Что такое цифровая схема: конструкция и ее применение

Цифровые схемы или цифровая электроника - это отрасль электроники, которая имеет дело с цифровыми сигналами для выполнения различных задач для удовлетворения различных требований. Входной сигнал, подаваемый на эти схемы, имеет цифровую форму, которая представлена ​​в двоичном языковом формате 0 и 1. Эти схемы разработаны с использованием логические ворота например вентили AND, OR, NOT, NANAD, NOR, XOR, которые выполняют логические операции. Это представление помогает схеме переключаться из одного состояния в другое для обеспечения точного вывода. Системы цифровых схем в основном предназначены для преодоления недостатков аналоговых систем, которые работают медленнее, и получаемые выходные данные могут содержать ошибку.

Что такое цифровая схема?

Определение : Цифровая схема разработана с использованием нескольких логических вентилей на одном Интегральная схема - IC. Вход в любую цифровую схему имеет двоичную форму «0» и «1». Выходные данные, полученные при обработке необработанных цифровых данных, имеют точную ценность. Эти схемы могут быть представлены двумя способами: комбинационным или последовательным.

Основы цифровых схем

Разработка цифровых схем была впервые начата с дизайна реле, позже электронные лампы, Транзисторно-транзисторная логика TTL , Логика, связанная с эмиттером, и КМОП-логика. Эти конструкции используют большое количество логических вентилей, таких как И, ИЛИ, НЕ и т. Д., Интегрированных в одну ИС. Ввод и вывод цифровых данных представлены в таблица логической истинности и временная диаграмма.

Логический уровень

Цифровые данные представлены в логическом формате, то есть в формате «0» и «1». Где логический 0 означает низкий уровень сигнала или «GND», а логический 1 означает высокий уровень сигнала или подключение к источнику «VCC», как показано ниже.

Логический уровень

Таблица логической истины

Логическая таблица истинности - это математическое представление характеристик цифрового сигнала при прохождении через цифровую схему. Таблица состоит из 3 столбцов: столбца часов, столбца ввода и столбца вывода. Например, логическая таблица логического элемента НЕ представлена ​​следующим образом

Временная диаграмма

Поведение цифрового сигнала представлено в формате временной области, например, если мы рассмотрим таблицу истинности логического элемента НЕ, временная диаграмма будет представлена ​​следующим образом: когда тактовый сигнал высокий, вход низкий, а выход высокий. Точно так же, когда вход высокий, выход становится низким.

Временная диаграмма

Ворота

Логический вентиль - это электронный компонент, который реализован с использованием логической функции. Затворы обычно реализуются с использованием диодов, транзисторов и реле. Существуют различные типы логических вентилей: AND, OR, NOT, NANAD, NOR, XOR. Среди которых AND, OR, NOT - основные ворота, а NAND и NOR - универсальные ворота. Давайте рассмотрим представление логического элемента И, как показано ниже, которое имеет 2 входа и один выход.

И ворота

Таблица истинности ворот И

Временная диаграмма AND Gate

Существует много способов построения цифровой схемы, в которой используются логические вентили путем создания комбинационной логики, последовательной логической схемы или с помощью программируемого логического устройства, использующего таблицы поиска, или с помощью комбинации многих ИС и т. Д. разработаны с использованием комбинационного и последовательного формата схемы, как показано ниже

Комбинационная логическая схема

Это комбинация различных логических элементов, таких как И, ИЛИ, НЕ. Комбинационная логика построена таким образом, что выход зависит от текущего входа, а логика не зависит от времени. Комбинационные логические схемы делятся на 3 типа, они

Комбинационная логическая схема

• Арифметические и логические функции: Гадюки, Вычитатели , Компараторы , PLD
• Передача данных: Мультиплексоры, демультиплексоры , Кодеры, декодеры
• Конвертеры кода: Двоичный , BCD , 7-сегментный.

Последовательная схема

Дизайн последовательная цепь отличается от комбинационной схемы. В последовательной схеме логика вывода зависит как от текущих, так и от прошлых входных значений. Он также состоит из элемента памяти, в котором хранятся обработанные и обработанные данные. Последовательные схемы подразделяются на 2 типа:

• Синхронная схема
• Асинхронная схема

Некоторые примеры последовательных схем - это триггеры, часы , счетчики , так далее.

Последовательная принципиальная схема

Цифровая схема проектирования

Цифровые схемы могут быть спроектированы следующим образом:

• Использование последовательного представления системы и представления комбинационной системы
• Использование математических методов за счет сокращения алгоритмов логической избыточности, таких как K-карта , Булева алгебра , Алгоритм QM, диаграммы двоичных решений и т. Д.
• Использование машин потока данных, которые состоят из регистров и автобусов или проволокой. Данные передаются между различными компонентами с помощью шин и регистров. Эти машины разработаны с использованием таких языков описания оборудования, как VHDL или Verilog .
• Компьютер - это универсальная логическая машина с переносом регистров, разработанная с использованием микропрограмма и микропроцессор.

Проблемы проектирования цифровых схем

Поскольку цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов, таких как резисторы, реле, транзисторы, диоды, триггеры и т. Д., Необходимо отметить, что эти компоненты не влияют на поведение сигнала или данных во время работы цифровой схемы. Ниже перечислены проблемы дизайна, которые обычно наблюдаются:

• Проблемы, такие как сбои, могут возникнуть из-за неправильного дизайна системы.
• Неправильная синхронизация другого тактового сигнала приводит к метастабильности в цепи
• Цифровые схемы выполняют более частые вычисления из-за высокой помехоустойчивости.

Примеры цифровых схем

Ниже приведены примеры цифровых схем.

• Мобильные телефоны
• Радио
• Калькуляторы и др.

Преимущества

Ниже приведены преимущества

• Точность и программируемость высокая
• Легко сохранять цифровые данные
• Невосприимчив к шуму
• Многие цифровые схемы могут быть интегрированы в одну ИС
• Очень гибкий
• Высокая надежность
• Высокая скорость передачи
• Высокая безопасность.

Недостатки

Ниже приведены недостатки

• Они работают только с цифровыми сигналами
• Потребляет больше энергии, чем аналоговые схемы
• Отвод тепла больше
• Высокая стоимость.

Приложения

Ниже приведены приложения

• АЦП - аналого-цифровой преобразователь
• ЦАП - Цифро-аналоговый преобразователь
• Генератор сигналов
• CRO
• К интеллектуальная карточка , так далее.

FAQs

1). Для чего используются цифровые схемы?

Цифровые схемы используются для выполнения логических операций.

2). Как работает цифровая схема?

Цифровая схема работает с дискретными сигналами, которые представлены в двоичной форме нулей и единиц.

3). Каковы основные компоненты цифровой схемы?

Базовыми компонентами цифровых схем являются триггеры, диоды, транзисторы, вентили и т. Д.

4). Из чего сделана схема?

Электронная схема состоит из ряда пассивных и активных компонентов, соединенных проводящими проводами.

5). Назовите несколько примеров активных и пассивных компонентов?

• Примеры активных компонентов: диоды, микросхемы, триодные вакуумные лампы и т. Д.
• Примеры пассивных компонентов: резистор, конденсатор, катушка индуктивности, трансформатор и т. Д.

6). Почему мы используем резистор в схемах?

Мы используем резистор в цепи, чтобы контролировать ток.

Электронная схема состоит из ряда пассивных и активных компонентов, соединенных проводящими проводами. Их двое типы цепей это аналоговая схема и цифровая схема. Входом в аналоговую схему является непрерывный переменный сигнал, который предоставляет информацию о сигнале, такую ​​как ток, напряжение и т. Д. Входной сигнал цифровой схемы находится в дискретном формате временной области, который представлен в виде «0» и «1». Он обеспечивает уровень сигнала, коэффициент шума, затухание и другие характеристики цифрового сигнала. Основное преимущество использования цифровых схем состоит в том, что их легко реализовать и понять.