4-बिट बाइनरी कैलकुलेटर: 11 चरण (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:19

कंप्यूटर के मौलिक स्तर पर काम करने के तरीके में मेरी रुचि विकसित हुई। मैं असतत घटकों के उपयोग और अधिक जटिल कार्यों को पूरा करने के लिए आवश्यक सर्किटों को समझना चाहता था। एक सीपीयू में एक महत्वपूर्ण मौलिक घटक अंकगणितीय तर्क इकाई या एएलयू है जो पूर्णांक संख्याओं पर संचालन करता है। इस कार्य को पूरा करने के लिए, कंप्यूटर बाइनरी नंबरों और लॉजिक गेट्स का उपयोग करते हैं। किए गए सबसे सरल कार्यों में से एक योजक सर्किट में दो संख्याओं को एक साथ जोड़ना है। नंबरफाइल का यह वीडियो डोमिनोज़ एडिशन के माध्यम से इस अवधारणा को समझाने का एक उत्कृष्ट काम करता है। मैट पार्कर इस मूल अवधारणा का विस्तार करता है और 10, 000 डोमिनोज़ का उपयोग करके डोमिनोज़ कंप्यूटर सर्किट बनाता है। डोमिनोज़ से एक संपूर्ण पर्सनल कंप्यूटर बनाना बेतुका है लेकिन मैं अभी भी इस अतिरिक्त कार्य को पूरा करने के लिए असतत घटकों के उपयोग को समझना चाहता था। वीडियो में, लॉजिक गेट डोमिनोज़ से बनाए गए थे, लेकिन उन्हें बुनियादी घटकों, जैसे ट्रांजिस्टर और रेसिस्टर्स से भी बनाया जा सकता है। इस परियोजना का उद्देश्य इन असतत घटकों को सीखने और अपना स्वयं का 4-बिट योजक कैलकुलेटर बनाने के लिए उपयोग करना था।

इस परियोजना के लिए मेरे लक्ष्यों में शामिल हैं: 1) एक कस्टम पीसीबी बनाना और बनाना सीखें 2) बाइनरी नंबरों को जोड़ने की अवधारणा को आसान बनाएं 3) असतत घटकों और एक ही कार्य करने वाले एक एकीकृत सर्किट के बीच के अंतर को प्रदर्शित करें

इस परियोजना की अधिकांश प्रेरणा और समझ साइमन इन्स से आई है।

आपूर्ति

मैंने फ्रिट्ज़िंग का उपयोग स्कीमैटिक्स बनाने, पीसीबी बनाने और बनाने के लिए किया था

चरण 1: सिद्धांत

आधार १० में गिनना सरल है क्योंकि दो पूर्णांकों के योग को निरूपित करने के लिए एक भिन्न पूर्णांक होता है। सबसे सरल उदाहरण:

1 + 1 = 2

आधार 2 या बाइनरी में गिनने पर केवल 1 और 0 का ही उपयोग होता है। विभिन्न पूर्णांकों और उनके योगों को दर्शाने के लिए 1 और 0 के संयोजन का उपयोग किया जाता है। आधार 2 में गिनती का एक उदाहरण:

1+1 = 0 और आप 1 को अगले बिट तक ले जाते हैं

दो बिट्स (ए और बी) को एक साथ जोड़ने पर, सम और कैरी (कॉउट) के आउटपुट के साथ 4 अलग-अलग परिणाम संभव हैं। यह वही है जो तालिका में दिखाया गया है।

लॉजिक गेट इनपुट लेते हैं और आउटपुट उत्पन्न करते हैं। कुछ सबसे बुनियादी लॉजिक गेट्स में NOT, AND, और OR गेट्स होते हैं जिनका उपयोग इस प्रोजेक्ट में किया जाता है। वे विभिन्न संयोजनों और ट्रांजिस्टर और प्रतिरोधों के तारों से बने होते हैं। प्रत्येक गेट के स्कीमैटिक्स प्रदान किए जाते हैं।

तालिका में वापस संदर्भित करते हुए, इन फाटकों के संयोजन का उपयोग तालिका में योग परिणाम उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। तर्क के इस संयोजन को अनन्य OR (XOR) गेट के रूप में भी जाना जाता है। 1 के आउटपुट में परिणाम के लिए इनपुट बिल्कुल 1 होना चाहिए। यदि दोनों इनपुट 1 हैं तो परिणामी आउटपुट 0 है। कैरी बिट परिणामों को एक साधारण और गेट द्वारा दर्शाया जा सकता है। इस प्रकार, AND गेट के साथ XOR दोनों का उपयोग करके संपूर्ण तालिका का प्रतिनिधित्व किया जा सकता है। इसे हाफ एडर के रूप में जाना जाता है और योजनाबद्ध ऊपर दिखाया गया है।

बड़ी बाइनरी संख्या जोड़ने के लिए, कैरी बिट को इनपुट के रूप में शामिल किया जाना चाहिए। यह एक पूर्ण योजक उत्पन्न करने के लिए 2 हाफ योजक सर्किट को मिलाकर पूरा किया जाता है। फिर बड़े बाइनरी नंबर जोड़ने के लिए फुल एडर्स को एक साथ कैस्केड किया जा सकता है। मेरी परियोजना में मैंने 4 पूर्ण योजकों को कैस्केड किया जिससे मुझे 4 बिट इनपुट मिल सके। पूर्ण योजक के लिए योजनाबद्ध ऊपर है।

साइमन इन्स ने सिद्धांत के बारे में एक महान और अधिक गहन लेखन किया है। कुछ PDF भी हैं जो मुझे मददगार लगीं।

चरण 2: सर्किट का परीक्षण

यह समझने के बाद पहला कदम कि लॉजिक गेट कैसे काम करते हैं और एक पूर्ण योजक के पीछे का सिद्धांत सर्किट का निर्माण करना है। मैंने अपनी जरूरत के सभी घटकों को इकट्ठा करके शुरू किया: 10K और 1K रेसिस्टर्स, NPN ट्रांजिस्टर, ब्रेडबोर्ड, जम्परवायर। मैंने पूर्ण योजक के प्रिंटआउट के साथ पीछा किया। प्रक्रिया थकाऊ थी लेकिन मैं पूर्ण योजक के लिए एक कार्यशील सर्किट प्राप्त करने में सक्षम था। मैं इनपुट को उच्च या निम्न से जोड़ूंगा और आउटपुट का परीक्षण करने के लिए एक मल्टीमीटर का उपयोग करूंगा। अब मैं ब्रेडबोर्ड और योजनाबद्ध को पीसीबी में अनुवाद करने के लिए तैयार था।

चरण 3: पूर्ण योजक पीसीबी डिजाइन करना

पीसीबी को डिजाइन करने के लिए मैंने विशेष रूप से फ्रिटिंग का इस्तेमाल किया। यह मेरा पहली बार एक पीसीबी डिजाइन कर रहा था और यह कार्यक्रम सबसे उपयोगकर्ता के अनुकूल और सबसे छोटे सीखने की अवस्था के साथ सहज लग रहा था। पीसीबी को डिजाइन करने में मदद के लिए ईज़ीईडीए और ईगल जैसे अन्य बेहतरीन कार्यक्रम उपलब्ध हैं। फ्रिट्ज़िंग के साथ, आप वर्चुअल ब्रेडबोर्ड या योजनाबद्ध पर डिज़ाइन करना शुरू कर सकते हैं, फिर पीसीबी में जा सकते हैं। मैंने इस परियोजना के लिए इन दोनों विधियों का उपयोग किया। जब आप पीसीबी को तैयार करने के लिए तैयार होते हैं, तो यह आपकी फाइलों को निर्यात करने के लिए एक बटन के क्लिक के रूप में सरल होता है और उन्हें सीधे फ्रिट्ज़िंग के लिए पार्टनर फैब्रिकेटर, ऐस्लर पर अपलोड करता है।

प्रक्रिया शुरू करने के लिए योजनाबद्ध ड्रा करेंI ने योजनाबद्ध टैब के साथ शुरुआत की। सबसे पहले, मैंने सभी घटकों को कार्यक्षेत्र में पाया और सम्मिलित किया। इसके बाद, मैंने घटकों के बीच के सभी निशानों को आकर्षित किया। मैंने 5V इनपुट और ग्राउंड को उपयुक्त स्थानों पर जोड़ना सुनिश्चित किया।

पीसीबी टैब पर क्लिक की गई PCBI को डिज़ाइन करें। जब आप एक योजनाबद्ध से सीधे आगे बढ़ते हैं तो आपको योजनाबद्ध में आपके द्वारा बनाए गए निशान के आधार पर रैटनेस्ट लाइनों से जुड़े सभी घटकों के साथ गड़बड़ हो जाती है। मैंने जो पहला काम किया, वह ग्रे पीसीबी को उस आकार का आकार देना था जो मैं चाहता था और बढ़ते छेदों को जोड़ा। मैंने इनपुट और आउटपुट के लिए 16 पिन भी जोड़े। इसके बाद, मैंने घटकों को तार्किक ढंग से व्यवस्थित करना शुरू किया। मैंने घटकों को उन कनेक्शनों के साथ समूहित करने का प्रयास किया जो एक-दूसरे के करीब थे ताकि मैं ट्रेस दूरी को कम कर सकूं। मैंने एक अतिरिक्त कदम उठाया और लॉजिक गेट द्वारा घटकों को एक साथ समूहीकृत किया। मेरा एक लक्ष्य यह कल्पना करने में सक्षम होना था कि सर्किट कैसे काम करता है और सर्किट के माध्यम से "बिट" का पालन करने में सक्षम हो। उसके बाद, मैंने ऑटोरूटिंग फ़ंक्शन का उपयोग किया जो स्वचालित रूप से गुजरता है और घटकों के बीच अनुकूलित ट्रेसिंग खींचता है। मुझे संदेह था कि इस प्रक्रिया ने सभी सही ट्रेसिंग को पूरा किया है, इसलिए मैंने दोबारा जांच की और ट्रेसिंग को दोबारा बनाया जहां उन्हें होना चाहिए था। सौभाग्य से, ऑटोराउटिंग फीचर ने बहुत अच्छा काम किया और मुझे केवल कुछ ट्रेसिंग को ठीक करना था। ऑटोराउटर ने निशान के साथ कुछ अजीब कोण भी बनाए जो "सर्वोत्तम अभ्यास" नहीं है, लेकिन मैं इसके साथ ठीक था और सब कुछ अभी भी ठीक था। आखिरी चीज जो मैंने की थी वह टेक्स्ट जोड़ना था जिसे सिल्क्सस्क्रीन के रूप में मुद्रित किया जाएगा। मैंने सुनिश्चित किया कि सभी घटकों को लेबल किया गया था। मैंने घटकों के समूहन पर जोर देने के लिए कस्टम लॉजिक गेट चित्र भी आयात किए। ऊपर की आखिरी तस्वीर सिल्कस्क्रीन दिखाती है।

स्क्रीन के नीचे फैब्रिकेट बटन पर क्लिक किए गए PCBI को फेब्रिकेट करें। इसने मुझे सीधे ऐस्लर वेबसाइट पर पहुँचाया जहाँ मैं एक खाता बनाने और अपनी सभी फ़्रिट्ज़िंग फ़ाइलों को अपलोड करने में सक्षम था। मैंने सभी डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स को छोड़ दिया और ऑर्डर दिया।

चरण 4: अन्य पीसीबी डिजाइन करना

शेष पीसीबी जिनकी मुझे आवश्यकता थी, वे थे इनपुट/आउटपुट इंटरफेस बोर्ड और आईसी के लिए बोर्ड। मैंने इन बोर्डों के लिए चरण 3 के रूप में एक प्रक्रिया का पालन किया। योजनाबद्ध का पीडीएफ नीचे पोस्ट किया गया है। आईसी के लिए, मैंने वर्चुअल ब्रेडबोर्ड सुविधा का उपयोग करके सभी कनेक्शन बनाए हैं। मैंने पूर्णता के लिए योजनाबद्ध शामिल किया लेकिन ब्रेडबोर्ड से सीधे पीसीबी टैब पर जाने में सक्षम था जो बहुत अच्छा था। मैंने आइस्लर में अपलोड करने और ऑर्डर करने से पहले I/O इंटरफ़ेस बोर्ड पर सिल्क्सस्क्रीन पर आधार 10 से आधार 2 रूपांतरण चार्ट भी जोड़ा।

चरण 5: पीसीबी को सोल्डरिंग कंपोनेंट्स

सभी पीसीबी आ गए और मैं वास्तव में गुणवत्ता से प्रभावित था। मुझे अन्य मैन्युफैक्चरर्स के साथ कोई अनुभव नहीं है, लेकिन फिर से ऐस्लर का उपयोग करने में संकोच नहीं करूंगा।

अगला कार्य सभी घटकों को मिलाप करना था जो एक कठिन प्रक्रिया थी लेकिन मेरे सोल्डरिंग कौशल में बहुत सुधार हुआ। मैंने पूर्ण योजक बोर्डों के साथ शुरुआत की और ट्रांजिस्टर से शुरू होने वाले घटकों को मिलाप किया, फिर 1K रेसिस्टर्स, फिर 10K रेसिस्टर्स। मैंने बाकी घटकों को I/O और IC बोर्ड पर मिलाप करने के लिए एक समान विधि का पालन किया। प्रत्येक पूर्ण योजक बोर्ड के पूरा होने के बाद मैंने उन्हें उसी विधि से परीक्षण किया जैसे ब्रेडबोर्ड पूर्ण योजक। आश्चर्यजनक रूप से, सभी बोर्डों ने बिना किसी समस्या के सही ढंग से काम किया। इसका मतलब था कि बोर्डों को सही तरीके से रूट किया गया था और उन्हें सही तरीके से मिलाया गया था। अगले कदम पर!

चरण 6: स्टैकिंग के लिए पीसीबी को खत्म करना

अगला कार्य सभी हेडर पिनों को प्रत्येक बोर्ड में मिलाप करना था। मुझे सही हेडर पिन और पूर्ण योजक बोर्ड (ए, बी, सिन, वी +, जीएनडी, सम, कॉउट) के इनपुट/आउटपुट के बीच जम्पर तारों को जोड़ने की भी आवश्यकता थी। यदि आप योजक सर्किट के प्रत्येक स्तर के लिए अलग-अलग पीसीबी डिजाइन करते हैं तो इस कदम से बचा जा सकता है लेकिन मैं केवल एक पूर्ण योजक पीसीबी बनाकर डिजाइन और लागत को कम करना चाहता था। नतीजतन, इन इनपुट/आउटपुट के कनेक्शन के लिए जम्पर तारों की आवश्यकता होती है। प्रदान किया गया योजनाबद्ध है कि मैंने इस कार्य को कैसे पूरा किया और पूर्ण योजक बोर्डों के प्रत्येक स्तर के लिए किन पिनों का उपयोग किया गया। छवियां दिखाती हैं कि मैंने प्रत्येक बोर्ड के लिए जम्पर तारों को कैसे मिलाया। मैंने हेडर पर सही पिनों को मुफ्त तारों को टांका लगाकर शुरू किया। मैंने फिर हेडर को पीसीबी में मिला दिया। जब मेरे पास जम्पर तारों के साथ हेडर पिन थे, तो मैंने जम्पर तारों के मुक्त सिरों को पीसीबी पर सही लीड में मिला दिया। ऊपर दी गई तस्वीर में जम्पर तारों के साथ हेडर पिंस का क्लोज़ अप दिखाया गया है।

चरण 7: सर्किट को शक्ति देना

मैंने इस परियोजना के लिए 12V डीसी बैरल जैक बिजली की आपूर्ति का उपयोग करने की योजना बनाई है, इसलिए मैंने बिजली इनपुट के लिए डीसी बैरल जैक/कनेक्टर रखने के लिए I/O इंटरफ़ेस बोर्ड को डिज़ाइन किया। क्योंकि मैं उसी I/O बोर्ड का उपयोग कर रहा था और एकमात्र बिजली आपूर्ति का उपयोग करना चाहता था जिसकी मुझे वोल्टेज को 5V तक विनियमित करने की आवश्यकता थी क्योंकि यह SN7483A IC के लिए अधिकतम इनपुट है। इसे पूरा करने के लिए मुझे 5V रेगुलेटर और एक स्विच की आवश्यकता थी जो 12V और 5V के बीच टॉगल कर सके। ऊपर दिए गए योजनाबद्ध से पता चलता है कि मैंने पावर सर्किट को एक साथ कैसे तार-तार किया।

चरण 8: आधार को 3डी प्रिंट करना

अब जब सभी वायरिंग और सोल्डरिंग पूरी हो गई है, तो मुझे यह पता लगाने की जरूरत है कि यह सब एक साथ कैसे होने वाला है। मैंने CADing और 3D प्रिंटिंग को एक ऐसा डिज़ाइन चुना जो इस परियोजना के सभी हिस्सों को समायोजित और प्रदर्शित करेगा।

डिजाइन संबंधी विचार मुझे पीसीबी को बोल्ट और गतिरोध के साथ माउंट करने के लिए स्थानों की आवश्यकता थी। स्टैक्ड एडर्स सबसे अधिक आकर्षक हैं और मैं चाहता था कि जब उपयोग में न हों तो मैं उन्हें डिस्प्ले पर रखना चाहता था इसलिए मुझे आईसी पीसीबी को स्टोर करने के लिए जगह चाहिए थी। मुझे स्विच और डीसी बैरल जैक/कनेक्टर के लिए कटआउट के साथ पावर सर्किट को समायोजित करने की आवश्यकता थी। अंत में, मैं चाहता था कि खुले पीसीबी में धूल जमा होने से रोकने के लिए किसी प्रकार का संलग्नक डिस्प्ले केस हो, इसलिए मुझे बाड़े के बैठने के लिए जगह चाहिए।

3डी मॉडलिंगमैंने बेस डिजाइन करने के लिए Fusion360 का उपयोग किया। मैंने पीसीबी के आयामों और बढ़ते छेदों के अंतर से शुरुआत की। उसके बाद मैंने पीसीबी माउंटिंग पॉइंट्स के साथ बेस की ऊंचाई और आकार निर्धारित करने के लिए स्केच और एक्सट्रूज़न की एक श्रृंखला का उपयोग किया। आगे मैंने बाड़े, और पावर सर्किट के लिए कटआउट बनाए। फिर, मैंने उपयोग में नहीं होने पर IC PCB को स्टोर करने के लिए एक क्षेत्र बनाया। अंत में मैंने कुछ परिष्कृत किनारे विवरण जोड़े और इसे मेरे स्लाइसिंग सॉफ़्टवेयर क्यूरा को भेज दिया।

छपाईमैंने काले पीएलए फिलामेंट को चुना। प्रिंट में 6 घंटे से थोड़ा अधिक समय लगा और यह बहुत अच्छा निकला। हैरानी की बात यह है कि सभी आयाम सही थे और सब कुछ ऐसा लग रहा था जैसे यह एक साथ ठीक से फिट होगा। बढ़ते छेद में गतिरोध को जोड़ने के बाद ऊपर दी गई तस्वीर प्रिंट दिखाती है। वे एकदम फिट थे!

चरण 9: विधानसभा

गतिरोध डालें। मैंने सभी गतिरोधों को आधार के बढ़ते छेद में रखा।

पावर सर्किट को बेस में रखें। मैंने सब कुछ एक साथ तार कर दिया था और स्विच के लिए छेद के माध्यम से सभी घटकों को खींच लिया था। इसके बाद, मैंने पावर जैक/एडाप्टर को आधार के पिछले हिस्से में डाला। मैंने 5V रेगुलेटर को उसके स्लॉट में धकेल दिया और अंत में स्विच को स्थिति में फिट करने में सक्षम हो गया।

I/O PCB को माउंट करें। मैंने IC PCB को इसके स्टोरेज स्पेस में रखा और I/O इंटरफेस PCB को ऊपर रखा। मैंने 4x M3 बोल्ट और एक हेक्स ड्राइवर का उपयोग करके पीसीबी को खराब कर दिया। अंत में मैंने डीसी बैरल जैक को पीसीबी में प्लग किया।

योजक पीसीबी को ढेर करें। मैंने पहले योजक को जगह में रखा। मैंने पीसीबी के पिछले हिस्से को 2 स्टैंडऑफ़ के साथ बैक माउंटिंग होल में खराब कर दिया। मैंने इस प्रक्रिया को तब तक दोहराया जब तक कि अंतिम योजक नहीं था और इसे 2 और M3 बोल्ट के साथ सुरक्षित कर दिया।

बाड़ा बनाओ। मैंने बाड़े के लिए 1/4 ऐक्रेलिक का उपयोग किया। मैंने परियोजना की अंतिम ऊंचाई को मापा और, सीएडी आयामों के साथ, एक खुले तल के साथ एक साधारण बॉक्स बनाने के लिए पक्षों और शीर्ष के लिए 5 टुकड़े काट दिए। मैंने एपॉक्सी का उपयोग गोंद के लिए किया टुकड़े एक साथ। अंत में मैंने स्विच को समायोजित करने के लिए दाईं ओर एक छोटा आधा सर्कल कटआउट रेत दिया।

गणना के लिए तैयार

चरण 10: गणना और तुलना

अपने नए कैलकुलेटर में प्लग इन करें और जोड़ना शुरू करें! आधार 10 से आधार 2 चार्ट का उपयोग बाइनरी और पूर्णांकों के बीच शीघ्रता से परिवर्तित करने के लिए किया जा सकता है। मैं इनपुट सेट करना पसंद करता हूं, फिर पावर स्विच को फ़्लिप करके और एल ई डी से बाइनरी आउटपुट को देखकर "बराबर" हिट करता हूं।

असतत घटकों की एक एकीकृत परिपथ से तुलना करना। अब, आप पूर्ण एडर्स को अनस्टैक कर सकते हैं और SN7483A IC को I/O बोर्ड में प्लग कर सकते हैं। (12V के बजाय 5V के साथ IC को पावर देने के लिए स्विच को विपरीत दिशा में फ्लिप करना न भूलें)। आप वही गणना कर सकते हैं और आपको वही परिणाम मिलेंगे। यह सोचने के लिए बहुत प्रभावशाली है कि असतत घटक योजक और आईसी दोनों एक ही तरह से एक बहुत ही अलग आकार के पैमाने पर कार्य करते हैं। चित्र सर्किट के लिए समान इनपुट और आउटपुट दिखाते हैं।

चरण 11: निष्कर्ष

मुझे आशा है कि आपने इस परियोजना का आनंद लिया और जितना मैंने किया उतना सीखा। कुछ नया सीखना और इसे एक अनूठी परियोजना में बदलना बहुत संतोषजनक है जो पीसीबी डिजाइन / निर्माण जैसे नए कौशल को भी सीखता है। सभी योजनाबद्ध नीचे सूचीबद्ध हैं। रुचि रखने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए मैं अपनी पीसीबी गेरबर फाइलों को भी लिंक कर सकता हूं ताकि आप अपना 4-बिट बाइनरी कैलकुलेटर बना सकें। हैप्पी मेकिंग!