اقرأ في هذا المقال
- ما هي الدائرة الرقمية
- أساسيات الدوائر الرقمية
- كيفية تصميم الدوائر الرقمية
- قضايا تصميم الدوائر الرقمية
- تطبيقات استخدام الدوائر الرقمية
- مزايا الدوائر الرقمية
- عيوب الدوائر الرقمية
- تطور عمل الدارة رقمية
تم تكوين الدائرة الرقمية باستعمال عدد من البوابات المنطقية على دائرة متكاملة واحدة “IC”، كما يكون الإدخال إلى أي دائرة رقمية بالصيغة الثنائية “0’s” و”1’s”، أمّا المخرجات التي تم الحصول عليها من معالجة البيانات الرقمية الخام ذات قيمة دقيقة، حيث يمكن تمثيل هذه الدوائر بطريقتين إمّا بطريقة توافقية أو بطريقة متسلسلة.
ما هي الدائرة الرقمية
الدوائر الرقمية: هي فرع من الإلكترونيات يتعامل مع الإشارات الرقمية لأداء المهام المختلفة لتلبية المتطلبات المختلفة، وإشارة الإدخال المطبقة على هذه الدوائر هي ذات شكل رقمي والتي يتم تمثيلها بتنسيق 0 و1 ثنائي اللغة.
تم تصميم هذه الدوائر باستخدام بوابات منطقية مثل بوابات “AND” و”OR” و”NOT” و”NANAD” و”NOR” و”XOR” التي تؤدي عمليات منطقية، حيث يساعد هذا التمثيل الدائرة على التحول من حالة إلى أخرى لتوفير إخراج دقيق، كما تم تصميم أنظمة الدوائر الرقمية بشكل أساسي للتغلب على عيوب الأنظمة التماثلية التي تكون أبطأ وقد تحتوي بيانات الإخراج التي يتم الحصول عليها على خطأ.
أساسيات الدوائر الرقمية
بدأ تصميم الدوائر الرقمية لأول مرة بتصميم المرحلات والأنابيب المفرغة اللاحقة ومنطق “TTL” والمنطق المقترن بالباعث ومنطق “CMOS”، حيث تستخدم هذه التصميمات عدداً كبيراً من البوابات المنطقية مثل “AND” و”OR” و”NOT” وما إلى ذلك المدمجة في دائرة متكاملة واحدة، كما يتم تمثيل مدخلات ومخرجات البيانات الرقمية في جدول الحقيقة المنطقي ومخطط التوقيت.
أولاً: المستوى المنطقي
يتم تمثيل البيانات الرقمية بأسلوب منطقي أي بتنسيق “0” و”1″، حيث يمثل المنطق “0” أنّ الإشارة منخفضة أو أنّ “GND” ويمثل المنطق 1 الإشارة عالية أو متصلة بمصدر “VCC”.
- “TTL” هي اختصار لـ “Transistor-Transistor Logic”.
ثانياً: جدول الحقيقة المنطقية
جدول الحقيقة المنطقية: هو تمثيل رياضي لأداء الإشارة الرقمية عند تمريرها عبر الدائرة الرقمية حيث يتكون الجدول من “3 أعمدة” وهي عمود الساعة وعمود الإدخال وعمود الإخراج، وعلى سبيل المثال يتم تمثيل جدول منطق البوابة “NOT” على النحو التالي:
| إشارة الساعة | منطق الإدخال | منطق النواتج |
| High | 0 | 1 |
| High | 1 | 0 |
ثالثاً: الرسم البياني توقيت
يتم تمثيل سلوك الإشارة الرقمية في تنسيق المجال الزمني وعلى سبيل المثال إذا تم أخذ في الاعتبار جدول الحقيقة للبوابة المنطقية، فسيتم تمثيل مخطط التوقيت على النحو التالي عندما تكون الساعة عالية ويكون الإدخال منخفضاً ثم يرتفع الناتج، وبالمثل عندما يكون الإدخال مرتفعاً ينخفض الناتج.
رابعاً: البوابات
البوابة المنطقية: هي مكون إلكتروني يتم تنفيذه باستخدام دالة منطقية وعادة ما يتم تنفيذ البوابات باستخدام الثنائيات والترانزستورات والمرحلات، وهناك أنواع مختلفة من البوابات المنطقية وهي “AND” و”OR” و”NOT” و”NANAD” و”NOR” و”XOR”، ومن بينها “AND” و”OR” و”NOT” بوابات أساسية و”NAND” و”NOR” هما البوابة العالمية.
هناك العديد من الطرق لإنشاء دائرة رقمية إمّا باستخدام بوابات منطقية عن طريق إنشاء منطق توافقي أو دائرة منطقية متسلسلة أو بواسطة جهاز منطقي قابل للبرمجة يستخدم جداول بحث، أو باستخدام مجموعة من العديد من الدوائر المتكاملة وما إلى ذلك، حيث تم تصميمها باستخدام تنسيق الدوائر التوافقية والمتسلسلة:
1- دائرة المنطق التوافقي
دائرة المنطق التوافقي: هي مزيج من بوابات منطقية مختلفة مثل “AND” و”OR” و”NOT”، حيث يتم تصميم المنطق التوافقي بطريقة تعتمد فيها المخرجات على المدخلات الحالية ويكون المنطق مستقلاً عن الوقت، كما يتم تصنيف الدوائر المنطقية التوافقية إلى 3 أنواع:
- الدوال الحسابية والمنطقية، وهي أدوات الجمع والطرح والمقارنة و”PLD”.
- عمليات نقل البيانات، وهي معددات الإرسال وأجهزة إزالة تعدد الإرسال وأجهزة التشفير وأجهزة فك التشفير.
- محولات الكود وهي ثنائي و”BCD” و”7 مقاطع”.
ملاحظة:“BCD” هي اختصار لـ “Binary coded decimal”.
ملاحظة:“PLD” هي اختصار لـ “programmable logic controller”.
2- الدائرة التتابعية
يتفاوت تصميم الدائرة التتابعية عن الدائرة التوافقية “harmonic circuit”، حيث في الدائرة التتابعية يرتبط منطق الناتج في قيم الإدخال الحالية والسابقة، كما يتكون أيضاً من عنصر ذاكرة يخزن البيانات المعالجة والمعالجة العادية ويتم تصنيف الدوائر المتسلسلة إلى نوعين هما:
- الدارة المتزامنة.
- الدائرة غير المتزامنة.
ملاحظة: بعض الأمثلة على الدوائر المتسلسلة هي “flip flops” وساعات وعدادات.
كيفية تصميم الدوائر الرقمية
- استخدام التمثيل المتسلسل للنظام وتمثيل النظام التوافقي.
- استخدام الأساليب الرياضية عن طريق تقليل خوارزميات التكرار المنطقي مثل “K-Map” والجبر المنطقي وخوارزمية “QM” ومخططات القرار الثنائي.
- استخدام آلات تدفق البيانات التي تتكون من مسجلات وناقلات أو أسلاك.
- يتم توصيل البيانات بين مختلف المكونات باستخدام الناقلات والسجلات.
- يتم تصميم هذه الأجهزة باستخدام لغات وصف الأجهزة مثل “VHDL” أو “Verilog”.
- الكمبيوتر عبارة عن آلة منطقية لنقل السجلات للأغراض العامة تم تصميمها باستخدام برنامج “microprogram” والمعالج الصغير.
ملاحظة:“QM” هي اختصار لـ “Quine–McCluskey”.
ملاحظة:“VHDL” هي اختصار لـ “VHSIC Hardware Description Language”.
قضايا تصميم الدوائر الرقمية
نظراً لأنً الدوائر الرقمية تتألف من مكونات تمثيلية مثل المقاومات والمرحلات والترانزستورات والصمامات الثنائية و”flip flop” وما إلى ذلك، فمن الضروري ملاحظة أنّ هذه المكونات لا تؤثر على سلوك الإشارة أو البيانات أثناء تشغيل الدائرة الرقمية، وفيما يلي مشكلات التصميم التي يتم ملاحظتها عادةً:
- قد تحدث مشكلات مثل الثغرات بسبب التصميم غير المناسب للنظام.
- يؤدي التزامن غير المناسب لإشارة مختلفة على مدار الساعة إلى استقرار في الدائرة.
- تحسب الدوائر الرقمية بشكل متكرر أكثر بسبب مناعة الضوضاء العالية.
تطبيقات استخدام الدوائر الرقمية
- الهواتف المحمولة.
- أجهزة الراديو.
- الآلات الحاسبة.
- محول تماثلي إلى رقمي “ADC”.
- محول رقمي إلى تماثلي “DAC”.
- مولد الإشارة.
- تحسين معدل التحويل “CRO”.
- بطاقة ذكية.
ملاحظة:“ADC” هي اختصار لـ “Analog-to-digital converter”.
ملاحظة:“DAC” هي اختصار لـ “Digital-to-analog converter”.
ملاحظة:“CRO” هي اختصار لـ “Conversion Rate Optimization”.
مزايا الدوائر الرقمية
- الدقة وقابلية البرمجة عالية.
- من السهل حفظ البيانات الرقمية.
- محصن ضد الضوضاء.
- يمكن دمج العديد من الدوائر الرقمية في دائرة متكاملة واحدة.
- مرن للغاية.
- موثوقية عالية.
- معدل انتقال مرتفع.
- آمن للغاية.
عيوب الدوائر الرقمية
- تعمل فقط على الإشارات الرقمية.
- يستهلك طاقة أكثر من الدوائر التماثلية.
- أكثر من تبديد الحرارة.
- التكلفة العالية.
تطور عمل الدارة رقمية
تُعد الدارة رقمية بأنّها دارة إلكترونية يمكنها أن تأخذ فقط عدداً محدوداُ من الحالات، وهذا يتناقض مع الدوائر التماثليىة، والتي تختلف الفولتية أو الكميات الأخرى بشكل مستمر والدوائر الرقمية الثنائية ذات الحالتين هي الأكثر شيوعاً، كما يتم تمثيل الحالتين المحتملتين للدائرة الثنائية بالأرقام الثنائية أو البتات 0 و1، حيث يشار إلى الحالات أيضاً باسم “تشغيل” و”إيقاف تشغيل” أو “مرتفع” و”منخفض”.
أبسط أشكال الدوائر الرقمية مبنية من البوابات المنطقية واللبنات الأساسية للكمبيوتر الرقمي، ونظراً لأنّ معظم المتغيرات الفيزيائية التي تمت مواجهتها في العالم الحقيقي، على سبيل المثال الموقع ودرجة الحرارة موجودة في شكل تمثيلي يتم تمثيلها كهربائياً عن طريق تيارات وجهود متغيرة باستمرار في الدوائر التماثلية.
ولجعل الدوائر الرقمية والتماثلية متوافقة يتم استخدام محولات خاصة إمّا من التماثلية إلى الرقمية أو من الرقمية إلى التماثلية اعتماداً على اتجاه تدفق المعلومات، حيث تحاكي الدوائر الرقمية الوظائف المستمرة بسلاسل من البتات، وكلما زاد عدد البتات المستخدمة زادت دقة تمثيل الإشارة المستمرة.
وعلى سبيل المثال ، إذا تم استخدام “16 بتاً” لتمثيل جهد متغير فيمكن تعيين إشارة واحدة من أكثر من “65000 قيمة مختلفة”، والدوائر الرقمية أكثر مناعة ضد الضوضاء من الدوائر التماثلية ويمكن تخزين الإشارات الرقمية وتكرارها دون تدهور.
كما يمكن للدوائر الرقمية في كثير من الأحيان معالجة الإشارات بشكل أكثر فعالية وأقل تكلفة من الدوائر التماثلية، حيث ساعدت هذه الأسباب الأنظمة الرقمية على النجاح على جميع المنافسين التماثليين للتلفاز عالي الوضوح المقترح في الولايات المتحدة.
