Какво е цифрова схема: дизайн и нейните приложения

Цифровите схеми или цифровата електроника е клон на електрониката, който се занимава с цифрови сигнали, за да изпълнява различните задачи, за да отговори на различни изисквания. Входният сигнал, приложен към тези вериги, е от цифрова форма, която е представена в двоичен език на 0 и 1. Тези вериги са проектирани чрез използване логически порти като И, ИЛИ, НЕ, NANAD, NOR, XOR порти, които изпълняват логически операции. Това представяне помага на веригата да превключва от едно състояние в друго, за да осигури прецизен изход. Системите с цифрови схеми са предназначени главно за преодоляване на недостатъка на аналоговите системи, които са по-бавни и получените изходни данни могат да съдържат грешка.

Какво е цифрова схема?

Определение : Цифровата верига е проектирана чрез използване на множество логически порти на един интегрална схема - ИНТЕГРАЛНА СХЕМА. Входът към която и да е цифрова схема е в двоична форма „0“ и „1“. Резултатът, получен при обработката на сурови цифрови данни, е с точна стойност. Тези схеми могат да бъдат представени по 2 начина или по комбинационен начин, или по последователен начин.

Основи на цифровите схеми

Дигиталният дизайн на схемата е стартиран за първи път с дизайн на релета, по-късно вакуумни тръби, TTL транзистор-транзисторна логика , Емитерно свързана логика и CMOS логика. Тези конструкции използват голям брой логически порти като И, ИЛИ, НЕ и т.н., интегрирани в една интегрална схема. Входът и изходът на цифрови данни са представени в таблица на логическата истина и времева диаграма.

Логическо ниво

Цифровите данни са представени в логически формат, който е във формат „0“ и „1“. Където логика 0 представлява, че сигналът е нисък или „GND“, а логика1 представлява сигналът е висок или е свързан към захранване „VCC“, както е показано по-долу

Логическо ниво

Логическа таблица на истината

Логическата таблица на истината е математическо представяне на производителността на цифровия сигнал при преминаване през цифровата верига. Таблицата се състои от 3 колони, те са часовниковата колона, входната колона и изходната колона. Например логическата таблица NOT gate е представена по следния начин

Диаграма на времето

Поведението на цифровия сигнал е представено във формат на времева област, например, ако вземем под внимание НЕ логическата таблица на истината, времевата диаграма се представя, както следва, когато часовникът е висок, входът е нисък, а изходът е висок. По същия начин, когато входът е висок, тогава изходът отива ниско.

Диаграма на времето

Порти

Логическата порта е електронен компонент, който се реализира с помощта на булева функция. Портовете обикновено се изпълняват с помощта на диоди, транзистори и релета. Съществуват различни видове логически порти, И, ИЛИ, НЕ, NANAD, НИ, XOR. Сред които И, ИЛИ, НЕ са основните порти, а NAND и NOR са универсалните порти. Нека разгледаме представянето на AND и по-долу, което има 2 входа и един изход.

И порта

Таблицата на истината на И порта

Диаграма на времето на И порта

Има много начини за конструиране на цифрова схема, която или използва логически портали чрез създаване на комбинационна логика, последователна логическа схема, или чрез програмируемо логическо устройство, което използва справочни таблици, или чрез използване на комбинация от много интегрални схеми и т.н. Обикновено те са проектирани с използване на комбинационен и последователен формат на веригата, както е показано по-долу

Комбинационна логическа схема

Това е комбинация от различни логически порти като И, ИЛИ, НЕ. Дизайнът на комбинационната логика е направен по такъв начин, че изходът зависи от настоящия вход и логиката е независима от времето. Комбинационни логически схеми са класифицирани в 3 вида, те са

Комбинационна логическа схема

• Аритметични и логически функции: Суматори, Извадители , Компаратори , PLD
• Предаване на данни: Мултиплексори, Демултиплексори , Енкодери, Декодери
• Преобразуватели на код: Двоична , BCD , 7-сегментен.

Последователна схема

Дизайнът на последователна верига се различава от комбинационната верига. В последователна схема изходната логика зависи както от настоящите, така и от миналите входни стойности. Състои се също от елемент на паметта, който съхранява обработката и обработените данни. Последователните вериги са класифицирани в 2 типа,

• Синхронен кръг
• Асинхронен кръг

Някои от примерите за последователни вериги са тригери, часовници , броячи и т.н.

Диаграма на последователната верига

Дизайн на цифрова верига

Цифровите схеми могат да бъдат проектирани по следните начини

• Използване на последователно системно представяне и комбинирано системно представяне
• Използване на математическите методи чрез намаляване на логически алгоритми на излишък като K-Map , Булева алгебра , QM алгоритъм, двоични диаграми за решения и др.
• Използване на машини за поток от данни, които се състоят от регистри и автобуси или тел. Данните се предават между различни компоненти с помощта на шини и регистри. Тези машини са проектирани с помощта на езици за описание на хардуера като VHDL или Verilog .
• Компютърът е машина за логическа трансферна регистрация с общо предназначение, проектирана с помощта на микропрограма и микросеквенсор процесор.

Проблеми с дизайна на цифрови схеми

Тъй като цифровите схеми са изградени с аналогови компоненти като резистори, релета, транзистори, диоди, джапанки и др. Необходимо е да се отбележи, че тези компоненти не оказват влияние върху поведението на сигнала или данните по време на работа на цифровата верига. Следват проблемите с дизайна, които обикновено се наблюдават,

• Проблеми като бъгове могат да възникнат поради неподходящ дизайн на системата
• Неправилната синхронизация на различен тактов сигнал води до метастабилност във веригата
• Цифровите схеми изчисляват по-многократно поради високата устойчивост на шум.

Примери за цифрова верига

Следват примерите за цифрови схеми

• Мобилни телефони
• Радиостанции
• Калкулатори и др.

Предимства

Следват предимствата

• Точността и програмируемостта са високи
• Лесно запазване на цифрови данни
• Имунен към шум
• Много цифрови схеми могат да бъдат интегрирани на една интегрална схема
• Силно гъвкав
• Висока надеждност
• Висока скорост на предаване
• Силно защитен.

Недостатъци

По-долу са посочени недостатъците

• Те работят само с цифрови сигнали
• Консумира повече енергия от аналоговите схеми
• Разсейването на топлината е повече
• Висока цена.

Приложения

Следват приложенията

• ADC - Аналогово-цифров преобразувател
• ЦАП - цифрово-аналогов преобразувател
• Генератор на сигнали
• CRO
• ДА СЕ Смарт карта и т.н.

Често задавани въпроси

1). За какво се използват цифровите схеми?

Цифровите схеми се използват за извършване на логически логически операции.

2). Как работи цифровата верига?

Цифровата верига работи с дискретни сигнали, които са представени в двоична форма на 0 и 1.

3). Кои са основните компоненти на цифровата верига?

Основните компоненти на цифровите схеми са джапанки, диоди, транзистори, порти и др.

4). От какво е направена схема?

Електронната схема се състои от множество пасивни и активни компоненти, които са свързани с проводящи проводници.

5). Назовете няколко примера за активни и пасивни компоненти?

• Примери за активни компоненти са диоди, IC, триодни вакуумни тръби и др.
• Примери за пасивни компоненти са резистор, кондензатор, индуктор, трансформатор и др.

6). Защо използваме резистор във вериги?

Използваме резистор във веригата, за да контролираме текущия поток.

Електронната схема се състои от множество пасивни и активни компоненти, които са свързани с проводящи проводници. Те са двама видове вериги те са аналогова схема и цифрова схема. Входът към аналогова схема е непрекъснат променлив сигнал, който предоставя информация за сигнала като ток, напрежение и др. Входният сигнал на цифровата верига е в дискретен формат на времева област, който е представен в „0“ и „1“. Той осигурява силата на сигналите, съотношението на шума, затихването и др. Свойства на цифровия сигнал. Основното предимство на използването на цифрови схеми е, че те са лесни за изпълнение и разбиране.