Obwody cyfrowe lub elektronika cyfrowa to elektronika używająca sygnałów cyfrowych. Różni się od obwodów analogowych w tym obwodach analogowych działają na sygnałach analogowych, których operacja jest znacznie bardziej podlegająca tłumieniu sygnału, tolerancji wytwarzania i hałasu zwykle, projektanci wykorzystują duże zgromadzenia bram logicznych na układach zintegrowanych, aby obwody cyfrowe.
W tym przyjaznym przewodniku poinformujemy Cię wszystko o obwodach cyfrowych. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej.
Krótka historia obwodów cyfrowych
W 1705 r. Gottfried Wilhelm Leibniz wyrafinował system numeru binarnego. Leibniz ustanowiony, że za pomocą systemu binarnego można dołączyć do zasad arytmetyki i logiki. W połowie XIX wieku George Boole pomyślała filozofię cyfrową, jak wiemy o tym dzisiaj. Później w 1886 r. Charles Sanders Peirce wyjaśnił, jak naukowcy mogli przeprowadzić logiczne operacje, przełączając obwody przełączające elektryczne. Następnie, zamiast przekaźników do operacji logicznych, projektanci zaczęli stosować rury próżniowe.
Wraz z rozwojem komputerów cyfrowych po II wojnie światowej, obliczenia liczbowe wymienione analogiem. Wkrótce, czysto elektroniczne elementy obwodowe przejęły z ich mechanicznych i elektromechanicznych odpowiedników.
W 1959 r. Mohamed Atalla i Dawon Kahng wynalazł tranzystor MOSFET, który dramatycznie zrewolucjonizował przemysł elektroniczny. Od końca XX wieku tranzystor MOSFET odgrywał integralną rolę w budynku obwodów cyfrowych. Obecnie jest to najbardziej popularne urządzenie półprzewodnikowe na całym świecie.
Początkowo każdy zintegrowany chip obwodowy miał tylko kilka tranzystorów. Jako zaawansowane technologie stało się możliwe umieszczenie milionów tranzystorów MOSFET w jednym układzie. Dzisiaj projektanci mogą umieścić miliardy tranzystorów MOSFET w jednym układzie. To dowód, jak daleko obwody cyfrowe postępy od czasu ich wczesnych dni.
2. Właściwości obwodów cyfrowych
Jednym z największych powodów obwodów cyfrowych jest bardzo dostępny, jak wspomniano wcześniej, jest to, że łatwo jest ich reprezentować cyfrowo bez szumu ich degradacji. Na przykład, o ile dźwięk podniesiony podczas transmisji nie jest wystarczający, aby zapobiec zidentyfikowaniu trasy, kolejne sygnały audio można zrekonstruować w kolejności 1 s i 0 s bez błędów.
Aby uzyskać bardziej precyzyjną reprezentację w systemie cyfrowym, możesz reprezentować sygnał za pomocą więcej cyfr binarnych. Oczywiście, że wymaga więcej obwodów cyfrowych, ale od tego samego rodzaju sprzętu obsługuje każdy numer, system jest łatwo skalowalny. Rzeczy są różne z systemem analogowym, który wymaga fundamentalnych ulepszeń w charakterystyce hałasu i liniowości, aby uzyskać nową rozdzielczość.
Jeżeli korzystasz z komputerowych systemów cyfrowych, możliwe jest dodanie wielu kolejnych funkcji za pomocą wersji oprogramowania. Innymi słowy, nie potrzebujesz zmian sprzętowych. Ponadto możesz wprowadzić wszelkie ulepszenia w systemie cyfrowym poza fabryką, poprzez jedynie aktualizowanie oprogramowania.
Kolejną własnością cyfrowych obwodów 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 poniższej wydajności.
Wiele najnowszych systemów cyfrowych zazwyczaj tłumaczą ciągłe systemy analogowe do sygnałów cyfrowych. Może to spowodować błędy ilościowe. Aby utrzymać minimum, upewnij się, że system cyfrowy może przechowywać odpowiednie dane cyfrowe, aby reprezentować sygnał pożądanego stopnia wierności.
3. Budowa obwodów cyfrowych
Inżynierowie używają różnych sposobów konstruowania bram logicznych. Badamy niektóre z nich poniżej.
3.1 Budowa przy użyciu bram logicznych
Producenci obwodów cyfrowych zazwyczaj używają małych obwodów elektronicznych znanych jako bramy logiki do tworzenia kursów cyfrowych. Dzięki tym bramom logistycznym możliwe jest tworzenie logiki kombinacyjnej. Każda brama logika działa na sygnały logiczne, aby wykonać funkcję logiki Boolean. Ogólnie rzecz biorąc, projektanci używają elektronicznie sterowanych przełączników, aby utworzyć bramy logiki. Zazwyczaj przełączniki te są tranzystorami. Zawory termiczne mogą również pomóc w wykonaniu tej samej pracy. Wyjście z jednej bramy logiki może podawać do innych bram logicznych lub kontrolować je.
3.2 Budowa za pomocą tabel wyszukiwania
Drugi typ cyfrowych obwodów zawiera konstrukcję z tabel wyszukiwania. Zazwyczaj tabele wyszukiwania wykonują podobne funkcje, ponieważ obwody cyfrowe oparte na bramach logicznych. Znaczącą korzyścią dla kanałów cyfrowych opartych na tabelach wyszukiwania jest to, że projektanci mogą łatwo przeprogramować je bez wprowadzania żadnych zmian w okablowaniu. Innymi słowy, łatwo naprawić błędy projektowe bez konieczności zmiany układu przewodów. Podczas radzenia sobie z drobnymi produktami, projektanci wolą zatem programowalne urządzenia logiczne do innych rodzajów obwodów cyfrowych. W projektowaniu tych programowalnych urządzeń logicznych inżynierowie zazwyczaj używają oprogramowania do automatyki projektowej.
3.3 Układy zintegrowane.
W konstruowaniu układów zintegrowanych inżynierowie używają wielu tranzystorów na jednym układzie krzemowym. Jest to najbardziej przystępny sposób tworzenia dużej objętości połączonymi bramek logicznych. Zwykle projektanci łączą zintegrowane obwody na płytce drukowanej (PCB), która jest płytą, która posiada różne elementy elektryczne i łączy je ze śladami miedziowymi.
4. Projekt obwodów cyfrowych
W projektowaniu obwodów cyfrowych inżynierowie używają różnych sposobów zmniejszania redundancji logiki, stąd utrzymywanie złożoności obwodu przy minimalnym poziomie. Ale dlaczego niezbędne jest utrzymanie niskiej złożoności obwodu? Cóż, minimalna złożoność zmniejsza liczbę komponentów i zapobiegają potencjalne błędy, co z kolei utrzymuje niskie koszty. Niektóre z najczęstszych technik redukcji redundancji logicznych obejmują algebry boolowskie, diagramy decyzyjne binarne, algorytm Quine-McCluskey, Mapy Karnaugh i metoda komputerowa heurystyczna. Inżynierowie oprogramowania zazwyczaj używają heurystycznych metod komputerowych do wykonywania tych operacji.
4.1 reprezentacja
Reprezentacja jest istotną częścią, jeśli chodzi o projekt układu cyfrowych. Klasyczni inżynierowie reprezentują obwody cyfrowe stosuje równoważny zestaw bram logicznych, w których projektanci używają innego kształtu do reprezentowania każdego symbolu logika. Inżynierowie mogą również skonstruować równoważny system przełączników elektronicznych w celu reprezentowania obwodów cyfrowych. Reprezentacje zazwyczaj mają formaty plików numerycznych dla automatycznej analizy.
4.1.1 Kombinacyjne vs. sekwencyjne
Wybierając obrazy, projektanci zazwyczaj rozważają różne typy systemów cyfrowych. Dwie wspólne grupy systemów cyfrowych są systemy kombinacyjne i sekwencyjne systemy. Systemy kombinacyjne prezentują te same wyjścia dla tych samych wejść. Z drugiej strony systemy sekwencyjne są systemami kombinacyjnymi, które sprzęgają niektóre wyjścia jako wejścia.
Istnieją dwa dalsze podkategorie systemów sekwencyjnych: Synchroniczne systemy sekwencyjne, które zmieniają stan wszystkich jednocześnie i asynchronicznych systemów sekwencyjnych, które zmieniają każdą zmianę wejść.
4.1.2 Projektowanie komputera.
Komputer jest najbardziej zwykłym sprzętem logistycznym rejestru ogólnego przeznaczenia. Maszyna jest automatycznym binarnym abakusem. Micro-Sequencer uruchamia jednostkę sterującą sieci, która sama jest mikro-programem. Zdecydowana większość komputerów jest synchroniczna, chociaż na rynku były również asynchroniczne komputery.
4.2 Konstrukcje projektowe w obwodach cyfrowych
Jako inżynierowie używają analogowych elementów w cyfrowych obwodach elektronicznych, analogowy charakter takich elementów może zakłócać pożądane zachowanie cyfrowe. Konstrukcja kanałów cyfrowych musi zatem zarządzać tematami, takimi jak marginesy czasowe, hałas, pojemność i indukcje pasożytnicze.
4.3 Narzędzia do projektowania obwodu cyfrowego
Przez lata inżynierowie zaprojektowali znaczne maszyny logiczne, które mają na celu zminimalizowanie kosztownych wysiłków inżynierskich. Obecnie istnieją programy komputerowe znane jako narzędzia do automatyzacji projektowania elektronicznych (EDA) w tym celu. Na przykład istnieje oprogramowanie do produkcji, która zapewnia doskonałą pomoc dla projektantów obwodów cyfrowych.
4.4 Testowanie obwodu logicznego
Głównym powodów inżynierowie testują obwód logiczny, jeśli w celu sprawdzenia, czy projekt spełnia specyfikacje czasowe i funkcjonalne. Ważne jest, aby zbadać każdą kopię kanału cyfrowego, aby upewnić się, że proces produkcyjny nie wprowadził wad.
5. Rozważania projektowania obwodu cyfrowego
Postęp konstrukcji obwodów cyfrowych był powolny, ale stabilny. Śledzimy tę podróż, patrząc na różne rodziny logiki poniżej.
5.1 Przekaźniki.
Pierwsza konstrukcja kanałów cyfrowych polecana logika przekaźnika. Ten projekt był niezawodny i niedrogi. Jednak był powolny, a nastąpiły sporadyczne awarie mechaniczne. Zazwyczaj były dziesięć fanogramów, które powiedziano na kontaktach.
5.2 Próżnia
Logika próżniowa Natychmiast po której następuje logika przekaźnika. Główną korzyścią z próżni było to, że były szybkie. Jednak próżnia wygenerowały dużo ciepła, a włókna często wypalałyby się. Rozwój rur komputerowych w latach 50. był znaczącą poprawą pustek, ponieważ te probówki mogą działać przez setki tysięcy godzin.
5.3 Rezystor-Logika tranzystora
Była to pierwsza rodzina logiczna półprzewodnikowego. Logika tranzystora rezystora była tysiące razy bardziej niezawodna niż rury. Używał znacznie mniejszej mocy i prowadząc chłodnicę. Jednak to wentylator był bardzo niski: 3 łącznie. Później Logika tranzystora diody zwiększała wentylator na 7 i dalej zmniejszył moc.
5.4 Logika tranzystora tranzystora
Dramatyczna poprawa nad poprzednimi logikami, logika tranzystora tranzystora miała wentylator z 10. Później ten wentylator poprawił się do 20. Ta logika była również bardzo szybka. Logika jest nadal używana już dziś w określonych wzorach obwodów cyfrowych.
5.5 Logika w połączeniu emitera
Model sprzężony przez emiter jest niesamowicie szybki. Jednak ta logika wykorzystuje dużo mocy. Komputery o wysokiej wydajności ze składnikami średnio-skali szeroko wykorzystują tę logikę.
5,6 CMOS Logic.
CMOS Logic jest zdecydowanie najbardziej popularną logiką dla obwodów zintegrowanych już dziś. Logika jest szybka, zapewnia dużą gęstość obwodu i niską moc na bramę logiki. Nawet duże szybkie komputery używają tej logiki.
Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie obwodów cyfrowych
Naukowcy w dziedzinie obwodów cyfrowych ostatnio dokonali znacznego postępu. Poniżej znajdują się przykłady:
6.1 Wykorzystanie memrystorów
W 2009 r. Na przykład naukowcy odkryli, że memrystaliści mogą pomóc w wdrożeniu pamięci Boolean State. Zapewnia to pełną rodzinę logiczną, która ma małe ilości mocy i przestrzeni przy użyciu prostych procesów CMOS.
6.2 Odkrycie RSFQ
Naukowcy odkryli również nadprzewodnictwo. To odkrycie umożliwia inżynierom opracowywanie szybkiej technologii obwodu Single Single Flux (RSFQ), która korzysta z skrzyżowań Josepson, a nie tranzystorów. Inżynierowie ostatnio próbowali zbudować czysto optyczne systemy obliczeniowe, które mogą przetwarzać informacje cyfrowe za pomocą nieliniowych elementów wizualnych.
Streszczenie
Obwody cyfrowe znajdują się w centrum dzisiejszej cyfrowej elektroniki i przetwarzania komputerowo. Dzięki niskiej podatności na hałas i degradację jakości obwody te są znacznie bardziej korzystniej dla obwodów analogowych. Z inżynierami i badaczami poświęcającymi postępy w zakresie dziedziny kanałów cyfrowych, projekt i wydajność tych urządzeń będą się poprawić.
Szukasz obwodów cyfrowych, które doskonale spełniają twoje wyjątkowe potrzeby? W WellPCB poświęcamy się, aby dostarczyć najwyższej jakości rozwiązania cyfrowe dla naszych klientów na całym świecie. Odwiedź naszą stronę internetową, aby dowiedzieć się więcej o naszych usługach.