یکشنبه , ۱ مرداد ۱۳۹۶
آخرین نوشته‌ها
خانه | الکترونیک | الکترونیک دیجیتال | مفاهیم و سیستم های دیجیتالی
آموزش ویدیوی طراحی و شبیه سازی مدارهای آنالوگ و دیجیتال

مفاهیم و سیستم های دیجیتالی

سلام بر شما دوستان خوب. از امروز می خواهیم آموزش مبانی دیجیتال رو شروع کنیم و کمی وارد دنیای دیجیتال بشیم. امروزه همه ی سیستم های الکترونیکی دارن دیجیتالی میشن و این خیلی مهمه که ما از دیجیتال سر دربیاریم و با اون آشنا باشیم. امروز می خواهیم در مورد مفهوم دیجیتال صحبت کنیم و بگیم که دیجیتال چیه و سیستم های دیجیتالی چه گونه کار می کننند و چه ویژگی هایی دارن که انقدر گسترده شدن. امیدوارم مطلب به دردتون بخوره 🙂

مفاهیم و سیستم های دیجیتالی

 

۱

 

مقدمه

از پاپیروس تا اینترنت ، عنوانی است که برای شرح کلی و اجمالی تاریخ انقلاب دیجیتالی می توان بیان کرد. پیشرفت بزرگ بشر در توسعه ارتباطات ، از کشف کاغذ گرفته تا اختراع ماشین چاپ در جهت گیری سرعت ارتباطات نقش به سزایی را ایفا می کردند.

پس از آن ماشین های چاپ پیشرفت کردند و در سال ۱۸۶۶ بهترین ماشین چاپ اختراع شد و در همان سال ها ماشیت تلگراف نیز اختراع شد و پیام تاریخی ( خداوند چه ساخته است؟) ارسال گردید.

ساخت نخستین ایستگاه های رادیویی و سپس تلوزیونی و عرصه رایانه های شخصی و تولید ابر رایانه های غول پیکر و دست یابی به تکنولوژی ساخت قدرتمند ترین پردازشگر های مرکزی رایانه ها ، همه و همه انسان را در قرن بیست و یکم ، در جامعه دهکده جهانی قرار داد.

رایانه که هدفش جایگزینی با مغز انسان است ، در برابر نگاه حیرت زده و متعجب ما در حال تغییر و جهش های باز هم فوق العاده و بی سابقه است. فناوری اطلاعات و ارتباطات خواسته یا ناخواسته ما را وارد عصری نو می کند که خصوصیت اصلی آن انتقال آنی داده ها و گسترش ارتباطات و شبکه های الکترونیکی است. شبکه های الکترونیکی ، حجم بالای اطلاعات تولید شده را طبقه بندی می کنند و قادرند با قابلیت ممتاز خود ، امکان دست یابی آنی را برای کاربران از همه نقاط جهان در زمان بسیار کم ( در چند صدم ثانیه ) ، فراهم کنند.

به نظر می آید که انقلاب دیجیتالی پایانی ندارد. انقلابی که مرزها را درنوردیده اند و حتی محصور به مغز های دانشمندان نیست.

 

مفهوم دیجیتال

 

۲

 

یک سیستم دیجیتالی ، سیستمی است که در آن اطلاعات به صورت رقمی ارائه و پردازش می شوند. سامانه های پایه ریزی شده برمبنای سیگنال های پیوسته را سامانه های آنالوگ می نامند. بعضیی از ساعت هایی که زمان را به وسیله عقربه های ساعت ، دقیقه و ثانیه شمار نشان می دهند و حرکتی پیوسته دارند ، ( نه آن حرکتی که عقربه های ثانیه شمار یک ثانیه ، یک ثانیه پرش می کند) مثالی از یک وسیله آنالوگ است. شکل زیر نمونه ای از یک ساعت آنالوگ را نشان می دهد :

۳
ساعتی که زمان را با ارقام ده دهی نشان می دهد و  سیستم آن بر مبنای سیگنال های پالسی است یک وسیله دیجیتالی است :

۴

پس تا این جا کمی با سیستم های آنالوگ  دیجیتال آشنا شدیم و اساس کار آن های را فهمیدیم. در شکل زیر برای آشنایی با امواج آنالوگ و دیجیتال شکلی را قرار دادیم تا بهتر با سیگنال های آنالوگ و دیجیتالی آشنا شوید :

دیجیتال

 

مزایای سیستم های دیجیتال نسبت به آنالوگ

کامپیوتر های آنالوگ و سایر سیستم های آنالوگ ، قبل از اینکه تجهیزات دیجیتالی ساخته شوند به مدت طولانی ، استفاده می شدند. پس چرا سیستم های دیجیتالی جایگزین سیستم های آنالوگ شده اند ؟ برای پاسخ به این سوال چندین دلیل وجود دارد :

  • عموما فناوری های دیجیتال ، قابلیت انعطاف پذیری بیشتری را نسبت به فناوری های آنالوگ ارائه می دهند ، چون به سادگی برای اجرای هر الگوریتم ( حل مساله به صورت مرحله مرحله ) دلخواهی برنامه ریزی می شوند با قابل برنامه ریزی هستند.
  • مدار های دیجیتال قابلیت پردازش بسیار قدرتمندتری را تحت عنوان سرعت ارائه می دهند.
  • اطلاعات عددی می توانند به صورت دیجیتالی و با دقت وضوح بیشتری در مقایسه با سیگنال های آنالوگ ارائه شوند.
  • دخیره اطلاعات و بازیابی آن ها در سیستم های دیجیتالی ساده تر است.
  • ابعاد سیستم های دیجیتالی نسبت به سیستم های مشابه آنالوگ به طور چشمگیری کاهش یافته است.

مفهوم صفر و یک منطقی

من چراغی را روشن و خاموش می کنم، می خواهم به ماشین بگویم چراغ خاموش یا روشن است، چگونه می توانم این مفهوم را به ماشین انتقال دهم ؟ ماشین مفهوم روشن را نمی داند. برای فهماندن به ماشین ، مفهوم صفر و یک را تعریف می کنم. می گویم اگر ولتاژ به حد معینی رسید یعنی یک است. یعنی لامپ روشن است و اگر ولتاژ در حد معینی پایین آمد و نزدیک صفر شد مفهوم آن صفر است یعنی لامپ خاموش است. یا به عبارت دیگر ماشین چگونه می تواند تاریکی و روشنی را تشخیص دهد؟ روشنی به معنی ۱ و تاریکی به معنی صفر است.

۶

اکنون می خواهیم این دو حالت لامپ را نام گذاری کنیم. به لغت های زیر که برای این منظور به کار رفته اند، توجه کنید.

 Off-Low – خاموش                لامپ در حالت خاموش

On-High – روشن                  لامپ در حالت روشن

هریک از این لغت ها را طبق قراردادی که خود تدوین کرده ایم، می توانیم به کار ببریم. اما در زمینه پیشنهاد دیگری نیز می توان ارائه کرد:

۰                       لامپ در حالت خاموش

۱                         لامپ در حالت روشن

بنابراین نماد صفر و یک نماد سمبل هایی هستند که برای نمایش دو وضعیت مختلف ( بسته یا باز ) به کار می روند. درمورد کلید می توان حالت باز را  ۰  و حالت بسته را ۱  در نظر گرفت.

در الکترونیک صفر و یک بیان کننده سطوح ولتاژ می باشند و به مفهوم خاموش و یا روشن بودن لامپ نیستند. هر چند که در علوم مهندسی در هر سیستم دو وضعیتی برای نمایش حالات از صفر و یک استفاده می شود اما در الکترونیک این گونه نیست.

بدین معنا که ولتاژ حدود صفر ولت ( عملا از صفر تا ۰٫۸ ولت ) به منزله صفر منطقی و ولتاژ حدود ۵ ولت ( عملا از ۲ تا ۵ ولت ) به منزله یک منطقی در نظر گرفته می شود. در شکل زیر سطح ولتاژ صفر و یک منطقی را مشاهده می کنید. در این نمودار یک منطقی بین ولتاژ های ۲ تا ۵ و صفر منطقی بین ولتاژ های صفر تا ۰٫۸ ولت قرار دارد.

۷

مفهوم دروازه های منطقی ( Basic logic Gates )

دروازه های منطقی مبنای سیستم های دیجیتالی می باشند و تمام مدار های دیجیتالی از این دروازه های منطقی تشکیل شده اند. دروازه های منطقی ، اساس کار ماشین حساب ، کامپیوتر ها ، مدار های کنترل و … است. به عبارت دیگر یک کامپیوتر یا ماشین حساب و … از تعدادی دروازه های منطقی تشکیل شده است.

دروازه منطقی در حقیقت یک مدار الکترونیکی است که یک یا چند ورودی و فقط یک خروجی دارد. شکل زیر بلوک دیاگرام دروازه منطقی را نشان می دهد.

۸

در مدار های غیر کامپیوتری ، ساخت دروازه های منطقی با استفاده از کلید ها ، شستی ها ، رله ها و .. نیز امکان پذیر است اما به دلیل پایین بودن سرعت قطع و وصل این گونه قطعات، آن ها با قطعات الکترونیکی قابل مقایسه نیستند. لذا در مواردی که سرعت قطع و وصل مطرح نیست و تعداد دروازه ها نیز بسیار محدود است، از این قطعات هم برای ساختن دروازه های منطقی استفاده می شود.

به طور کلی و خلاصه یک دروازه منطقی ، یک مدار الکترونیکی یا .. است که با توجه به حالت هایی که به ورودی آن داده می شود ( صفر یا یک منطقی) ، خروجی آن نیز در وضعیت صفر یا یک منطقی قرار می گیرد. بدین ترتیب ، انواع دروازه های منطقی وجود دارد که در جلسات بعد به طور مفصل آن ها را بررسی می نماییم.

 

اشاره ای به سیستم های اعداد

اعداد را می توان در مبناهای مختلفی بررسی کرد. در این قسمت چند مبنای پر استفاده را بیان می کنیم :

۱ – سیستم ده دهی ( اعشاری Decimal ) :

سیستم اعداد ده دهی ( اعشاری ) از ده علامت ۰ و ۱ و۲ و … ۹ تشکیل شده اند . این مبنا در سیستم های محاسباتی و عملیات های ریاضی روزمره کاربرد دارند.

۲ – سیستم دودویی ( Binary ) :

در سیستم دودویی علایم به کار رفته ۰ و ۱ هستند. برای شمارش صفر و یک از این علامت ها استفاده می کنیم و برای نمایش دادن اعداد بزرگتر از یک ، این دو علامت ا طبق قوائد خاصی پشت سر هم قرار می دهیم. در این سیستم نیز هر علامت متناسب با مکانی که در آن قرار می گیرد ( یا موقعیت رقم ) ارزش خاصی را پیدا می کند. به طور کلی در سیستم دودویی هر عدد را می توان به صورت زیر نوشت :

۱۴

در سیستم دو تایی به هر رقم صفر یا یک ، یک بیت ( Binary Digit = Bit ) می گویند ، مثلا عدد ۱۱۰۱ یک عدد چهار بیتی است.

در یک عدد باینری مثلا ( ۱۱۰۱۱۱ ) بیت اول سمت راست کم ارزش ترین بیت است که به آن  LSB (Least significant Bit) می گویند. به آخرین بیت در سمت چپ که با ارزش ترین بیت است MSB (Most significant Bit) گفته می شود. توجه داشته باشید که ارزش ارقام دقیقا مشابه سیستم اعشاری است.

۹
در جدول زیر اعداد باینری از صفر تا ۱۵ به همراه معادلشان نشان داده شده است :

۳ – سیستم هشت تایی ( اکتال Octal )

در سیستم اکتال ( هشت تایی ) مبنا ، عدد ۸ و تعداد علامت ها هشت رقم به صورت ( ۰ و ۱ و ۲ … و ۷ ) است. برای نمایش دادن اعداد از صفر تا هفت ، از این علامت ها استفاده می شود. برای اعداد بزرگتر از هفت ، این علامت ها را طبق قوائد خاصی پشت سر هم قرار می دهیم.

۴ – سیستم شانزده تایی ( هگزادسی مال Hexa decimal )

در این سیستم ( ۱۶ تایی ) ، ۱۶ علامت شامل ۰ ، ۱ ، ۲ ، … ۹ ، A ، B ، C ، D ، E و F به کار می رود. در این سیستم برای نمایش عدد های بیشتر از ۹ و کمتر از ۱۶ باید از یک علامت استفاده کرد و نمی توان مثلا عدد ۱۰ را به همین صورت نشان داد چون یک عدد دو رقمی است که هم صفر و یک دارد و با صفر و یک اصلی اشتباه می شود. به همین دلیل از حروف استفاده می شود.

 

مکمل های اعداد در مبنای باینری

مکمل ۱ : برای بدست آوردن مکمل ۱ در هر عدد دودویی ( باینری ) کافی است صفر ها را یک و یک ها را به صفر تبدیل کنیم. مثلا برای عدد باینری ۰۱۱۱۰۱ مکمل یا متمم یم آن به صورت ۱۰۰۰۱۰ خواهد شد.

مکمل ۲ : در سیستم دودویی مکمل ۲ براساس مبنا یا پایه تعریف شده است. برای به دست آوردن مکمل ۲ در هر عدد باینری به صورت زیر عمل می کنیم :

ابتدا اولین ارقام صفر را از سمت راست می نویسیم به اولین یک که رسیدیم آن را نوشته ، سپس بیت ها را متمم می کنیم یعنی صفر ها را به یک و یک ها را به صفر تبدیل می کنیم.

مثلا برای عدد باینری ۰۱۱۰۰ از سمت راست ، ابتدا دو صفر آن را نوشته و اولین یک از سمت راست را نیز می نویسیم سپس دومین یک از سمت راست را صفر می کنیم و بعد صفر را یک کرده و آن را می نویسیم.

۱۱

تراز های ولتاژ ( Voltage Levels )

مدار های منطقی که جز سیستم های دیجیتالی هستند قادرند با صفر و یک عمل کنند و گفتیم که صفر و یک در سیستم دیجیتالی دو سطح از ولتاژ است. مدار های منطقی قادرند دو نوع ولتاژ زیر را از یکدیگر تشخیص دهند :

الف) ولتاژ بالا ( High )

ب) ولتاژ پایین ( Low )

معمولا مقدار واقعی ولتاژ چندان مهم نیست و در یک محدوده مشخصی از ولتاژ ممکن است این دو حالت اتفاق بیفتد بنابراین ، این ولتاژ ها فقط به صورت بالا ( High ) یا پایین ( Low ) و یا به اختصار H و L بیان می شوند. ولتاژ های H و L را تراز های ولتاژ ( Voltage Levels ) نیز می گویند.

به عنوان مثال ممکن است ولتاژ بالا را بین ۲ ولت تا ۵ ولت و ولتاژ پایین را بین صفرولت تا ۰٫۸ ولت در نطر بگیرند. مقدار این ولتاژ ها را در این دو فاصله با دو حرف H و L که مخفف High و Low است می شناسند.

۱۲

 معمولا به جای استفاده از حروف H و L اکثرا از نماد های ۱ و ۰ برای توصیف حالت ورودی ها و خروجی های مدار های منطقی استفاده می کنند. ورودی ها و خروجی ها با دو حالت زیر تعریف می شوند.

الف) منطق مثبت ( Positive Logic )

ب) منطق منفی ( Negative Logic )

در منطق مثبت عدد ۱  نشان دهنده ولتاژ بالا ( H ) و صفر نشان دهنده ولتاژ پایین ( L ) است.

در منطق منفی عدد ۱ نشان دهنده ولتاژ پایین ( L ) و صفر نشان دهنده ولتاژ بالا ( H ) است.

۱۳

 

آی سی های دروازه های منطقی

در عمل دروازه های منطقی را در بسته بندی آی سی یا مدار مجتمع می سازند و در هر یک از این آی سی ها چندین دروازه منطقی یا گیت دیجیتالی وجود دارد.

معمولا در ساخت دروازه های منطقی که به صورت آی سی در اختیار ما قرار می گیرند ، از ترانزیستور های معمولی BJT یا ترانزیستور های MOSFET استفاده می شود.

اگر در یک آی سی از فناوری ترانزیستور های معمولی استفاده شود ، نام آن با حروف SN74 آغاز می شود و شماره هایی که بعد از عدد ۷۴ می آید نوع دروازه منطقی را مشخص می کند. با مراجعه به کتاب های اطلاعات آی سی می توان به نوع  آی سی پی برد. به این نوع آی سی ها ، سری TTL می گویند.

اگر در ساخت آی سی مدار های منطقی از فناوری ترانزیستور MOSFET استفاده شده باشد نام آی سی با حروف CD40 شروع می شود. شماره هایی که بعد از ۴۰ قرار می گیرند ، نوع دروازه منطقی را مشخص می کند. به این نوع آی سی ها سری CMOS می گویند.

ولتاژ تغذیه آی سی های سری TTL از ۴٫۷۵ ولت تا ۵٫۲۵ ولت و ولتاژ تغذیه آی سی های سری CMOS از ۳ ولت تا ۱۵ ولت است. ولتاژ سطح منطقی یک در این نوع آی سی ها ، حدود ولتاژ تغذیه آن است.

آشنایی با سری خانواده TTL

حروفی که همواره با شماره تراشه ( IC ) می آید دسته بندی می شود که در این قسمت به تشریح تعدادی از این دسته بندی می پردازیم.

الف ) تراشه های TTL استاندارد ( STD TTL )

در دسترس ترین . ارزان ترین و در عین حال متنوع ترین نوع آی سی هاست. این آی سی ها دارای تاخیر در انتشار حدود ۱۰ns و توان مصرفی هر دروازه حدود ۱۰mW می باشد.

ب) تراشه های TTL شاتکی کم مصرف پیشرفته ( ALS TTL )

شبیه سری LS است ولی در فرایندهای ساخت آن از فناوری پیشرفته تری استفاده شده است. ضریب تقویت بالا ، تاخیر در انتشار حدود ۴nS و توان مصرفی هر دروازه حدود ۱mW از ویژگی های این نوع آی سی است.

پ) تراشه های TTL شاتکی پیشرفته ( AS TTL )

برای سرعت های بالا ساخته شده است که این افزایش سرعت میزان جریان مصرفی آن را زیاد کرده است. تاخیر در انتشار در این نوع آی سی ها حدود ۱٫۵nS و توان مصرفی هر دروازه حدود ۲۲mW است.

ت) تراشه های TTL شاتکی سریع ( FTTL )

از نظر سرعت و توان مصرفی مانن سری AS هستند.

ث) تراشه های TTL توان بالا ( H TTL )

به علت جریان مصرفی بسیار بالا از رده خارج شده است.

ج) تراشه های TTL شاتکی توان پایین ( L TTL )

به علت سرعت پایین از رده خارج شده است.

چ) تراشه های TTL شاتکی کم مصرف ( LS TTL )

نسبت به سری استاندارد سرعت بیشتری دارد و توان مصرفی آن ۰٫۲ برابر نوع استاندارد و شبیه سری ALS هستند.

ح) تراشه های TTL شاتکی ( S TTL )

نوع اطلاح شده با سرعت بالا و مصرف پایین است.

آشنایی بیشتر با آی سی های CMOS

این آی سی نیز دارای خانواده C،AC،HC و HCT می باشد.

تغذیه آی سی های گروه CMOS : خانواده گروه C در رنج ولتاژ‌ بین ۳تغذیه ۳ تا ۱۵ ولت کار می کنند. خانواده گروه AC ،HC و HCT بین تغذیه ۲ تا ۶ ولت کار می کنند

– مقدار ولتاژ خروجی  در حالت ۱ و ۰

در تمامی این خانواده ولتاژ خروجی در حالت LOW یا صفر برابر ۰٫۱ ولتاژ مثبت است.
ولتاژ خروجی در حالت یک یا HIGH در خانواده گروه C از حاصلضرب ۰٫۹ در مقدار مثبت منبع تغذیه بدست می آید.
ولتاژ خروجی در حالت یک یا HIGH در بقیه خانواده این گروه از تفریق مثبت تغذیه از مقدار عددی ۰٫۱ بدست می آید.

– جریان خروجی خانواده گروه  CMOS

مقدار جریانی که می تواند بدهد  آی سی های نوع CMOS
مقدار جریانی که می تواند بدهد  برای خانواده گروه C برابر ۳٫۳mA مقدار جریانی که می تواند بدهد  برای خانواده گروه AC برابر ۵۰mA
مقدار جریانی که می تواند بدهد  برای خانواده گروه HC,HCT برابر ۲۵mA

– تغذیه در گروه  CMOS

خانواده گروه C در رنج ولتاژ‌ بین ۳ تغذیه ۳ تا ۱۵ ولت کار می کنند.
خانواده گروه AC ،HC و HCT بین تغذیه ۲ تا ۶ ولت کار می کنند.

 

خسته نباشید. این بخش برای آشنایی با سیستم های دیجیتالی خوب بود و دید خوبی از سیستم های دیجیتالی به شما میده. از جلسه بعد هم  وارد دیجیتال خواهیم شد و از دیجیتال بیشتر خواهیم گفت. یا علی 🙂

Total 27 Votes
1

Tell us how can we improve this post?

+ = Verify Human or Spambot ?

درباره‌ی مهدی یار

مهدی یار هستم | دانشجوی رشته الکترونیک | زمینه تحقیقاتی: الکترونیک قدرت | فعالیت در حوزه میکروکنترلر AVR , PIC و منابع تغذیه سویچینگ | انجام پروژه های صنعتی و دانشگاهی |طراحی PCB

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.