اقرأ في هذا المقال
- ما هي الإلكترونيات الرقمية
- أساسيات الإلكترونيات الرقمية
- كيفية استخدام الإلكترونيات الرقمية
- مكونات الالكترونيات الرقمية
- مزايا الإلكترونيات الرقمية
- عيوب الإلكترونيات الرقمية
- تطبيقات الإلكترونيات الرقمية
يسهل فهم عالم الإلكترونيات كثيراً إذا بدأ بتقسيمه إلى فئتين مختلفتين هما العالم التماثلي والعالم الرقمي، حيث يشير العالم التماثلي عموماً إلى أي ظاهرة طبيعية تختلف خصائصها على مدار فترة زمنية، من أخذ درجة الحرارة الخارجية على سبيل المثال وكما أنّه يتغير ببطء على مدار اليوم، وفي أي لحظة يمكن قياس مدى سخونة أو برودة الجو باستخدام مقياس حرارة بسيط.
ما هي الإلكترونيات الرقمية
الإلكترونيات الرقمية: هي نوع مختلف تماماً من الإلكترونيات تماماً، حيث يختلف العالم الرقمي عن العالم التماثلي، وفي المجال الرقمي أي الدوائر الإلكترونية الرقمية لا يوجد سوى “حالتين” مهمتين من تشغيل أو إيقاف، وعلى سبيل المثال عندما تقوم بتشغيل مفتاح الإضاءة فإنّه لا يوجد سوى موضعين محتملين يمكن أن يكون فيهما مفتاح الإضاءة أي تشغيل أو إيقاف.
أساسيات الإلكترونيات الرقمية
يمكن ملاحظة نفس الخصائص المتغيرة وقياسها وتسجيلها في ظاهرة طبيعية أخرى مثل الضغط الجوي وسرعة الرياح والإشعاع الشمسي في الإلكترونيات الرقمية، حيث إذا كنت ستقوم بتسجيل كل من الأحداث ورسمها البياني على مدار “24 ساعة”، فستلاحظ خاصية واحدة مماثلة هي الخصائص الفيزيائية لكل ظاهرة تتغير بمرور الوقت.
الشيء المهم الذي يجب معرفته هو أنّ تشغيل الضوء لا يؤدي فقط إلى بعض الأعمال المفيدة، ولكنّه ينقل أيضاً بعض المعلومات الرقمية الأساسية الحقيقية أيضاً وأنّ الضوء كان قيد التشغيل وليس مطفأ، كما أنّ رمز التشغيل / الإيقاف هذا هو بالضبط كيف يعمل عالم الإلكترونيات الرقمية، كما إنّ مفتاح التشغيل / الإيقاف هذا هو نفس المنطق المستخدم لبناء الدوائر الإلكترونية الرقمية داخل جهاز الكمبيوتر المحمول وجهاز “GPS” والهاتف الذكي.
في إنشاء الأنظمة الرقمية الكبيرة والصعبة غالباً ما يكون من المهم توفر جهاز واحد يرسل المعلومات الرقمية من وإلى الأجهزة الأخرى، حيث تُعتبر إحدى ميزات المعلومات الرقمية في أنّها تسعى إلى أن تكون أكثر مقاومة للأخطاء المرسلة والمترجمة عن المعلومات التي يتم ترميزها في وسيط تماثلي.
هذا يدل على سهولة اتصالات الهاتف المشفرة رقمياً والأقراص الصوتية المدمجة “Audio CDs” والكثير من التطبيقات في تكنولوجيا الاتصالات الرقمية، ومع ذلك فإنّ الاتصالات الرقمية لها عيوبها الفريدة وهناك العديد من الطرق المتنوعة وغير المتماثلة التي يمكن إرسالها من خلالها.
ويُعد قياس مستوى البيانات أمراً سهلاً للغاية ويمكن تحقيقه باستخدام عدد من الأنواع المختلفة من الأدوات، مثل مفاتيح التبديل العائمة أو أجهزة إرسال الضغط أو أجهزة الكشف عن المستوى بالموجات فوق الصوتية أو مجسات السعة أو مقاييس الإجهاد أو أجهزة الكشف عن مستوى الرادار.
- “GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.
كيفية استخدام الإلكترونيات الرقمية
يتم استخدام جهاز قياس المستوى التماثلي بإشارة ناتج من “4 مللي أمبير” – “20 مللي أمبير”، حيث يمثل “4 مللي أمبير” مستوى البيانات بنسبة “0%”، ويمثل “20 مللي أمبير” مستوى الخزان بنسبة “100%”، وأي شيء يقع بين “4 مللي أمبير” و”20 مللي أمبير” يمثل مستوى البيانات نسبياً بين “0%” و”100٪”.
وإذا تم السعي لتحقيق ذلك يمكن ببساطة إرسال إشارة التيار التماثلي هذه “4 مللي أمبير” – “20 مللي أمبير” إلى موقع المراقبة عن بُعد عن طريق زوج من الأسلاك النحاسية، حيث سيقود مقياس لوحة من نوع ما، كما تم معايرة مقياسه ليعكس عمق المياه في البيانات بأي وحدات قياس مفضلة.
سيكون نظام الاتصال التماثلي بسيطاً وقوياً وبالنسبة للعديد من التطبيقات سيكون كافياً للاحتياجات تماماً ولكنّها ليست الطريقة الوحيدة لإنجاز المهمة، حيث للعمل على استكشاف التقنيات الرقمية يتم إيجاد طرق أخرى لمراقبة هذا الخزان الافتراضي، على الرغم من أنّ الطريقة التماثلية التي تم وصفها قد تكون الأكثر عملية.
والنظام التماثلي على قدر بساطته له حدوده، وواحد منهم هو مشكلة تداخل الإشارات التماثلية ونظراَ لأنّ مستوى البيانات يُرمز إليه بحجم تيار التيار المستمر في الدائرة، فإنّ أي “ضوضاء” في هذه الإشارة سيتم تفسيرها على أنّها تغيير في مستوى البيانات.
وإذا تم ترتيب أسلاك هذه الدائرة بالقرب من الأسلاك التي تحمل طاقة تيار متردد “60 هرتز” على سبيل المثال، فقد يؤدي الاقتران الاستقرائي والسعوي إلى إنشاء إشارة “ضوضاء” خاطئة ليتم إدخالها في دائرة التيار المستمر هذه.
وعلى الرغم من أنّ الممانعة المنخفضة لحلقة “4 مللي أمبير” – “20 مللي أمبير” أي “250 Ω” تعني أنّ الفولتية الصغيرة للضوضاء يتم تحميلها بشكل كبير، وبالتالي يتم تخفيفها بسبب عدم كفاءة الاقتران السعوي أو الاستقرائي الذي تشكله أسلاك الطاقة.
مكونات الالكترونيات الرقمية
تشتمل الإلكترونيات الرقمية أو الدائرة الرقمية على مكونات مختلفة تؤدي وظائف محددة، حيث تنقسم هذه المكونات إلى فئتين:
1- الثنائيات
- يتم تصنيع الثنائيات باستخدام مواد شبه موصلة.
- يتم استخدامها للسماح بتدفق التيار في اتجاه معين.
- تستخدم أنواع مختلفة من الثنائيات في بناء الدائرة الرقمية.
2- الترانزستورات
- يُعرف جهاز أشباه الموصلات بثلاثة أطراف باسم الترانزستور.
- تتمثل الوظيفة الرئيسية للترانزستور في تضخيم الإشارة.
- كما يتم استخدامه كجهاز تبديل.
3- المكثفات والمحاثات
- تتمثل الوظيفة الرئيسية للمكثف في تخزين الطاقة الكهربائية.
- يُصنع المكثف باستخدام لوحين موصلين، ويتم وضع عازل بين هذه الألواح.
- تتم مقاومة التغيير في التيار بمساعدة مكثف.
- يتم استخدامها لتخزين الطاقة الكهربائية في المجال المغناطيسي.
4- بوابات المنطق
البوابات المنطقية: هي المكونات الأساسية للدائرة الرقمية بمخرج واحد وأكثر من مدخل واحد، وبوابات “AND” و”OR” و”NOT” هي البوابات الأساسية، بينما “NAND” و”NOR” هي البوابات العامة، و”EX-OR” و”EX-NOR” هي البوابات الخاصة.
5- البطارية والتبديل
- يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية بسبب البطارية.
- يتم استخدامه كمصدر للطاقة.
- يتم التحكم في تدفق التيار الكهربائي باستخدام مفتاح.
6- المقاومات
- يقاوم المقاوم تدفق التيار في الدائرة.
- المقاوم الثابت والمقاوم المتغير هما نوعان من المقاومات.
- تعمل جميع المقاومات على أساس قانون أوم.
مزايا الإلكترونيات الرقمية
- يتم نقل البيانات في الأنظمة الرقمية دون تدهور بسبب الضوضاء عند مقارنتها بالنظام التماثلي.
- يأتي النظام الرقمي مزوداً بمناعة ضد الضوضاء، ممّا يجعل تخزين البيانات أسهل.
- في حين أنّ النظام التماثلي يخضع للضعف، ممّا يؤدي إلى تدهور المعلومات في التخزين.
- يأتي النظام الرقمي بواجهة مع أجهزة الكمبيوتر مما يسهل التحكم في البيانات.
- يمكن الحفاظ على النظام خالياً من الأخطاء عن طريق تحديث البرنامج، هذه الميزة غير متوفرة في النظام التماثلي.
عيوب الإلكترونيات الرقمية
على الرغم من أنّ النظام الرقمي لديه مناعة ضد الضوضاء وتخزين أفضل، إلّا أنّ له عيوباً أيضاً:
- الطاقة التي يستهلكها النظام الرقمي هي أكثر مقارنة بالنظام التماثلي، حيث يتم استهلاك هذه الطاقة في العمليات الحسابية ومعالجة الإشارات ممّا ينتج عنه توليد الحرارة.
- هذه الأنظمة باهظة الثمن.
- الأنظمة الرقمية هشة، أي إذا أسيء تفسير إحدى البيانات الرقمية ستتغير البيانات النهائية بالكامل.
- قد يكون الاهتمام بالقضايا التماثلية في الأنظمة الرقمية أمراً صعباً، حيث يتم استخدام المكونات التماثلية في تصميم النظام الرقمي.
تطبيقات الإلكترونيات الرقمية
تعد الإلكترونيات الرقمية أو الدوائر الرقمية جزءاً لا يتجزأ من الأجهزة الإلكترونية وإليك استخدامات الدوائر الرقمية:
- عرض الساعات الرقمية مصمم على أساس الدوائر الرقمية.
- تستخدم علوم الصواريخ والحوسبة الكمومية الإلكترونيات الرقمية.
- تعمل الأبواب الأوتوماتيكية على مبدأ الإلكترونيات الرقمية.
- تعتمد المواجهات اليومية مع إشارات المرور على الدوائر الرقمية.
