Проектирование 4-битного кодового замка на элементах XOR и NOR

Проектирование 4-битного кодового замка на элементах XOR и NOR

Детали и материалы

• 4001 — четырехвходовый элемент NOR (каталог Radio Shack # 276-2401)
• 4070 — четырехвходовый элемент XOR (каталог Radio Shack # 900-6906)
• Два восьмипозиционных DIP-переключателя (каталог Radio Shack # 275-1301)
• Два светодиода (каталог Radio Shack # 276-026 или аналогичные)
• Четыре коммутационных диода 1N914 (каталог Radio Shack # 276-1122)
• Десять резисторов 10 кОм
• Два резистора 470 Ом
• Кнопочный переключатель, нормально разомкнутый (каталог Radio Shack # 275-1556)
• Две батареи 6 В

Осторожно: Микросхемы 4001 и 4070 — CMOS и высокочувствительны к статическому электричеству. Обращайтесь с осторожностью.

Обзор концепции

Этот эксперимент демонстрирует, как элементы XOR могут служить битовыми компараторами в простом 4-битовом кодовом замке. Используются две сборки переключателей: одна хранит секретный код, другая позволяет пользователю вводить пробный код. Логика замка сравнивает два кода; зелёный светодиод указывает на совпадение, красный — на несовпадение.

В реальном приложении сборка с ключевым кодом была бы скрыта от глаз и физически отделена от сборки ввода данных. В образовательных целях схему можно собрать на одной макетной плате, используя один 8-позиционный DIP-переключатель, разделённый на две 4-битные половины.

Цели обучения

• Использовать элементы XOR как битовые компараторы.
• Построить базовые функции элементов с диодами и подтягивающими резисторами.
• Реализовать элементы NOR как управляемые инверторы.

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Схема использует четыре элемента XOR для сравнения каждого бита двух 4-битных чисел, вводимых через переключатели. Когда нажимается кнопка «Enter», выходы XOR направляются через диодную сеть, функционирующую как 4-входовый элемент ИЛИ. Если какой-либо выход XOR высокий — указывая на несовпадение — сеть ИЛИ управляет элементом NOR, который включает красный светодиод «No go». Если все выходы XOR низкие, элемент NOR разрешает загоранию зелёного светодиода «Go».

Поскольку 4-битный код имеет всего 16 возможных комбинаций, этот замок прост и иллюстративен. В практической системе безопасности выход «No go» запускал бы сигнализацию или средство устрашения для предотвращения перебора.

При сборке схемы держите сборку с ключевым кодом скрытой от пользователя. В учебной установке два 8-позиционных DIP-переключателя могут быть размещены на отдельных макетных платах, или один 8-позиционный переключатель можно разделить на две 4-битные половины.

Примечание: элемент XOR выдаёт высокий сигнал только когда его два входа различаются. Диодная сеть объединяет четыре выхода XOR в один логический уровень, который может обработать элемент NOR. Выход NOR обусловлен кнопкой, гарантируя, что светодиоды активируются только при явном нажатии «Enter».

Для усиления безопасности в реальном замке рассмотрите добавление штрафа за повторные неверные попытки — например, задержку или звуковую тревогу — чтобы препятствовать атакам методом проб и ошибок.

Связанный рабочий лист

• Рабочий лист по логическим элементам CMOS