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数字逻辑电路

时间:2020-02-13 14:13来源:海猎人

项目15:一切都是这么有逻辑

Make:Electronics中,我对数字逻辑电路做了一点点介绍,但是没有加入更多有挑战的内容,也没有去处理类似复用器或者移位寄存器之类的元器件。这种逻辑芯片现在比起以前用得要少很多了,但是对于所有的计算设备来说,逻辑是最基础的。因此,现在我们要在数字世界里面更加深入一些,去学习它们的工作原理——同时享受其中的乐趣。

15.0 项目15:感应测试

第一个逻辑项目看起来特别简单。大家需要4个按键开关,几个芯片还有一个LED。当我们逐渐深入的时候,就会发现这个其实不是那么简单的。

这个项目表面上的目的是为了测试大家的超感官的知觉,这也常用一个名词ESP来描述。我会将这个电路称为感应测试。

15.0.1 背景知识:超感知觉ESP

很多年来,传统科学边界上的研究者们都在研究人脑的超自然能力。J.B.Rhine是其中的先驱者之一,他在杜克大学工作。他在1934年出版了Extrasen Sory Perception《超感知觉》这本书,然后继续进行严肃的科学研究直到20世纪70年代。他的研究成果遭受到比较大的批评在于其中有好几次,他发现他的研究助手们有欺骗行为。这也许是因为他们这些人都相信超感知觉,不希望有一天项目不成功,导致他们的平均分下降。大家要记住,如果大家来做这个课题:即使别人本意是好的也会在误导他们自己的同时误导你。

15.0.2 项目设置

真正的读心术是不常见到的(如果有的话),因此我们需要采用一个统计学的方法,我们进行几十次甚至是几千次的尝试,然后将正确率和我们预期的随机概率来对比。

我即将描述的这个项目就是基于这个来进行的。两个按键开关放在一个人面前,再将两个按键开关放在第二个人面前。让两个人相对而坐。两人的中间放一个屏幕,这样这两个人都看不见对面人的手。图15-1会给大家展示我所设想内容的顶视图。大家可能不太想来制作整个项目,特别是当你没有一个合适的合作者的时候。但是大家可以凑合一下,至少将这些元器件组装起来看看工作的怎么样。

我将两个测试人员称为AnnabelBoris,因为我喜欢有个性的名字,这样比较容易记住。在某些图里面,我将他们简写为AB

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15-1

AnnahelBoris准备好去测试他们在超感知觉上的能力了

大家会注意到Annabel面前的按钮开关被标记为A0A1,而Boris面前的按钮开关则被标记为B0B1。我们的目的是让他们去感应对方的意图,从而按直接对着的按钮。如果Annabel按下了A0Boris按下了B0,或者他们分别按下了A1B1,那就是成功。相反,如果他们按下了A0B1或者A1B0,那就是失败了。

由于一共有4个可能组合,而且只有两个表示是成功的,那么概率就是5050了。偏离这个结果比较大就表明其中有一个人能通过超能力感知对方的意图了,不然就表明有人在作弊了。我会在稍后处理作弊检测的问题。

15-2展示了与门和或门,看他们是如何用在按键开关上来确定某一个尝试是否成功了。

如果大家已经记不得这些符号和对应的逻辑门的功能的话,我在图15-3和图15-4中展示了六种基本的变化,其中输入输出的高低电平分别用红色和黑色来表示。

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15-2

这些逻辑门会在A0B0同时被按下或者A1B1同时被按下的时候激活一个成功的指示灯(AND代表与门,OR代表或门)

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15-3

输入通常显示在每个逻辑门的上面,而每个逻辑门的输出放在下面。如果两个输出中的每一个都可以有一个高电平或者低电平的状态(在这张图是通过红色和黑色表示),那么总共有4种不同的组合,每一种组合的输出如本图所示(XOR代表异或门)

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15-4

与非门,或非门和同或门的输入输出。红色的线表示高电平的输入或者输出,黑色的线表示低电平的输入或者输出(NAND代表与非门,NOR代表或非门,XNOR代表同或门)

为了快速查找方便,图15-5的左侧栏展示了四种可能的组合,而对应的旁边则为对应的输出。

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15-5

这张快速查找图里面展示了四种可能的输入组合以及对应每种逻辑门会产生的输出

每次我们在电路开发中使用逻辑门符号的时候,都可以用仿真软件来测试并展示其行为。比如http://www.neuroproductions.be/logic-lab/就是一个免费的在线模拟器。大家可能需要先打开我的逻辑图,然后在模拟器里面搭建一个新的项目,因为我倾向于从顶到底来展示逻辑流,而仿真器则是倾向于从左向右。不管是哪种情况,逻辑模拟器只是在开始硬件搭建电路之前的一个中间步骤。

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