Цифровые схемы или цифровая электроника — это электроника, которая использует цифровые сигналы. Они отличаются от аналоговых схем тем, что аналоговые схемы работают на аналоговых сигналах, работа которых гораздо больше зависит от затухания сигнала, производственного допуска и шума, как правило, дизайнеры используют большие сборки логических вентилей на интегральных схемах для создания цифровых схем.
В этом дружественном руководстве мы расскажем вам все о цифровых схем. Читайте дальше, чтобы узнать больше.
Содержание
| Глава 1 Краткая история цифровых схем | Глава 2 Свойства цифровых схем |
| Глава 3 Построение цифровых схем | Глава 4 Проектирование цифровых схем |
| Глава 5 Вопросы проектирования цифровых схем | Глава 6 Последние разработки в области цифровых схем |
| Глава 7 Резюме |
Краткая история цифровых схем
В 1705 году Готфрид Вильгельм Лейбниц усовершенствовал двоичную систему счисления. Лейбниц установил, что, используя двоичную систему, можно объединить принципы арифметики и логики. В середине 19-го века Джордж Буль задумал цифровую философию, какой мы ее знаем сегодня. Позже, в 1886 году, Чарльз Сандерс Пирс объяснил, как ученые могут выполнять логические операции, переключая электрические коммутационные цепи. Тогда вместо реле для логических операций конструкторы стали использовать вакуумные трубки.
С развитием цифровых компьютеров после Второй мировой войны числовой расчет заменил аналоговый. Вскоре чисто электронные элементы схемы переняли у своих механических и электромеханических аналогов.
В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели транзистор MOSFET, который произвел революцию в электронной промышленности. С конца 20-го века транзистор MOSFET играл неотъемлемую роль в построении цифровых схем. В настоящее время это самое популярное полупроводниковое устройство во всем мире.
Изначально каждый чип интегральной схемы имел всего несколько транзисторов. По мере развития технологий стало возможным размещать миллионы Транзисторов МОП-транзисторов в одном чипе. Сегодня дизайнеры могут поместить миллиарды транзисторов MOSFET в один чип. Это свидетельствует о том, как далеко продвинулись цифровые схемы с первых дней.
2. Свойства цифровых схем
Одна из главных причин, по которой цифровые схемы очень доступны, как мы упоминали ранее, заключается в том, что их легко представить в цифровом виде без шума, ухудшающего их. Например, до тех пор, пока звук, улавливаемый во время передачи, недостаточен для предотвращения идентификации маршрута, последовательные звуковые сигналы могут быть восстановлены в порядке 1 с и 0 с без каких-либо ошибок.
Чтобы получить более точное представление в цифровой системе, вы можете представить сигнал, используя больше двоичных цифр. Конечно, это требует больше цифровых схем, но поскольку одно и то же оборудование обрабатывает каждый номер, система легко масштабируется. Все по-другому с аналоговой системой, которая нуждается в фундаментальных улучшениях в шумовых характеристиках и линейности для получения нового разрешения.
Там, где вы используете цифровые системы с компьютерным управлением, можно добавить гораздо больше функций с помощью версии программного обеспечения. Другими словами, вам не нужны никакие изменения оборудования. Кроме того, вы можете внести любые улучшения в свою цифровую систему за пределами завода, просто обновив программное обеспечение.
Еще одним свойством цифровых схем является то, что они позволяют более доступно хранить информацию. Это связано с тем, что цифровые системы невосприимчивы к помехам и могут хранить и извлекать данные без снижения производительности.
Многие из новейших цифровых систем обычно переводят непрерывные аналоговые системы в цифровые сигналы. Это может привести к ошибкам квантования. Чтобы эти ошибки были минимальными, убедитесь, что цифровая система может хранить адекватные цифровые данные для представления сигнала с желаемой степенью точности.
3. Построение цифровых схем
Инженеры используют различные способы построения логических вентилей. Мы рассмотрим некоторые из них ниже.
3.1 Построение с использованием логических вентилей
Производители цифровых схем обычно используют небольшие электронные схемы, известные как логические затворы, для создания цифровых курсов. С помощью этих логических вентилей можно создавать комбинационную логику. Каждый логический вентиль действует на логические сигналы для выполнения функции булевой логики. Как правило, дизайнеры используют переключатели с электронным управлением для создания логических вентилей. Обычно эти переключатели являются транзисторами. Термоионные клапаны также могут помочь выполнить ту же работу. Выходные данные одного логического вентиля могут подаваться в другие логические вентили или управлять ими.
3.2 Построение с помощью таблиц подстановки
Второй тип цифровых схем имеет конструкцию из таблиц подстановки. Как правило, таблицы подстановки выполняют те же функции, что и цифровые схемы, основанные на логических элементах. Существенным преимуществом цифровых каналов, основанных на таблицах подстановки, является то, что дизайнеры могут легко перепрограммировать их, не внося никаких изменений в проводку. Другими словами, легко исправить ошибки конструкции без необходимости изменения расположения проводов. Таким образом, при работе с продуктами малого объема разработчики предпочитают программируемые логические устройства другим видам цифровых схем. При разработке этих программируемых логических устройств инженеры обычно используют программное обеспечение для автоматизации проектирования.
3.3 Интегральные схемы
При построении интегральных схем инженеры используют несколько транзисторов на одном кремниевом чипе. Это самый доступный способ создания большого объема взаимосвязанных логических вентилей. Обычно дизайнеры соединяют интегральные схемы на печатной плате (PCB), которая представляет собой плату, которая содержит различные электрические компоненты и соединяет их с медными следами.
4. Проектирование цифровых схем
При проектировании цифровых схем инженеры используют различные способы снижения логической избыточности, тем самым сводя к минимуму сложность схемы. Но почему важно поддерживать низкую сложность схемы? Ну, минимальная сложность уменьшает количество компонентов и предотвращает потенциальные ошибки, что, в свою очередь, снижает затраты. Некоторые из наиболее распространенных методов уменьшения логической избыточности включают булеву алгебру, двоичные диаграммы принятия решений, алгоритм Куайна-Маккласки, карты Карнау и эвристический компьютерный метод. Инженеры-программисты обычно используют эвристические компьютерные методы для выполнения этих операций.
4.1 Представительство
Представление является неотъемлемой частью, когда дело доходит до проектирования цифровых схем. Классические инженеры представляют цифровые схемы, используя эквивалентный набор логических вентилей, где дизайнеры используют различную форму для представления каждого логического символа. Инженеры также могут построить эквивалентную систему электронных переключателей для представления цифровых схем. Представления обычно имеют числовые форматы файлов для автоматизированного анализа.
4.1.1 Комбинация и последовательность
При выборе изображений дизайнеры обычно учитывают различные типы цифровых систем. Двумя общими группами цифровых систем являются комбинированные системы и последовательные системы. Комбинированные системы представляют одни и те же выходы для одних и тех же входов. Последовательные системы, с другой стороны, представляют собой комбинированные системы, которые связывают некоторые выходы в качестве входов.
Существуют еще две подкатегории последовательных систем: синхронные последовательные системы, которые изменяют состояние все сразу, и асинхронные последовательные системы, которые меняются каждый раз при изменении входных данных.
4.1.2 Компьютерный дизайн
Компьютер является самым обычным логическим оборудованием общего назначения для передачи регистров. Машина представляет собой автоматический бинарный счет. Микросеквенсор запускает блок управления сетью, который сам по себе является микропрограммой. Подавляющее большинство компьютеров являются синхронными, хотя на рынке также были асинхронные компьютеры.
4.2 Проблемы проектирования в цифровых схем
Поскольку инженеры используют аналоговые компоненты в цифровых электронных схемах, аналоговый характер таких компонентов может мешать желаемому цифровому поведению. Таким образом, дизайн цифровых каналов должен управлять такими темами, как временные поля, шум, емкость и паразитные индуктивности.
4.3 Инструменты проектирования цифровых схем
На протяжении многих лет инженеры разрабатывали большие логические машины, которые направлены на минимизацию дорогостоящих инженерных усилий. В настоящее время существуют компьютерные программы, известные как электронные средства автоматизации проектирования (EDA), которые существуют для этой цели. Например, есть программное обеспечение для технологичности, которое оказывает отличную помощь разработчикам цифровых схем.
4.4 Тестирование логической схемы
Основная причина, по которой инженеры тестируют логическую схему, если проверить, соответствует ли конструкция временным и функциональным спецификациям. Крайне важно изучить каждую копию цифрового канала, чтобы убедиться, что производственный процесс не внес недостатков.
5. Рекомендации по проектированию цифровых схем
Прогресс в разработке цифровых схем был медленным, но устойчивым. Мы проследим это путешествие, взглянув на различные логические семейства ниже.
5.1 Реле
Первый дизайн цифровых каналов отличался релейной логикой. Такая конструкция была надежной и недорогой. Тем не менее, он был медленным, и были случайные механические сбои. Обычно было десять вееров, которые дугой на контактах.
5.2 Пылесосы
Вакуумная логика сразу же последовала за логикой реле. Основным преимуществом пылесосов было то, что они были быстрыми. Тем не менее, вакуумы генерировали много тепла, и нити часто сгорали. Разработка компьютерных трубок в 1950-х годах была значительным улучшением пустот, поскольку эти компьютерные трубки могли работать в течение сотен тысяч часов.
5.3 Резисторно-транзисторная логика
Это было первое семейство полупроводниковой логики. Резисторная транзисторная логика была в тысячи раз надежнее ламп. Он использовал гораздо меньше энергии и работал прохладнее. Тем не менее, его раздувание было очень низким: Всего 3. Позже логика диодного транзистора увеличила вентилятор до 7 и еще больше снизила мощность.
5.4 Транзисторно-транзисторная логика
Значительное улучшение по сравнению с предыдущими логиками, транзистор-транзисторная логика имела раздувание 10. Позже этот раздувание улучшилось до 20. Эта логика также была удивительно быстрой. Логика все еще используется сегодня в конкретных цифровых схемах.
5.5 Связанная логика эмиттера
Модель, связанная с излучателем, невероятно быстрая. Однако эта логика использует много власти. Высокопроизводительные компьютеры со среднемасштабными компонентами широко используют эту логику.
5.6 Логика CMOS
КМОП-логика на сегодняшний день является самой популярной логикой для интегральных схем. Логика быстрая, обеспечивает высокую плотность цепи и низкое энергопотребление на логический вентиль. Даже большие быстрые компьютеры используют эту логику.
Последние разработки в области цифровых схем
Исследователи в области цифровых схем в последнее время добились значительного прогресса. Ниже приведены некоторые примеры:
6.1 Использование мемристоров
Например, в 2009 году исследователи обнаружили, что мемристоры могут помочь реализовать хранение логических состояний. Это обеспечивает полное семейство логики, которое имеет небольшое количество энергии и пространства с использованием простых процессов CMOS.
6.2 Открытие RSFQ
Исследователи также обнаружили сверхпроводимость. Это открытие позволяет инженерам разработать технологию быстрой однопоточной квантовой схемы (RSFQ), которая использует переходы Джозефсона, а не транзисторы. В последнее время инженеры пытаются построить чисто оптические вычислительные системы, которые могут обрабатывать цифровую информацию с использованием нелинейных визуальных элементов.
Сводка
Цифровые схемы находятся в центре современной цифровой электроники и компьютерной обработки. С их низкой восприимчивостью к шуму и ухудшению качества, эти схемы гораздо более предпочтительны по сравнению с аналоговыми схемами. А поскольку инженеры и исследователи посвящают себя прогрессу в области цифровых каналов, дизайн и производительность этих устройств будут только улучшаться.
Вы ищете цифровые схемы, которые будут идеально соответствовать вашим уникальным потребностям? В WellPCB мы посвящаем себя предоставлению высококачественных решений для цифровых схем нашим клиентам по всему миру. Посетите наш веб-сайт сегодня, чтобы узнать больше о наших услугах.
