Τι είναι το ψηφιακό κύκλωμα: Σχεδιασμός και εφαρμογές του

Τα ψηφιακά κυκλώματα ή τα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι ένας κλάδος των ηλεκτρονικών που ασχολείται με ψηφιακά σήματα για την εκτέλεση των διαφόρων εργασιών για την κάλυψη διαφόρων απαιτήσεων. Το σήμα εισόδου που εφαρμόζεται σε αυτά τα κυκλώματα είναι σε ψηφιακή μορφή, το οποίο αντιπροσωπεύεται σε μορφή δυαδικής γλώσσας 0 και 1. Αυτά τα κυκλώματα σχεδιάζονται χρησιμοποιώντας λογικές πύλες όπως AND, OR, NOT, NANAD, NOR, XOR πύλες που εκτελούν λογικές λειτουργίες. Αυτή η αναπαράσταση βοηθά το κύκλωμα να αλλάξει από τη μία κατάσταση στην άλλη για να παρέχει ακριβή έξοδο. Τα συστήματα ψηφιακών κυκλωμάτων έχουν σχεδιαστεί κυρίως για να ξεπεράσουν το μειονέκτημα των αναλογικών συστημάτων που είναι πιο αργά και τα δεδομένα εξόδου που λαμβάνονται μπορεί να περιέχουν σφάλμα.

Τι είναι ένα ψηφιακό κύκλωμα;

Ορισμός : Ένα ψηφιακό κύκλωμα έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας έναν αριθμό λογικών πυλών σε ένα μόνο ενσωματωμένο κύκλωμα - IC. Η είσοδος σε οποιοδήποτε ψηφιακό κύκλωμα είναι στη δυαδική μορφή '0' και '1'. Η έξοδος που λαμβάνεται κατά την επεξεργασία ακατέργαστων ψηφιακών δεδομένων έχει ακριβή τιμή. Αυτά τα κυκλώματα μπορούν να αναπαρασταθούν με 2 τρόπους είτε με συνδυασμό είτε με διαδοχικό τρόπο.

Βασικά ψηφιακά κυκλώματα

Ο σχεδιασμός του ψηφιακού κυκλώματος ξεκίνησε για πρώτη φορά με ένα σχέδιο του ρελέ, αργότερα σωλήνες κενού, Λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ TTL , Λογική συνδεδεμένη με Emitter και Λογική CMOS. Αυτά τα σχέδια χρησιμοποιούν μεγάλο αριθμό λογικών πυλών όπως AND, OR, NOT, κλπ ενσωματωμένα σε ένα μόνο IC. Η είσοδος και η έξοδος των ψηφιακών δεδομένων παρουσιάζονται στο πίνακας λογικής αλήθειας και διάγραμμα χρονισμού.

Λογικό επίπεδο

Τα ψηφιακά δεδομένα παρουσιάζονται σε λογική μορφή, δηλαδή σε μορφή '0' και '1'. Όπου η λογική 0 αντιπροσωπεύει ότι το σήμα είναι χαμηλό ή 'GND' και η λογική 1 αντιπροσωπεύει το σήμα είναι υψηλό ή συνδεδεμένο με την τροφοδοσία 'VCC' όπως φαίνεται παρακάτω

Λογικό επίπεδο

Πίνακας λογικής αλήθειας

Ένας πίνακας λογικής αλήθειας είναι μια μαθηματική αναπαράσταση της απόδοσης του ψηφιακού σήματος όταν διέρχεται μέσω του ψηφιακού κυκλώματος. Ο πίνακας αποτελείται από 3 στήλες που είναι η στήλη ρολογιού, η στήλη εισαγωγής και η στήλη εξόδου. Για παράδειγμα, ο πίνακας ΔΕΝ πύλης λογικής παρουσιάζεται ως εξής

Διάγραμμα χρονισμού

Η συμπεριφορά του ψηφιακού σήματος αντιπροσωπεύεται σε μορφή τομέα χρόνου, για παράδειγμα, εάν θεωρήσουμε ΔΕΝ τον πίνακα αλήθειας λογικής πύλης, το διάγραμμα χρονισμού παρουσιάζεται ως εξής όταν το ρολόι είναι υψηλό, η είσοδος είναι χαμηλή και η έξοδος πηγαίνει υψηλή. Ομοίως, όταν η είσοδος είναι υψηλή τότε η έξοδος πηγαίνει χαμηλή.

Διάγραμμα χρονισμού

Γκέιτς

Η πύλη λογικής είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο που εφαρμόζεται χρησιμοποιώντας μια συνάρτηση Boolean. Οι πύλες συνήθως εφαρμόζονται χρησιμοποιώντας διόδους, τρανζίστορ και ρελέ. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι λογικών πυλών που είναι, ΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ, NANAD, NOR, XOR. Μεταξύ των οποίων AND, OR, NOT είναι βασικές πύλες και NAND και NOR είναι η καθολική πύλη. Ας εξετάσουμε την αναπαράσταση πύλης AND όπως παρακάτω, η οποία έχει 2 εισόδους και μία έξοδο.

ΚΑΙ Πύλη

Ο πίνακας αλήθειας της πύλης AND

Διάγραμμα χρονισμού της πύλης AND

Υπάρχουν πολλοί τρόποι για την κατασκευή ενός ψηφιακού κυκλώματος που είτε χρησιμοποιεί λογικές πύλες δημιουργώντας συνδυαστική λογική, ένα διαδοχικό λογικό κύκλωμα ή από μια προγραμματιζόμενη λογική συσκευή που χρησιμοποιεί πίνακες αναζήτησης ή χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό πολλών IC κ.λπ. Συνήθως, αυτοί έχουν σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας συνδυαστική και διαδοχική μορφή κυκλώματος όπως φαίνεται παρακάτω

Συνδυαστικό λογικό κύκλωμα

Είναι ένας συνδυασμός διαφόρων λογικών πυλών όπως AND, OR, NOT. Ο σχεδιασμός της συνδυαστικής λογικής γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε η έξοδος να εξαρτάται από την παρούσα είσοδο και η λογική να είναι ανεξάρτητη από το χρόνο. Συνδυαστικά λογικά κυκλώματα ταξινομούνται σε 3 τύπους, είναι

Συνδυαστικό λογικό κύκλωμα

• Αριθμητικές και λογικές συναρτήσεις: Πρόσθετα, Αφαιρέτες , Συγκριτές , PLD’s
• Διαβιβάσεις δεδομένων: Πολλαπλοί πολυμερείς, αποπολυπλέκτες , Κωδικοποιητές, Αποκωδικοποιητές
• Μετατροπείς κώδικα: Δυάδικος , BCD , 7-τμήμα.

Διαδοχικό κύκλωμα

Ο σχεδιασμός του διαδοχικό κύκλωμα είναι διαφορετικό από το συνδυαστικό κύκλωμα. Σε ένα διαδοχικό κύκλωμα, η λογική εξόδου εξαρτάται τόσο από τις υπάρχουσες όσο και από τις προηγούμενες τιμές εισόδου. Αποτελείται επίσης από ένα στοιχείο μνήμης που αποθηκεύει την επεξεργασία και την επεξεργασία δεδομένων. Τα διαδοχικά κυκλώματα ταξινομούνται σε 2 τύπους,

• Σύγχρονο κύκλωμα
• Ασύγχρονο κύκλωμα

Μερικά από τα παραδείγματα διαδοχικών κυκλωμάτων είναι σαγιονάρες, ρολόγια , μετρητές , και τα λοιπά.

Διάγραμμα διαδοχικών κυκλωμάτων

Σχεδιασμός ψηφιακών κυκλωμάτων

Τα ψηφιακά κυκλώματα μπορούν να σχεδιαστούν με τους ακόλουθους τρόπους

• Χρησιμοποιώντας διαδοχική αναπαράσταση συστήματος και συνδυαστική αναπαράσταση συστήματος
• Χρησιμοποιώντας τις μαθηματικές μεθόδους μειώνοντας τους λογικούς αλγόριθμους πλεονασμού όπως Κ-χάρτης , Boolean άλγεβρα , Αλγόριθμος QM, διαγράμματα δυαδικών αποφάσεων κ.λπ.
• Χρήση μηχανών ροής δεδομένων που αποτελούνται από καταχωρητές και λεωφορεία ή σύρμα. Τα δεδομένα κοινοποιούνται μεταξύ διαφόρων συνιστωσών χρησιμοποιώντας λεωφορεία και μητρώα. Αυτά τα μηχανήματα έχουν σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας γλώσσες περιγραφής υλικού όπως VHDL ή Verilog .
• Ένας υπολογιστής είναι μια μηχανή λογικής μεταφοράς μητρώου γενικής χρήσης που έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας ένα μικροπρογραμμα και μικροεπεξεργαστή.

Ζητήματα σχεδίασης ψηφιακού κυκλώματος

Δεδομένου ότι τα ψηφιακά κυκλώματα δημιουργούνται με αναλογικά εξαρτήματα όπως αντιστάσεις, ρελέ, τρανζίστορ, διόδους, σαγιονάρες κ.λπ. Είναι απαραίτητο να σημειωθεί ότι αυτά τα στοιχεία δεν επηρεάζουν τη συμπεριφορά του σήματος ή των δεδομένων κατά τη λειτουργία του ψηφιακού κυκλώματος. Τα ακόλουθα είναι θέματα σχεδιασμού που συνήθως παρατηρούνται,

• Προβλήματα όπως δυσλειτουργίες ενδέχεται να προκύψουν λόγω ακατάλληλου σχεδιασμού του συστήματος
• Ο σωστός συγχρονισμός ενός διαφορετικού σήματος ρολογιού οδηγεί σε μεταστασιμότητα στο κύκλωμα
• Τα ψηφιακά κυκλώματα υπολογίζονται επανειλημμένα λόγω της μεγάλης θορύβου.

Παραδείγματα ψηφιακού κυκλώματος

Ακολουθούν τα παραδείγματα ψηφιακών κυκλωμάτων

• Κινητά τηλέφωνα
• Ραδιόφωνα
• Αριθμομηχανές κ.λπ.

Πλεονεκτήματα

Τα ακόλουθα είναι τα πλεονεκτήματα

• Η ακρίβεια και η δυνατότητα προγραμματισμού είναι υψηλή
• Εύκολη αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων
• Ανοσία στον θόρυβο
• Πολλά ψηφιακά κυκλώματα μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα μόνο IC
• Πολύ ευέλικτο
• Υψηλή αξιοπιστία
• Ένας υψηλός ρυθμός μετάδοσης
• Πολύ ασφαλές.

Μειονεκτήματα

Τα ακόλουθα είναι τα μειονεκτήματα

• Λειτουργούν μόνο με ψηφιακά σήματα
• Καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από τα αναλογικά κυκλώματα
• Η απαγωγή θερμότητας είναι περισσότερο
• Υψηλό κόστος.

Εφαρμογές

Τα παρακάτω είναι οι εφαρμογές

• ADC - Αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέα
• DAC - Ψηφιακός σε αναλογικός μετατροπέας
• Γεννήτρια σημάτων
• CRO
• ΠΡΟΣ ΤΗΝ έξυπνη κάρτα , και τα λοιπά.

Συχνές ερωτήσεις

1). Σε τι χρησιμοποιούνται τα ψηφιακά κυκλώματα;

Τα ψηφιακά κυκλώματα χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση λογικών Boolean.

2). Πώς λειτουργεί το ψηφιακό κύκλωμα;

Το ψηφιακό κύκλωμα λειτουργεί με διακριτά σήματα, τα οποία αντιπροσωπεύονται στη δυαδική μορφή των 0 και 1.

3). Ποια είναι τα βασικά στοιχεία του ψηφιακού κυκλώματος;

Τα βασικά στοιχεία των ψηφιακών κυκλωμάτων είναι σαγιονάρες, δίοδοι, τρανζίστορ, Πύλες κ.λπ.

4). Από τι είναι κατασκευασμένο ένα κύκλωμα;

Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αποτελείται από έναν αριθμό παθητικών και ενεργών εξαρτημάτων, τα οποία συνδέονται χρησιμοποιώντας αγώγιμα καλώδια.

5). Αναφέρετε μερικά παραδείγματα ενεργών και παθητικών στοιχείων;

• Παραδείγματα δραστικών συστατικών είναι δίοδοι, IC, σωλήνες κενού τριόδου, κ.λπ.
• Παραδείγματα παθητικών εξαρτημάτων είναι η αντίσταση, ο πυκνωτής, ο επαγωγέας, ο μετασχηματιστής κ.λπ.

6). Γιατί χρησιμοποιούμε μια αντίσταση στα κυκλώματα;

Χρησιμοποιούμε μια αντίσταση στο κύκλωμα για να ελέγξουμε την τρέχουσα ροή.

Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αποτελείται από έναν αριθμό παθητικών και ενεργών εξαρτημάτων, τα οποία συνδέονται χρησιμοποιώντας αγώγιμα καλώδια. Είναι δύο τύποι κυκλωμάτων είναι αναλογικό κύκλωμα και ψηφιακό κύκλωμα. Η είσοδος σε ένα αναλογικό κύκλωμα είναι ένα συνεχές μεταβλητό σήμα, το οποίο παρέχει πληροφορίες σήματος όπως ρεύμα, τάση κ.λπ. Το σήμα εισόδου ψηφιακού κυκλώματος είναι σε διακριτή μορφή τομέα-χρόνου, η οποία αντιπροσωπεύεται στα '0' και '1'. Παρέχει ισχύ σήματος, αναλογία θορύβου, εξασθένηση κ.λπ. ιδιότητες ενός ψηφιακού σήματος. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης ψηφιακών κυκλωμάτων είναι ότι είναι εύκολο να εφαρμοστούν και να κατανοηθούν.