Overzicht van Digitaal Circuit Ontwerp

Een digitaal circuit is een type elektrisch circuit. Digitale circuits hebben slechts twee uitgangstoestanden, namelijk AAN (1) en UIT (0). Anders dan analoge circuits die in staat zijn om een ​​uitgang met continue waarden te genereren. Door digitale circuits te leren, leren we ook over Booleaanse algebra, digitale nummering en natuurlijk logische poorten.

Wat is een digitaal circuit?

Een eenvoudige benadering om te begrijpen wat een digitaal circuit is om digitale circuits versus analoge circuits te begrijpen.

Een digitaal circuit is een circuit dat is gebouwd voor digitale elektronica. Dit circuit verwerkt en genereert digitale signalen. In tegenstelling tot analoge circuits die analoge signalen verwerken en genereren, worden digitale circuits voornamelijk gebruikt om digitale signalen te verwerken en te genereren.

Er zijn verschillende verschillen tussen digitale en analoge invoer en uitvoer waar we bekend mee moeten zijn.

Er is een interessante verklaring voor het verschil tussen digitaal signaal en analoog signaal. Digitale signalen worden gepresenteerd in discrete waarden die beperkt zijn om alle waarden in de regel uit te drukken. Analoge signalen worden gepresenteerd in reële getallen die op elk punt in de regel een waarde kunnen geven, gehele getallen of decimale getallen.

We kunnen de vergelijking hieronder bekijken. Het discrete signaal is afhankelijk van de tijdsbemonsteringsvertraging. Hoe korter de vertraging of hoe hoger de frequentie, hoe meer waarden worden vastgelegd.

Natuurlijk betekent een digitaal circuit niet dat het niet is ontworpen zonder analoge elektronica. Het is nog steeds belangrijk voor ons om te overwegen een digitaal circuit te ontwerpen met behulp van analoge elektronica.

Digitale circuits worden meestal gebouwd met logische poorten die meestal in een verpakt geïntegreerd circuit zitten. Dit is wat we kennen als digitale geïntegreerde circuits. Ongeacht wat we gebruiken om een ​​digitaal circuit te bouwen, moeten we bekend zijn met Booleaanse logische functies.

Digitale circuits hebben voordelen ten opzichte van analoge circuits. Het meest opvallende voordeel is het vermogen om de signalen digitaal te verzenden, zodat er minimale degradatie is door ruis. Deze ruis is extra huiswerk voor ons als we een analoog circuit ontwerpen.

Digitale circuits gebruiken voornamelijk gelijkstroom circuits (DC) om logische bewerkingen uit te voeren. Dit type voeding heeft de voorkeur omdat het een constante spanning en stroom aan het circuit levert. Niet alleen dat, de binaire getallen worden weergegeven door positieve DC-spanning als 1 en nul volt als 0. Of met andere woorden, volledige DC-voedingsspanning als logische 1 en nul volt als logische 0.

Aangezien het digitale circuit uitgangen genereert op basis van een combinatie van ingangen, kan de ingang worden verstoord door de veranderingen van de voedingsrichting als we wisselstroom circuits (AC) gebruiken.

Digitaal logisch circuit

Digitale circuits hebben meer precisie bij het verzenden en presenteren van elektronische signalen. Het gebruik van binaire cijfers (0 en 1) maakt het gemakkelijker om twee signaal toestanden te onderscheiden. In tegenstelling tot analoge signalen waarbij het onderscheiden van 0 en 1 moeilijker kan zijn omdat het wordt beïnvloed door ruis, kunnen digitale getallen signalen zonder fouten reconstrueren.

Het verwerken van digitale getallen zoals binaire cijfers dwingt ons om extra digitale circuits in te zetten. Deze moeilijkheid is ook te vinden in analoge circuits waar we extra verbeteringen aan ons circuit nodig hebben om ruis in elke verwerking en verzending van signalen te minimaliseren.

Een digitaal circuit kan altijd worden weergegeven als een waarheidstabel voor de invoer- en uitvoer relatie. Wanneer een set logische poorten met elkaar wordt verbonden, kan hun uiteindelijke uitvoer worden berekend door hun waarheidstabel te maken. Wat onze invoer ook is, de uitvoer is al bepaald.

Houd rekening met de onderstaande toestanden:

• Binary 1 = HIGH = TRUE
• Binary 0 = LOW = FALSE

Of het nu binair, decimaal of hexadecimaal is, de 0 en 1 toestanden worden nog steeds gebruikt om te ontwerpen en te converteren. Als een logisch circuit normaal gesproken +3,5 V tot +5 V ontvangt en genereert, telt het als toestand 1, en lager dan dat telt het als toestand 0.

Er zijn twee soorten digitale circuits, namelijk:

• Sequentieel digitaal circuit wordt beïnvloed door de vorige output statussen als zijn huidige input statussen.
• Combinatie digitaal circuit gebruikt alleen de huidige input statussen.

De samenvatting van combinatorische en sequentiële logica wordt hieronder getoond. Links is combinatorisch, rechts sequentieel:

Deze toestanden worden verder verwerkt door logische poorten:

• AND
• OR
• NOT

Deze drie kunnen verder worden gecombineerd tot NAND, NOR, XOR en nog veel meer.

Digitaal circuit ontwerp

Digitaal circuit ontwerp is het ontwerpproces van het bouwen van een circuit dat bestaat uit verschillende halfgeleiders zoals logische poorten, transistoren, logische poorten en een paar basistypen circuit componenten zoals weerstand, inductor en condensator. Digitaal circuit volgt de Booleaanse algebra en de discrete signalen, nul en één.

Bij het ontwerpen van een digitaal circuit moeten we ernaar streven om ons circuit zo eenvoudig mogelijk te maken. Logische redundantie wordt vaak door ingenieurs gebruikt om de complexiteit van het circuit te verminderen.

Hoe complexer ons circuit, hoe meer kosten we moeten maken en hoe meer fouten we zullen krijgen. Minder complex betekent minder componenten, minder potentiële fouten en minder kosten. Om dit te bereiken, hoeven we niet meteen geavanceerde componenten te implementeren.

Zoals we hebben geleerd over elektrische circuit analyse, heeft een digitaal circuit zijn eigen manier om te worden geanalyseerd en geoptimaliseerd. De bekende technieken zijn:

• Karnaugh-kaarten
• Binair diagram
• Booleaanse algebra
• Heuristische computermethode
• Quine-McCluskey-algoritme.

De eerste drie zijn de basis en de rest kan eenvoudig worden uitgevoerd met een computerondersteund ontwerp systeem.

Microcontrollers en programmeerbare logische controllers zijn voorbeelden van ingebedde systemen en zijn erg populair om een ​​complex systeem te bouwen met minimaal circuit ontwerp met hun eigen sterke eigenschappen.

Zoals hierboven vermeld, kan de invoer- en uitvoer relatie van digitale circuits nauwkeurig worden berekend met de waarheidstabel. Maar houd in gedachten dat er twee soorten digitale systemen zijn, combinatorische systemen en sequentiële systemen.

Een combinatorisch systeem is een digitaal circuit waarvan de uitvoer wordt bepaald door de huidige uitvoer.

Daartegenover staat dat een sequentieel systeem zijn uitvoer terugkoppelt naar zijn invoer. Op deze manier is de uitvoer afhankelijk van zijn eerdere invoer om een ​​”reeks” van bewerkingen te genereren.

Bovendien worden combinatorische systemen onderverdeeld in synchrone sequentiële systemen en asynchrone sequentiële systemen.

Het verschil is dat het synchrone systeem zijn uitvoer status verandert wanneer het kloksignaal van status verandert. Het asynchrone systeem propageert wijzigingen wanneer de invoer verandert. Door dit digitale circuit ontwerp te leren, leren we over de bekende JK Flip Flop, SR Flip Flop, D Flip Flop, T Flip Flop en Master Slave Flip Flop.

Een synchroon digitaal circuit is eenvoudig te maken met een basis flip-flop zoals D, T, RS of JK. Natuurlijk komen we nergens door alleen flip-flops te combineren. We hebben één circuit element nodig voor een status register. Dit is ook een type flip-flop, dat een binair getal genereert en fungeert als een klok (CLK).

Om een ​​synchroon systeem te bouwen, maken we een combinatorische logica en een set flip-flops als een toestand register. Deze combinatorische logica genereert het binaire getal voor de volgende toestand.

Elke keer dat de CLK een cyclus voltooit (1 – 0 – 1), wordt de uitvoer naar rechts verschoven en het toestands register legt ook de feedback vast van de uitvoer van de vorige toestand. Dit is een nadeel van een synchroon systeem, omdat het wordt aangestuurd door de CLK-snelheid, kan het niet op zijn volledige snelheid werken. Maar omdat het kan worden aangestuurd met de CLK, is het eenvoudig om te verifiëren of het synchrone systeem ons ontwerp volgt of niet.

Daartegenover staat dat het asynchrone systeem niet afhankelijk is van CLK, dus het kan zijn maximale snelheid van zijn logische toestanden benutten. Voorbeelden hiervan zijn switch debouncer, synchronizer flip-flop en arbiter.

Het is in principe moeilijker om een ​​asynchroon systeem te voorspellen en zijn uitvoer te ontwerpen, omdat we alle mogelijke toestanden in alle mogelijke timings moeten evalueren. We moeten voorzichtig zijn bij het ontwerpen van dit type digitaal circuit, omdat we per ongeluk onverwachte output op onverwachte momenten kunnen produceren.

Dit is de reden dat een asynchroon digitaal circuit instabiel is.

Digitale geïntegreerde schakelingen

Zoals hierboven uitgelegd, worden digitale circuits meestal opgebouwd uit een set logische poorten. De constructie van logische poorten kan met elkaar worden verbonden om een ​​combinatorische logica te maken.

Basis- of complexe combinatorische logica kan worden opgelost, geanalyseerd en ontworpen door de Booleaanse logica in kaart te brengen. Logische poorten worden meestal gemaakt door elektrische schakelaars zoals transistoren. De uitvoer van logische poorten kan worden gebruikt als invoer voor andere logische poorten.

Een digitaal geïntegreerd circuit is een apparaat dat verschillende digitale elektrische componenten combineert in een kleine halfgeleider chip. Bekijk het geïntegreerde circuit SN7400N hieronder dat drie AND-poorten in een enkele chip heeft.

Natuurlijk zijn er veel chip varianten die als logische poorten voor onze behoeften kunnen dienen.

Zoals in het begin vermeld, zijn digitale circuits en digitale geïntegreerde circuits uitstekend in het verwerken van discrete waarden (0 en 1). Met deze eigenschap wordt digitale IC ook gebruikt als een schakelapparaat, omdat het de AAN- en UIT-condities vertegenwoordigt.

Digitale geïntegreerde circuits kunnen worden gebouwd uit de combinatie van flip-flops, logische poorten en multiplexers. Of het gemakkelijker te bouwen is dan een analoog circuit, hangt af van onze berekening van Booleaanse algebra om het circuit te vereenvoudigen.

Er zijn verschillende toepassingen van digitale geïntegreerde circuits, de voorbeelden zijn:

• Logisch geïntegreerd circuit
• Geheugen Chip
• Power management geïntegreerd circuit
• Programmeerbaar geïntegreerd circuit
• Interface geïntegreerd circuit

Houd er rekening mee dat digitale en analoge schakelingen elkaar vaak aanvullen. Daarom bestaan ​​er digitaal-naar-analoog-converter schakelingen (DAC) en analoog-naar-digitaal-schakelingen (ADC).

Veelgestelde vragen