Überblick über den Digitalen Schaltungsentwurf

Ein digitaler Schaltkreis ist eine Art elektrischer Schaltkreis. Digitale Schaltkreise haben nur zwei Ausgangszustände, nämlich EIN (1) und AUS (0). Im Gegensatz zu analogen Schaltkreisen können sie kontinuierliche Ausgangswerte erzeugen. Beim Erlernen digitaler Schaltkreise lernen wir auch etwas über Boolesche Algebra, digitale Nummerierung und natürlich Logikgatter.

Was ist ein digitaler Schaltkreis?

Ein einfacher Ansatz, um zu verstehen, was ein digitaler Schaltkreis ist, ist, den Unterschied zwischen digitalen und analogen Schaltkreisen zu verstehen.

Ein digitaler Schaltkreis ist ein Schaltkreis, der für die digitale Elektronik gebaut wurde. Dieser Schaltkreis verarbeitet und erzeugt digitale Signale. Im Gegensatz zu analogen Schaltkreisen, die analoge Signale verarbeiten und erzeugen, werden digitale Schaltkreise hauptsächlich zum Verarbeiten und Erzeugen digitaler Signale verwendet.

Es gibt mehrere Unterschiede zwischen digitaler und analoger Eingabe und Ausgabe, die wir kennen sollten.

Es gibt eine interessante Erklärung für den Unterschied zwischen digitalem und analogem Signal. Digitale Signale werden in diskreten Werten dargestellt, die darauf beschränkt sind, alle Werte in der Zeile auszudrücken. Analoge Signale werden in reellen Zahlen dargestellt, die an jedem Punkt der Zeile einen Wert angeben können, ganzzahlig oder dezimal.

Wir können den folgenden Vergleich beobachten. Das diskrete Signal hängt von der zeitlichen Abtast Verzögerung ab. Je kürzer die Verzögerung oder je höher die Frequenz, desto mehr Werte werden erfasst.

Natürlich bedeutet ein digitaler Schaltkreis nicht, dass er ohne analoge Elektronik konzipiert ist. Es ist uns dennoch wichtig, den Entwurf eines digitalen Schaltkreises mithilfe analoger Elektronik in Betracht zu ziehen.

Digitale Schaltkreise werden normalerweise aus Logikgattern aufgebaut, die normalerweise in einem integrierten Schaltkreis verpackt sind. Das ist das, was wir als digitale integrierte Schaltkreise kennen. Egal, was wir zum Bau eines digitalen Schaltkreises verwenden, wir müssen mit Booleschen Logik Funktionen vertraut sein.

Digitale Schaltkreise haben Vorteile gegenüber analogen Schaltkreisen. Der bemerkenswerteste Vorteil ist ihre Fähigkeit, die Signale digital zu übertragen, sodass die Verschlechterung durch Rauschen minimal ist. Dieses Rauschen ist zusätzliche Hausaufgabe für uns, wenn wir einen analogen Schaltkreis entwerfen.

Digitale Schaltkreise verwenden hauptsächlich Gleichstromkreise (DC), um logische Operationen durchzuführen. Diese Art der Stromversorgung wird bevorzugt, da sie dem Schaltkreis eine konstante Spannung und Stromstärke liefert. Darüber hinaus werden die Binärzahlen durch positive Gleichspannung als 1 und null Volt als 0 dargestellt. Oder anders ausgedrückt: volle Gleichspannung als logische 1 und null Volt als logische 0.

Da die digitale Schaltung Ausgaben basierend auf einer Kombination von Eingaben generiert, kann die Eingabe bei Verwendung von Wechselstromschaltungen (AC) durch die Änderungen der Versorgung Richtung gestört werden.

Digitale Logikschaltung

Digitale Schaltkreise sind bei der Übertragung und Darstellung elektronischer Signale präziser. Die Verwendung von Binärziffern (0 und 1) erleichtert die Unterscheidung zweier Signalzustände. Im Gegensatz zu analogen Signalen, bei denen die Unterscheidung zwischen 0 und 1 aufgrund von Rauschen schwieriger sein kann, können digitale Zahlen Signale fehlerfrei rekonstruieren.

Die Verarbeitung digitaler Zahlen wie Binärziffern zwingt uns, zusätzliche digitale Schaltkreise einzusetzen. Diese Schwierigkeit besteht auch bei analogen Schaltkreisen, bei denen wir zusätzliche Verbesserungen an unserem Schaltkreis benötigen, um das Rauschen bei der Verarbeitung und Übertragung von Signalen zu minimieren.

Digitale Schaltkreise können immer als Wahrheitstabelle für die Beziehung zwischen Ein- und Ausgabe dargestellt werden. Wenn eine Reihe von Logikgattern miteinander verbunden sind, kann ihre endgültige Ausgabe durch Erstellen ihrer Wahrheitstabelle berechnet werden. Was auch immer unsere Eingaben sind, die Ausgaben sind bereits bestimmt.

Beachten Sie die folgenden Zustände:

• Binär 1 = HOCH = WAHR
• Binär 0 = NIEDRIG = FALSCH

Ob binär, dezimal oder hexadezimal, die Zustände 0 und 1 werden immer noch zum Entwerfen und Konvertieren verwendet. Wenn eine Logikschaltung +3,5 V bis +5 V empfängt und erzeugt, zählt dies normalerweise als Zustand 1, und niedrigere Werte zählen als Zustand 0.

Es gibt zwei Arten von digitalen Schaltungen:

• Bei sequentiellen Digitalschaltungen sind die vorherigen Ausgangszustände ebenso wichtig wie ihre aktuellen Eingangszustände.
• Kombinatorische Digitalschaltungen verwenden nur die aktuellen Eingangszustände.

Nachfolgend sehen Sie die Zusammenfassung der kombinatorischen und sequentiellen Logik. Links ist die kombinatorische Logik, rechts die sequentielle:

Diese Zustände werden durch Logikgatter weiterverarbeitet:

• AND
• OR
• NOT

Diese drei können weiter kombiniert werden, um NAND, NOR, XOR und viele mehr zu bilden.

Digitaler Schaltungsentwurf

Der Entwurf digitaler Schaltungen ist der Entwurfsprozess zum Aufbau einer Schaltung, die aus mehreren Halbleitern wie Logikgattern, Transistoren, Logikgattern und einigen grundlegenden Arten von Schaltungskomponenten wie Widerständen, Induktoren und Kondensatoren besteht. Digitale Schaltungen folgen der Booleschen Algebra und den diskreten Signalen Null und Eins.

Beim Entwurf digitaler Schaltungen müssen wir versuchen, unsere Schaltung so einfach wie möglich zu gestalten. Die Logik Redundanz wird von Ingenieuren häufig verwendet, um die Komplexität der Schaltung zu reduzieren.

Je komplexer unsere Schaltung ist, desto mehr Kosten müssen wir aufwenden und desto mehr Fehler werden wir bekommen. Weniger Komplexität bedeutet weniger Komponentenanzahl, weniger potenzielle Fehler und weniger Kosten. Um dies zu erreichen, müssen wir nicht gleich von Anfang an fortschrittliche Komponenten einsetzen.

Wie wir über die Analyse elektrischer Schaltungen gelernt haben, gibt es für eine digitale Schaltung ihre eigene Methode zur Analyse und Optimierung. Die bekannten Techniken sind:

• Karnaugh-Diagramme
• Binäres Diagramm
• Boolesche Algebra
• Heuristische Computermethode
• Quine-McCluskey-Algorithmus.

Die ersten drei sind die Grundlagen und der Rest kann leicht mit einem computergestützten Design System durchgeführt werden.

Mikrocontroller und speicherprogrammierbare Steuerungen als Beispiele für eingebettete Systeme sind sehr beliebt, um ein komplexes System mit minimalem Schaltungsdesign und eigenen starken Funktionen zu bauen.

Wie oben erwähnt, kann die Eingangs- und Ausgangs Beziehung digitaler Schaltkreise mit der Wahrheitstabelle genau berechnet werden. Bedenken Sie jedoch, dass es zwei Arten digitaler Systeme gibt: kombinatorische Systeme und sequentielle Systeme.

Ein kombinatorisches System ist ein digitaler Schaltkreis, dessen Ausgang durch seinen aktuellen Ausgang bestimmt wird.

Im Gegensatz dazu wird der Ausgang eines sequentiellen Systems an seine Eingänge zurückgemeldet. Auf diese Weise hängt der Ausgang von seinen früheren Eingängen ab, um eine „Sequenz“ von Operationen zu erzeugen.

Darüber hinaus werden die kombinatorischen Systeme in synchrone sequentielle Systeme und asynchrone sequentielle Systeme unterteilt.

Der Unterschied besteht darin, dass das synchrone System seinen Ausgangszustand ändert, wenn das Taktsignal seinen Zustand ändert. Das asynchrone System gibt Änderungen weiter, wenn sich die Eingänge ändern. Beim Erlernen dieses digitalen Schaltungsdesigns lernen wir das bekannte JK-Flipflop, SR-Flipflop, D-Flipflop, T-Flipflop und Master-Slave-Flipflop kennen.

Synchrone digitale Schaltungen lassen sich mit einem einfachen Flipflop wie D, T, RS oder JK leicht herstellen. Natürlich bringt uns das bloße Kombinieren von Flipflops nicht weiter. Wir benötigen ein Schaltungselement für ein Statusregister. Dies ist auch eine Art von Flipflop, das eine Binärzahl erzeugt und als Taktgeber (CLK) fungiert.

Um ein synchrones System zu bauen, erstellen wir eine kombinatorische Logik und einen Satz Flipflops als Zustandsregister. Diese kombinatorische Logik generiert die Binärzahl für den nächsten Zustand.

Jedes Mal, wenn CLK einen Zyklus (1 – 0 – 1) beendet, wird der Ausgang nach rechts verschoben und das Zustandsregister erfasst auch das Feedback vom Ausgang seines vorherigen Zustands. Dies ist ein Nachteil eines synchronen Systems, da es durch die CLK-Geschwindigkeit gesteuert wird und nicht mit voller Geschwindigkeit arbeiten kann. Da es jedoch mit CLK gesteuert werden kann, lässt sich leicht überprüfen, ob das synchrone System unserem Design entspricht oder nicht.

Im Gegensatz dazu ist das asynchrone System nicht von CLK abhängig und kann daher die maximale Geschwindigkeit seiner logischen Zustände nutzen. Beispiele hierfür sind Schalter-Debunker, Synchronizer-Flipflop und Arbiter.

Bei asynchronen Systemen ist es grundsätzlich schwieriger, ihren Ausgang vorherzusagen und zu entwerfen, da wir alle möglichen Zustände in allen möglichen Zeitabständen auswerten müssen. Wir müssen bei der Entwicklung dieser Art von Digitalschaltungen vorsichtig sein, da wir versehentlich zu unerwarteten Zeiten unerwartete Ergebnisse produzieren können.

Aus diesem Grund sind asynchrone Digitalschaltungen instabil.

Digitale integrierte Schaltkreise

Wie oben erläutert, bestehen digitale Schaltkreise normalerweise aus einer Reihe von Logikgattern. Die Konstruktion der Logikgatter kann miteinander verbunden werden, um eine kombinatorische Logik zu bilden.

Einfache oder komplexe kombinatorische Logik kann durch die Abbildung der Booleschen Logik gelöst, analysiert und entworfen werden. Logikgatter bestehen normalerweise aus elektrischen Schaltern wie Transistoren. Die Ausgabe von Logikgattern kann als Eingabe für andere Logikgatter verwendet werden.

Ein digitaler integrierter Schaltkreis ist ein Gerät, das mehrere digitale elektrische Komponenten in einem kleinen Halbleiterchip kombiniert. Betrachten Sie den integrierten Schaltkreis SN7400N unten, der drei UND-Gatter in einem einzigen Chip hat.

Natürlich gibt es viele Chip Varianten, die als Logikgatter für unsere Zwecke dienen können.

Wie eingangs erwähnt, sind digitale Schaltkreise und digitale integrierte Schaltkreise hervorragend für die Verarbeitung diskreter Werte (0 und 1) geeignet. Aufgrund dieser Eigenschaft werden digitale ICs auch als Schaltgeräte verwendet, da sie die EIN- und AUS-Zustände darstellen.

Digitale integrierte Schaltkreise können aus einer Kombination von Flipflops, Logikgattern und Multiplexen aufgebaut werden. Ob sie einfacher aufzubauen sind als ein analoger Schaltkreis, hängt von unserer Berechnung der Booleschen Algebra ab, um den Schaltkreis zu vereinfachen.

Es gibt mehrere Anwendungen für digitale integrierte Schaltkreise, Beispiele sind:

• Logischer integrierter Schaltkreis
• Speicher Chip
• Integrierter Schaltkreis zur Energieverwaltung
• Programmierbarer integrierter Schaltkreis
• Schnittstellen-integrierter Schaltkreis

Bedenken Sie, dass sich digitale und analoge Schaltkreise oft ergänzen. Aus diesem Grund gibt es Digital-Analog-Wandler Schaltkreise (DAC) und Analog-Digital-Schaltkreise (ADC).

Häufig gestellte Fragen