntatge del PCB. A continuació vaig fer els retalls del recinte i el circuit d'alimentació. Llavors, vaig fer una zona per emmagatzemar el PCB IC quan no s’utilitzava. Per últim, vaig afegir alguns detalls d’avantguarda i els vaig enviar a Cura, el meu programari de tallar.

Vaig triar el filament PLA negre. La impressió va trigar una mica més de 6 hores i va resultar fantàstica. Sorprenentment, totes les dimensions eren correctes i tot semblava que encaixaria correctament. La imatge superior mostra la impressió després d'afegir els separadors als forats de muntatge. Van ser un ajust perfecte!

Pas 9: Muntatge

Inseriu els separadors. Vaig col·locar tots els separadors als forats de muntatge de la base.

Col·loqueu el circuit de potència a la base. Ho havia connectat tot junt i havia tirat tots els components pel forat de l’interruptor. A continuació, he inserit l’adaptador / presa de corrent a la part posterior de la base. Vaig empènyer el regulador de 5V a la seva ranura i finalment es va poder instal·lar l'interruptor en posició.

Munteu la placa d'E / S. Vaig col·locar el PCB IC al seu espai d'emmagatzematge i vaig col·locar el PCB d'interfície d'E / S a la part superior. Vaig cargolar la placa amb 4x perns M3 i un controlador hexagonal. Finalment, vaig endollar la presa de barril de CC a la PCB.

Apileu els PCB Adder. Vaig apilar el primer sumador al seu lloc. Vaig cargolar la part posterior del PCB als forats posteriors de muntatge amb 2 separadors. Vaig repetir aquest procés fins que l'últim Adder va estar al seu lloc i el vaig assegurar amb els 2 perns M3 més.

Feu el recinte. Vaig utilitzar acrílic de 1/4 per al recinte. Vaig mesurar l'alçada final del projecte i, amb les dimensions CAD, vaig retallar 5 peces per als laterals i la part superior per fer una caixa senzilla amb el fons obert. Vaig utilitzar epoxi per enganxar Finalment, vaig lijar un petit retall de mig cercle al costat dret per acomodar l’interruptor.

A punt per calcular

Pas 10: càlcul i comparació

Connecteu la vostra nova calculadora i comenceu a afegir. El gràfic de base 10 a base 2 es pot utilitzar per convertir ràpidament entre binaris i enters. Prefereixo configurar les entrades i, a continuació, prémer "iguals" girant l'interruptor d'alimentació i observant la sortida binària dels LED.

Comparació de components discrets amb un circuit integrat. Ara, podeu descomprimir els Adders complets i connectar l'IC SN7483A a la placa d'E / S. (No oblideu girar l'interruptor en direcció contrària per alimentar l'IC amb 5V en lloc de 12V). Podeu realitzar els mateixos càlculs i obtindreu els mateixos resultats. És bastant impressionant pensar que tant el component discret Sumador com el CI funcionen de la mateixa manera en una escala de mida molt diferent. Les imatges mostren les mateixes entrades i sortides per als circuits.

Pas 11: Conclusió

Espero que us hagi agradat aquest projecte i hagueu après tant com jo. És bastant satisfactori aprendre alguna cosa nova i convertir-lo en un projecte únic que també requereix aprendre una nova habilitat com el disseny / fabricació de PCB. Tots els esquemes es detallen a continuació. Per a qualsevol persona interessada, també puc enllaçar els meus fitxers PCB Gerber perquè pugueu fer la vostra pròpia calculadora binària de 4 bits. Feliç fer!