4-Bit-Kombinationsschloss mit XOR- & NOR-Gattern entwerfen

4-Bit-Kombinationsschloss mit XOR- & NOR-Gattern entwerfen

Benötigte Bauteile & Materialien

• 4001 Quad-NOR-Gatter (Radio Shack Katalog # 276-2401)
• 4070 Quad-XOR-Gatter (Radio Shack Katalog # 900-6906)
• Zwei achtstellige DIP-Schalter (Radio Shack Katalog # 275-1301)
• Zwei Leuchtdioden (Radio Shack Katalog # 276-026 oder gleichwertig)
• Vier 1N914 „Schalt“-Dioden (Radio Shack Katalog # 276-1122)
• Zehn 10 kΩ Widerstände
• Zwei 470 Ω Widerstände
• Taster, Normalerweise Offen (Radio Shack Katalog # 275-1556)
• Zwei 6-Volt-Batterien

Achtung: Die 4001 und 4070 ICs sind CMOS und hoch empfindlich gegen statische Elektrizität. Vorsichtig handhaben.

Konzeptüberblick

Dieses Experiment demonstriert, wie XOR-Gatter als Bit-Komparatoren in einem einfachen 4-Bit-Kombinationsschloss dienen können. Zwei Schalterbaugruppen werden verwendet: eine hält den geheimen Code, die andere erlaubt dem Benutzer, einen Kandidaten-Code einzugeben. Die Schloslogik vergleicht die beiden Codes; eine grüne LED signalisiert Übereinstimmung, eine rote LED signalisiert Abweichung.

In einer echten Anwendung wäre die Code-Schalterbaugruppe vor Blicken verborgen und physisch von der Dateneingabe-Baugruppe getrennt. Zu Lehrzwecken kann die Schaltung auf einem einzelnen Steckbrett mit einem 8-stelligen DIP-Schalter, aufgeteilt in zwei 4-Bit-Hälften, aufgebaut werden.

Lernziele

• XOR-Gatter als Bit-Komparatoren einsetzen.
• Grundlegende Gatterfunktionen mit Dioden und Pull-up/down-Widerständen aufbauen.
• NOR-Gatter als gesteuerte Inverter implementieren.

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Die Schaltung nutzt vier XOR-Gatter, um jedes Bit zweier 4-Bit-Zahlen zu vergleichen, die über die Schalter eingegeben werden. Wenn der „Enter“-Taster gedrückt wird, werden die XOR-Ausgänge durch ein Diodennetzwerk geleitet, das als 4-Eingangs-ODER-Gatter fungiert. Wenn irgendein XOR-Ausgang High ist – was eine Abweichung anzeigt – treibt das ODER-Netzwerk ein NOR-Gatter an, das die rote „No go“-LED aktiviert. Wenn alle XOR-Ausgänge Low sind, erlaubt das NOR-Gatter der grünen „Go“-LED zu leuchten.

Da ein 4-Bit-Code nur 16 mögliche Kombinationen hat, ist dieses Schloss einfach und illustrativ. In einem praktischen Sicherheitssystem würde der „No go“-Ausgang einen Alarm oder Abschreckungsmechanismus auslösen, um Brute-Force-Versuche zu verhindern.

Beim Aufbau halten Sie die Code-Schalterbaugruppe vor dem Benutzer verborgen. In einem Lehrsetting können die beiden 8-stelligen DIP-Schalter auf separaten Steckbrettern platziert werden, oder ein einzelner 8-stelliger Schalter kann in zwei 4-Bit-Hälften geteilt werden.

Hinweis: Ein XOR-Gatter gibt nur dann ein High-Signal aus, wenn sich seine beiden Eingänge unterscheiden. Das Diodennetzwerk kombiniert die vier XOR-Ausgänge zu einem einzelnen Logikpegel, den das NOR-Gatter verarbeiten kann. Der NOR-Gatter-Ausgang wird durch den Taster bedingt, sodass die LEDs nur aktiviert werden, wenn der Benutzer explizit „Enter“ drückt.

Für erhöhte Sicherheit in einem echten Schloss erwägen Sie, eine Strafe für wiederholte falsche Versuche hinzuzufügen – wie eine Verzögerung oder einen akustischen Alarm – um Trial-and-Error-Angriffe zu erschweren.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• CMOS Logic Gates Worksheet