Budowaniu obwodów cyfrowych-Obwody cyfrowe lub elektronika cyfrowa to elektronika, która wykorzystuje sygnały cyfrowe. Różnią się od obwodów analogowych tym, że obwody analogowe działają na sygnałach analogowych, których działanie w znacznie większym stopniu zależy od tłumienia sygnałów, tolerancji wykonania i szumów. Zazwyczaj projektanci używają dużych zespołów bramek logicznych w układach scalonych do tworzenia obwodów cyfrowych.
W tym przyjaznym przewodniku pozwolimy Ci dowiedzieć się wszystkiego o obwodach cyfrowych. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej.
Krótka historia obwodów cyfrowych
W 1705 roku Gottfried Wilhelm Leibniz udoskonalił system liczb binarnych. Leibniz ustalił, że używając systemu binarnego, można było połączyć zasady arytmetyki i logiki. W połowie XIX wieku George Boole wymyślił filozofię cyfrową, jaką znamy dzisiaj. Później, w 1886 roku, Charles Sanders Peirce wyjaśnił, jak naukowcy mogą przeprowadzać operacje logiczne poprzez przełączanie elektrycznych obwodów przełączających. Następnie, zamiast przekaźników do operacji logicznych, projektanci zaczęli używać lamp próżniowych.
Wraz z rozwojem komputerów cyfrowych po II wojnie światowej obliczenia numeryczne zastąpiły analogowe. Wkrótce elementy układów czysto elektronicznych zastąpiły swoje mechaniczne i elektromechaniczne odpowiedniki.
W 1959 roku Mohamed Atalla i Dawon Kahng wynaleźli tranzystor MOSFET, który radykalnie zrewolucjonizował przemysł elektroniczny. Od końca XX wieku tranzystor MOSFET odgrywał integralną rolę w budowie układów cyfrowych. Obecnie jest to najpopularniejsze na świecie urządzenie półprzewodnikowe.
Początkowo każdy układ scalony posiadał tylko kilka tranzystorów. Wraz z postępem technologicznym możliwe stało się umieszczenie milionów tranzystorów MOSFET w jednym układzie scalonym. Dziś projektanci mogą umieszczać miliardy tranzystorów MOSFET w jednym układzie scalonym. Jest to dowód na to, jak dalece układy cyfrowe poszły do przodu od swoich początków.
2. Budowaniu obwodów cyfrowych-Właściwości obwodów cyfrowych
Jednym z największych powodów, dla których obwody cyfrowe są bardzo dostępne, jak wspomnieliśmy wcześniej, jest to, że łatwo jest je reprezentować cyfrowo bez szumów degradujących je. Na przykład, o ile dźwięk odbierany podczas transmisji nie jest wystarczający, by uniemożliwić identyfikację trasy, kolejne sygnały dźwiękowe można bezbłędnie zrekonstruować w kolejności 1 s i 0 s.
Aby uzyskać dokładniejszą reprezentację w systemie cyfrowym, można reprezentować sygnał za pomocą większej liczby cyfr binarnych. Oczywiście wymaga to większej liczby obwodów cyfrowych, ale ponieważ ten sam rodzaj sprzętu obsługuje każdą cyfrę, system jest łatwo skalowalny. Inaczej jest z systemem analogowym, który wymaga fundamentalnej poprawy charakterystyki szumowej i liniowości, aby uzyskać nową rozdzielczość.
Tam, gdzie używa się systemów cyfrowych sterowanych komputerowo, możliwe jest dodanie wielu innych funkcji przy użyciu rewizji oprogramowania. Innymi słowy, nie potrzebujesz żadnych zmian sprzętowych. Co więcej, możesz wprowadzić ulepszenia w swoim systemie cyfrowym poza fabryką, po prostu aktualizując oprogramowanie.
Inną właściwością obwodów cyfrowych jest to, że umożliwiają bardziej dostępne przechowywanie informacji. Dzieje się tak, ponieważ systemy cyfrowe są odporne na zakłócenia i mogą przechowywać i pobierać dane bez pogorszenia wydajności.
Wiele najnowszych systemów cyfrowych zazwyczaj przekształca ciągłe systemy analogowe na sygnały cyfrowe. Może to powodować błędy kwantyzacji. Aby te błędy były minimalne, upewnij się, że system cyfrowy może przechowywać odpowiednie dane cyfrowe, aby przedstawić sygnał w pożądanym stopniu wierności.
3. Budowaniu obwodów cyfrowych-Budowa obwodów cyfrowych
Inżynierowie wykorzystują różne sposoby konstruowania bramek logicznych. Zbadamy niektóre z nich poniżej.
3.1 Konstrukcja przy użyciu bramek logicznych
Producenci obwodów cyfrowych zwykle używają małych obwodów elektronicznych znanych jako bramki logiczne do tworzenia kursów cyfrowych. Dzięki tym bramkom logicznym możliwe jest tworzenie logiki kombinacyjnej. Każda bramka logiczna działa na sygnały logiczne, aby wykonać funkcję logiki logicznej. Generalnie projektanci używają przełączników sterowanych elektronicznie do tworzenia bramek logicznych. Zazwyczaj te przełączniki są tranzystorami. Zawory termoelektryczne mogą również pomóc w wykonaniu tej samej pracy. Wyjście z jednej bramki logicznej może zasilać inne bramki logiczne lub nimi sterować.
3.2 Budowaniu obwodów cyfrowych-Konstruowanie przy użyciu tablic przeglądowych
Drugi typ obwodów cyfrowych ma konstrukcję z tabel przeglądowych. Zazwyczaj tablice przeglądowe pełnią podobne funkcje jak obwody cyfrowe oparte na bramkach logicznych. Istotną zaletą kanałów cyfrowych opartych na tablicach przeglądowych jest to, że projektanci mogą je łatwo przeprogramować bez wprowadzania zmian w okablowaniu. Innymi słowy, łatwo jest naprawić błędy projektowe bez konieczności zmiany układu przewodów. W przypadku produktów o małej objętości projektanci wolą zatem programowalne urządzenia logiczne od innych rodzajów obwodów cyfrowych. Projektując te programowalne urządzenia logiczne, inżynierowie zazwyczaj używają oprogramowania do automatyzacji projektowania.
3.3 Układy scalone
Konstruując układy scalone, inżynierowie wykorzystują wiele tranzystorów na jednym chipie krzemowym. Jest to najtańszy sposób na stworzenie dużej liczby połączonych ze sobą bramek logicznych. Zwykle projektanci łączą układy scalone na płytce drukowanej (PCB), która jest płytą zawierającą różne komponenty elektryczne i łączącą je z miedzianymi ścieżkami.
4. Budowaniu obwodów cyfrowych-Projektowanie obwodów cyfrowych
Projektując obwody cyfrowe, inżynierowie stosują różne sposoby zmniejszania nadmiarowości logicznej, dzięki czemu złożoność obwodu jest minimalna. Ale dlaczego utrzymanie niskiej złożoności obwodu jest niezbędne? Cóż, minimalna złożoność zmniejsza liczbę komponentów i zapobiega potencjalnym błędom, co z kolei obniża koszty. Niektóre z najczęstszych technik zmniejszania nadmiarowości logicznej obejmują algebra Boole'a, binarne diagramy decyzyjne, algorytm Quine'a-McCluskeya, mapy Karnaugha i heurystyczną metodę komputerową. Inżynierowie oprogramowania zazwyczaj używają heurystycznych metod komputerowych do wykonywania tych operacji.
4.1 Budowaniu obwodów cyfrowych-Reprezentacja
Reprezentacja jest istotną częścią projektowania obwodów cyfrowych. Klasyczni inżynierowie reprezentują obwody cyfrowe, używając równoważnego zestawu bramek logicznych, w których projektanci używają innego kształtu do reprezentowania każdego symbolu logicznego. Inżynierowie mogą również skonstruować równoważny system przełączników elektronicznych do reprezentowania obwodów cyfrowych. Reprezentacje zwykle mają formaty plików numerycznych do automatycznej analizy.
4.1.1 Kombinowane a sekwencyjne
Przy wyborze obrazów projektanci zazwyczaj biorą pod uwagę różne typy systemów cyfrowych. Dwie popularne grupy układów cyfrowych to układy kombinacyjne i układy sekwencyjne. Układy kombinacyjne przedstawiają te same wyjścia dla tych samych wejść. Z kolei układy sekwencyjne to układy kombinacyjne, w których niektóre wyjścia są sprzężone jako wejścia.
Istnieją dwie dalsze podkategorie systemów sekwencyjnych: synchroniczne systemy sekwencyjne, które zmieniają stan jednocześnie oraz asynchroniczne systemy sekwencyjne, które zmieniają się za każdym razem, gdy zmieniają się wejścia.
4.1.2 Budowaniu obwodów cyfrowych-Budowa komputera
Komputer jest najzwyklejszym urządzeniem logicznym ogólnego przeznaczenia typu rejestr-przeniesienie. Maszyną jest automatyczne liczydło binarne. Mikrosekwencer uruchamia jednostkę sterującą siecią, która sama jest mikroprogramem. Zdecydowana większość komputerów jest synchroniczna, choć na rynku pojawiły się również komputery asynchroniczne.
4.2 Budowaniu obwodów cyfrowych-Problemy projektowe w obwodach cyfrowych
Ponieważ inżynierowie używają komponentów analogowych w cyfrowych obwodach elektronicznych, analogowa natura takich komponentów może zakłócać pożądane zachowanie cyfrowe. Projektowanie kanałów cyfrowych wymaga zatem zarządzania takimi tematami jak marginesy czasowe, szum, pojemność i pasożytnicze indukcyjności.
4.3 Narzędzia do projektowania obwodów cyfrowych
Przez lata inżynierowie zaprojektowali duże maszyny logiczne, które mają na celu zminimalizowanie kosztownego wysiłku inżynierskiego. Obecnie istnieją programy komputerowe znane jako narzędzia do automatyzacji projektowania elektronicznego (EDA), które istnieją w tym celu. Na przykład, istnieje oprogramowanie manufacturability, które stanowi doskonałą pomoc dla projektantów układów cyfrowych.
4.4 Budowaniu obwodów cyfrowych-Testowanie obwodu logicznego
Głównym powodem, dla którego inżynierowie testują układy logiczne jest sprawdzenie, czy projekt spełnia specyfikacje czasowe i funkcjonalne. Kluczowe jest zbadanie każdej kopii kanału cyfrowego, aby upewnić się, że proces produkcji nie wprowadził wad.
5. Rozważania dotyczące projektowania obwodów cyfrowych
Postęp w projektowaniu układów cyfrowych był powolny, ale stały. Prześledzimy tę drogę przyglądając się różnym rodzinom układów logicznych poniżej.
5.1 Przekaźniki
Pierwszy projekt kanałów cyfrowych zawierał logikę przekaźnikową. Ten projekt był niezawodny i niedrogi. Jednak był powolny i zdarzały się sporadyczne awarie mechaniczne. Zazwyczaj było dziesięć fanoutów, które łukowały się na stykach.
5.2 Budowaniu obwodów cyfrowych-Próżnie
Logika podciśnieniowa pojawiła się zaraz po logice przekaźnikowej. Główną zaletą próżni było to, że były szybkie. Jednakże, próżnie generowały dużo ciepła, a żarniki często się przepalały. Rozwój lamp komputerowych w latach 50-tych był znacznym ulepszeniem próżni, ponieważ te lampy komputerowe mogły pracować przez setki tysięcy godzin.
5.3 Logika rezystorowo-tranzystorowa
Była to pierwsza półprzewodnikowa rodzina układów logicznych. Logika rezystorowo-tranzystorowa była tysiące razy bardziej niezawodna niż lampy. Zużywał znacznie mniej energii i był chłodniejszy. Jednak jego fan-out był bardzo niski: 3 w sumie. Późniejsze tranzystory diodowe zwiększyły fan-out do 7 i jeszcze bardziej zmniejszyły moc.
5.4 Budowaniu obwodów cyfrowych-Logika tranzystorowa
Znacząco ulepszona w stosunku do poprzednich logik, logika tranzystorowo-tranzystorowa miała fan-out na poziomie 10. Później fan-out wzrósł do 20. Logika ta była również niezwykle szybka. Logika ta jest nadal używana w specyficznych projektach układów cyfrowych.
5.5 Logika sprzężona z emiterem
Model emiter-coupled jest niewiarygodnie szybki. Jednak ta logika zużywa dużo energii. Wysokowydajne komputery ze średnimi komponentami szeroko wykorzystują tę logikę.
5.6 Budowaniu obwodów cyfrowych-Logika CMOS
Logika CMOS jest zdecydowanie najbardziej popularną logiką w układach scalonych w dzisiejszych czasach. Logika ta jest szybka, zapewnia dużą gęstość obwodu i niskie zużycie energii na bramkę logiczną. Nawet duże szybkie komputery wykorzystują tę logikę.
Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie układów cyfrowych
Naukowcy w dziedzinie układów cyfrowych poczynili ostatnio znaczne postępy. Poniżej kilka przykładów:
6.1 Zastosowanie memrystorów
Na przykład w 2009 roku badacze odkryli, że memrystory mogą pomóc w implementacji boolowskiego przechowywania stanów. Dzięki temu powstała kompletna rodzina układów logicznych, która charakteryzuje się niewielką ilością mocy i miejsca przy wykorzystaniu prostych procesów CMOS.
6.2 Budowaniu obwodów cyfrowych-Odkrycie RSFQ
Naukowcy odkryli również nadprzewodnictwo. Odkrycie to umożliwiło inżynierom opracowanie technologii układów o szybkim pojedynczym strumieniu kwantowym (RSFQ), w których zamiast tranzystorów wykorzystuje się złącza Josephsona. Inżynierowie ostatnio próbują skonstruować czysto optyczne układy obliczeniowe, które mogą przetwarzać informacje cyfrowe za pomocą nieliniowych elementów wizualnych.
Podsumowanie
Obwody cyfrowe stanowią centrum dzisiejszej elektroniki cyfrowej i przetwarzania komputerowego. Dzięki małej podatności na zakłócenia i degradację jakości, obwody te są znacznie bardziej preferowane niż obwody analogowe. A dzięki inżynierom i badaczom poświęcającym się postępowi w dziedzinie kanałów cyfrowych, konstrukcja i wydajność tych urządzeń będzie tylko lepsza.
Czy szukasz obwodów cyfrowych, które doskonale spełnią Twoje unikalne potrzeby? W WellPCB poświęcamy się dostarczaniu najwyższej jakości rozwiązań w zakresie obwodów cyfrowych naszym klientom na całym świecie. Odwiedź naszą stronę internetową już dziś, aby dowiedzieć się więcej o naszych usługach.