Calculadora binaria de 4 bits: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Desarrollé un interés en la forma en que funcionan las computadoras a un nivel fundamental. Quería comprender el uso de componentes discretos y los circuitos necesarios para realizar tareas más complejas. Un componente fundamental importante en una CPU es la unidad lógica aritmética o ALU que realiza operaciones con números enteros. Para realizar esta tarea, las computadoras utilizan números binarios y puertas lógicas. Una de las operaciones más simples que se realizan es sumar dos números en un circuito sumador. Este video de numberphile hace un excelente trabajo al explicar este concepto a través de Domino Addition. Matt Parker amplía este concepto básico y construye un circuito de computadora Domino utilizando 10.000 fichas de dominó. Construir una computadora personal completa a partir de dominó es absurdo, pero aún quería comprender el uso de componentes discretos para lograr esta tarea de agregar. En los videos, las puertas lógicas se crearon con dominó, pero también se pueden hacer con componentes básicos, a saber, transistores y resistencias. El propósito de este proyecto era utilizar estos componentes discretos para aprender y crear mi propia calculadora sumadora de 4 bits.

Mis objetivos para este proyecto incluían: 1) Aprender a crear y fabricar un PCB personalizado 2) Hacer que el diseño sea fácil de conceptualizar agregando números binarios 3) Demostrar la diferencia de escala entre componentes discretos y un circuito integrado que realiza la misma tarea

Gran parte de la inspiración y la comprensión de este proyecto provino de Simon Inns.

Suministros

Usé Fritzing para hacer esquemas, crear y fabricar los PCB

Paso 1: Teoría

Contar en base 10 es simple porque hay un número entero diferente para representar la suma de dos números enteros. El ejemplo más simple:

1 + 1 = 2

El conteo en base 2 o binario solo usa unos y ceros. Se utiliza una combinación de unos y ceros para representar diferentes números enteros y sus sumas. Un ejemplo de contar en base 2:

1 + 1 = 0 y llevas el 1 al siguiente bit

Al sumar dos bits (A y B) juntos, son posibles 4 resultados diferentes con las salidas de Suma y Transferencia (Cout). Esto es lo que se muestra en la tabla.

Las puertas lógicas toman entradas y generan una salida. Algunas de las puertas lógicas más básicas consisten en las puertas NOT, AND y OR que se utilizan en este proyecto. Están formados por diferentes combinaciones y cableado de transistores y resistencias. Se proporcionan esquemas de cada puerta.

Volviendo a la tabla, se puede utilizar una combinación de estas puertas para producir los resultados de la suma en la tabla. Esta combinación de lógica también se conoce como puerta OR exclusiva (XOR). La entrada tiene que ser exactamente 1 para dar como resultado una salida de 1. Si ambas entradas son 1, la salida resultante es 0. Los resultados del bit de acarreo se pueden representar mediante una puerta AND simple. Por lo tanto, usar un XOR con una puerta AND puede representar toda la tabla. Esto se conoce como Half Adder y el esquema se muestra arriba.

Para agregar números binarios más grandes, el bit de acarreo debe incorporarse como entrada. Esto se logra combinando 2 circuitos Half Adder para generar un Full Adder. Los sumadores completos se pueden conectar en cascada para agregar números binarios más grandes. En mi proyecto, conecté en cascada 4 sumadores completos que me permitieron tener entradas de 4 bits. El esquema del Sumador completo está arriba.

Simon Inns tiene un artículo excelente y más profundo sobre la teoría. También hay algunos archivos PDF que me resultaron útiles.

Paso 2: prueba del circuito

El primer paso después de comprender cómo funcionan las puertas lógicas y la teoría detrás de un Sumador completo es construir el circuito. Comencé reuniendo todos los componentes que necesitaba: resistencias de 10K y 1K, transistores NPN, placa de pruebas, cables de puente. Seguí junto con una copia impresa del sumador completo. El proceso fue tedioso, pero pude obtener un circuito de trabajo para el sumador completo. Ataba las entradas altas o bajas y usaba un multímetro para probar las salidas. Ahora estaba listo para traducir la placa de pruebas y el esquema a una PCB.

Paso 3: Diseño de la PCB sumadora completa

Para diseñar el PCB utilicé exclusivamente Fritzing. Esta fue la primera vez que diseñé un PCB y este programa parecía el más fácil de usar e intuitivo con la curva de aprendizaje más pequeña. Hay otros excelentes programas como EasyEDA y Eagle disponibles para ayudar a diseñar una PCB. Con Fritzing, puede comenzar a diseñar en una placa de pruebas virtual o un esquema, luego pasar a la PCB. Utilicé ambos métodos para este proyecto. Cuando esté listo para fabricar la PCB, es tan simple como hacer clic en un botón para exportar sus archivos y cargarlos directamente a Aisler, el fabricante asociado de Fritzing.

Dibujar el esquema Comencé con la pestaña del esquema para comenzar el proceso. Primero, encontré e inserté todos los componentes en el espacio de trabajo. A continuación, dibujé todos los trazos entre los componentes. Me aseguré de agregar entrada de 5V y tierra en los lugares apropiados.

Diseñe el PCBI haciendo clic en la pestaña PCB. Cuando te mueves directamente desde un esquema, tienes un lío con todos los componentes conectados por líneas de ratsnest según los trazos que hiciste en el esquema. Lo primero que hice fue cambiar el tamaño de la PCB gris al tamaño que quería y agregar orificios de montaje. También agregué 16 pines para la entrada y las salidas. A continuación, comencé a organizar los componentes de forma lógica. Intenté agrupar componentes con conexiones cercanas entre sí para minimizar la distancia de rastreo. Di un paso más y agrupé los componentes por puerta lógica. Uno de mis objetivos era poder visualizar cómo funciona el circuito y poder seguir el "bit" a través del circuito. Después de eso, utilicé la función de enrutamiento automático que pasa automáticamente y dibuja los trazados optimizados entre los componentes. Era escéptico de que este proceso completara todos los trazados correctos, así que pasé a verificar y volver a dibujar los trazados donde se suponía que debían estar. Afortunadamente, la función de enrutamiento automático hizo un buen trabajo y solo tuve que corregir algunos de los trazados. El autorouter también hizo algunos ángulos extraños con las trazas que no es la "mejor práctica", pero estaba de acuerdo con eso y todo funcionó bien. Lo último que hice fue agregar texto que se imprimiría como serigrafía. Me aseguré de que todos los componentes estuvieran etiquetados. También importé imágenes de puertas lógicas personalizadas para enfatizar la agrupación de los componentes. La última imagen de arriba muestra la serigrafía.

Fabricar el PCBI haciendo clic en el botón fabricar en la parte inferior de la pantalla. Me dirigió directamente al sitio web de Aisler, donde pude crear una cuenta y cargar todos mis archivos de Fritzing. Dejé todas las configuraciones predeterminadas y realicé el pedido.

Paso 4: diseño de las otras placas de circuito impreso

Los PCB restantes que necesitaba eran la placa de interfaz de entrada / salida y la placa para el IC. Seguí el proceso del Paso 3 para estos tableros. El pdf de los esquemas se publica a continuación. Para el IC, hice todas las conexiones utilizando la función de tablero virtual. Incluí el esquema para completarlo, pero pude ir directamente desde la placa de pruebas a la pestaña PCB, lo cual fue bastante bueno. También agregué una tabla de conversión de base 10 a base 2 en la serigrafía en la placa de interfaz de E / S antes de cargar y ordenar en Aisler.

Paso 5: Soldar componentes a PCB

Llegaron todos los PCB y me impresionó mucho la calidad. No he tenido ninguna experiencia con otros fabricantes, pero no dudaría en volver a utilizar Aisler.

La siguiente tarea fue soldar todos los componentes, lo cual fue un proceso arduo, pero mis habilidades de soldadura mejoraron enormemente. Comencé con las placas sumadoras completas y soldé los componentes comenzando con transistores, luego resistencias de 1K, luego resistencias de 10K. Seguí un método similar para soldar el resto de los componentes en la placa de E / S e IC. Después de completar cada tablero Full Adder, los probé con el mismo método que con el tablero Full Adder. Sorprendentemente, todas las placas funcionaron correctamente sin problemas. Esto significó que las placas se colocaron correctamente y que se soldaron correctamente. ¡Vamos al siguiente paso!

Paso 6: acabado de las placas de circuito impreso para apilar

La siguiente tarea fue soldar todos los pines del cabezal a cada placa. También necesitaba agregar cables de puente entre el pin de encabezado correcto y las entradas / salidas de las placas Full Adder (A, B, Cin, V +, GND, Sum, Cout). Este paso podría evitarse si diseñara diferentes PCB para cada nivel del circuito sumador, pero quería minimizar el diseño y el costo creando solo una PCB sumadora completa. Como resultado, las conexiones a estas entradas / salidas requerían cables de puente. El esquema proporcionado es cómo logré esta tarea y qué pines se usaron para cada nivel de los tableros Full Adder. Las imágenes muestran cómo soldé los cables de puente para cada placa. Comencé soldando cables libres a los pines correctos en el encabezado. Luego soldé el encabezado a la PCB. Después de soldar los pines del cabezal con los cables de puente, soldé los extremos libres de los cables de puente a los cables correctos de la PCB. La imagen de arriba muestra un primer plano de los pines del cabezal con los cables de puente soldados a ellos.

Paso 7: Encendido de los circuitos

Planeaba usar una fuente de alimentación de conector de barril de CC de 12 V para este proyecto, así que diseñé la placa de interfaz de E / S para que tuviera un conector / conector de barril de CC para la entrada de alimentación. Debido a que estaba usando la misma placa de E / S y quería usar una única fuente de alimentación, necesitaba regular el voltaje a 5 V, ya que esta es la entrada máxima para el IC SN7483A. Para lograr esto, necesitaba un regulador de 5V y un interruptor que pudiera alternar entre 12V y 5V. El esquema anterior muestra cómo conecté el circuito de alimentación.

Paso 8: Impresión 3D de la base

Ahora que todo el cableado y la soldadura están completos, necesitaba averiguar cómo se iba a mantener todo unido. Opté por CAD e impresión en 3D, un diseño que acomodaría y mostraría todas las partes de este proyecto.

Consideraciones de diseño Necesitaba lugares para montar los PCB con pernos y separadores. Los sumadores apilados son los más atractivos visualmente y quería tenerlos a la vista cuando no los usaba, así que quería un lugar para almacenar la PCB IC. Necesitaba acomodar el circuito de alimentación con cortes para el interruptor y el conector / conector de barril de CC. Por último, quería una especie de vitrina de caja para evitar que el polvo se acumulara en los PCB abiertos, por lo que necesitaba un lugar para colocar la caja.

Modelado 3DUtilicé Fusion360 para diseñar la base. Comencé con las dimensiones de la PCB y el espaciado de los orificios de montaje. Después de eso, utilicé una serie de bocetos y extrusiones para establecer la altura y el tamaño de la base con los puntos de montaje de la PCB. Luego hice los recortes para el gabinete y el circuito de alimentación. Luego, hice un área para almacenar el IC PCB cuando no esté en uso. Por último, agregué algunos detalles del borde de acabado y lo envié a Cura, mi software de corte.

Impresión Elegí filamento PLA negro. La impresión tardó un poco más de 6 horas y resultó genial. Sorprendentemente, todas las dimensiones eran correctas y todo parecía encajar correctamente. La imagen de arriba muestra la impresión después de que agregué los separadores en los orificios de montaje. ¡Encajaban perfectamente!

Paso 9: Montaje

Inserte los separadores. Coloqué todos los separadores en los orificios de montaje de la base.

Coloque el circuito de alimentación en la base. Lo había conectado todo junto y saqué todos los componentes a través del orificio del interruptor. A continuación, inserté el conector / adaptador de alimentación en la parte posterior de la base. Empujé el regulador de 5V en su ranura y finalmente el interruptor pudo colocarse en su posición.

Monte la PCB de E / S. Coloqué la PCB IC en su espacio de almacenamiento y coloqué la PCB de la interfaz de E / S en la parte superior. Atornillé la PCB con 4 pernos M3 y un destornillador hexagonal. Finalmente conecté el conector de barril de CC a la PCB.

Apile los PCB de la sumadora. Apilé el primer Adder en su lugar. Atornillé la parte posterior de la PCB en los orificios de montaje posteriores con 2 separadores. Repetí este proceso hasta que el último Adder estuvo en su lugar y lo aseguré con los 2 pernos M3 más.

Haz el cerramiento. Usé acrílico de 1/4 para el cerramiento. Medí la altura final del proyecto y, con las dimensiones CAD, corté 5 piezas para los lados y la parte superior para hacer una caja simple con la parte inferior abierta. Usé epoxi para pegar Finalmente lijé un pequeño corte de medio círculo en el lado derecho para acomodar el interruptor.

¡Listo para calcular

Paso 10: cálculo y comparación

¡Conecte su nueva calculadora y comience a agregar! El gráfico de base 10 a base 2 se puede utilizar para convertir rápidamente entre binarios y enteros. Prefiero configurar las entradas y luego presionar "igual" girando el interruptor de encendido y observando la salida binaria de los LED.

Comparación de componentes discretos con un circuito integrado. Ahora, puede desapilar los sumadores completos y conectar el IC SN7483A a la placa de E / S. (No olvide girar el interruptor en la dirección opuesta para alimentar el IC con 5V en lugar de 12V). Puede realizar los mismos cálculos y obtendrá los mismos resultados. Es bastante impresionante pensar que tanto el componente discreto Adder como el IC funcionan de la misma manera, solo que en una escala de tamaño muy diferente. Las imágenes muestran las mismas entradas y salidas para circuitos.

Paso 11: Conclusión

Espero que hayas disfrutado de este proyecto y hayas aprendido tanto como yo. Es bastante satisfactorio aprender algo nuevo y convertirlo en un proyecto único que también requiere aprender una nueva habilidad como el diseño / fabricación de PCB. Todos los esquemas se enumeran a continuación. Para cualquier persona interesada, también puedo vincular mis archivos PCB Gerber para que pueda hacer su propia calculadora binaria de 4 bits. ¡Feliz fabricación!