XORゲートとNORゲートによる4ビットコンビネーションロックの設計

XORゲートとNORゲートによる4ビットコンビネーションロックの設計

部品と材料

• 4001クアッドNORゲート（Radio Shackカタログ# 276-2401）
• 4070クアッドXORゲート（Radio Shackカタログ# 900-6906）
• 8ポジションDIPスイッチ2個（Radio Shackカタログ# 275-1301）
• 発光ダイオード2個（Radio Shackカタログ# 276-026または同等品）
• 1N914「スイッチング」ダイオード4個（Radio Shackカタログ# 276-1122）
• 10kΩ抵抗10個
• 470Ω抵抗2個
• プッシュボタンスイッチ、ノーマリオープン（Radio Shackカタログ# 275-1556）
• 6ボルト電池2個

注意： 4001と4070 ICはCMOSであり、静電気に非常に敏感です。慎重に取り扱ってください。

コンセプト概要

この実験は、XORゲートがシンプルな4ビットコンビネーションロックでビットコンパレータとして機能することを実演します。2つのスイッチアセンブリを使用します：一方は秘密コードを保持し、もう一方はユーザーが候補コードを入力します。ロックロジックは2つのコードを比較し、緑色LEDが一致を、赤色LEDが不一致を示します。

実際のアプリケーションでは、キーコードアセンブリは視界から隠され、データ入力アセンブリから物理的に分離されます。教育目的では、単一のブレッドボード上で1つの8ポジションDIPスイッチを2つの4ビット半分に分割して構築できます。

学習目標

• XORゲートをビットコンパレータとして使用する
• ダイオードとプルアップ/ダウン抵抗で基本ゲート機能を構築する
• NORゲートを制御インバータとして実装する

回路図

イラストレーション

手順

この回路は、スイッチを介して入力される2つの4ビット数値の各ビットを比較するために4つのXORゲートを使用します。「Enter」プッシュボタンが押されると、XOR出力がダイオードネットワークを通じてルーティングされ、これが4入力ORゲートとして機能します。いずれかのXOR出力がハイ（不一致を示す）場合、ORネットワークがNORゲートを駆動し、赤色「No go」LEDを点灯させます。すべてのXOR出力がローの場合、NORゲートが緑色「Go」LEDの点灯を許可します。

4ビットコードは16通りの組み合わせしかないため、このロックはシンプルで説明用です。実用的なセキュリティシステムでは、「No go」出力がアラームや抑止手段をトリガーし、総当たり攻撃を防ぎます。

回路構築時は、キーコードアセンブリをユーザーから隠してください。教育現場では、2つの8ポジションDIPスイッチを別々のブレッドボードに配置するか、単一の8ポジションスイッチを2つの4ビット半分に分割できます。

注：XORゲートは、2つの入力が異なる場合のみハイ信号を出力します。ダイオードネットワークは4つのXOR出力を、NORゲートが処理できる単一のロジックレベルに結合します。NORゲートの出力はプッシュボタンによって条件付けられ、ユーザーが明示的に「Enter」を押したときのみLEDが作動します。

実用的なロックでセキュリティを強化するには、繰り返しの不正試行に対するペナルティ（遅延やアラーム音など）を追加し、試行錯誤攻撃を抑止することを検討してください。

関連ワークシート

• CMOSロジックゲートワークシート