مدار های دیجیتال

مدار های منطقی:
امروزه تعداد بی شماری از دستگاه های الکترونیکی و سایر وسایل با استفاده از تکنولوژی دیجیتال ساخته می شوند و هر روز تعداد آن ها بیش تر می شود، زیرا دستگاه های دیجیتالی دارای ویژیگی هایی هستند که از جمله می توان به این موارد زیر اشاره نمود:

سرعت بالا در انجام کارها،
دقت زیاد در انجام امور،
داشتن حجم کم،
ساده بودن در دادن و گرفتن اطلاعات،
داشتن قابلیت تنوع در ساخت وسایل،

دستگاه هایی که با این ویژگی ها کار می کنند (دیجیتالی) و سایر وسایل را (آنالوگ) گویند.

سیستم های آنالوگ و دیجیتال:
به طور کلی سیستم داخلی و کاری وسایل الکتریکی یا الکترونیکی چه در صنعت چه به صورت وسایل خانگی، هم چون: وسایل اندازه گیری، موتور های الکتریکی، رایانه، ماشین حساب و تلفن – از دو سیستم آنالوگ و دیجیتال است.

سیستم آنالوگ: سیستم آنالوگ به سیستمی گفته می شود که در آن تغییرات سیگنال موج کوچک به صورت پیوسته است، یعنی اطلاعات یا شکل موجی که برای وسیله ی مورد نظر ارسال می گردد در تمامی لحظات وجود دارد و لحظه ی قطعی در شکل موج پدید نمی آید. شکل موج های ولتاژی که در شکل زیر نشان داده شده است معرف سیگنال های آنالوگ هستند:

در سیستم آنالوگ مثلاً در شکل زیر با ایجاد تغییر در مقدار مقاومت متغیر با دست از حداقل تا حد اکثر، می توان با مشاهده ی نور لامپ که به آرامی کم و زیاد می شود، هم چنین با اندازه گیری جریان که عقربه ی آمپرمتر به آهستگی منحرف می شود، مفهوم پیوسته بودن شدت روشنایی لامپ را به خوبی دریافت نمود:

سیستم دیجیتال: گروه دیگری از سیگنال ها وجود دارند که دارای تغییرات پله ای و مجزا هستند و ولتاژ در آن ها بین دو مقدار حداقل و حداکثر تغییر می کند. به سیتم هایی که با چنین ولتاژهایی کار می کنند سیستم های دیجیتالی گفته می شوند. از جمله دستگاه هایی که با این سیستم کار می کنند می توان مراکز تلفن ماشین حساب ها یا رایانه را نام برد. شکل زیر نمونه ای از این سیگنال دیجیتال را نشان می دهد.

با کمک مدار داده شده در شکل زیر و قطع و وصل پی در پی کلید و مشاهده ی نور لامپ یا اندازه گیری جریان آن به پله ای بودن تغییرات ولتاژ می توان پی برد، زیرا هنگام آزمایش با قطع و وصل کلید لامپ با ماکزیمم نور خود روشن و خاموش می شود، هم چنین عقربه ی آمپرمتر نیز در هنگام وصل کلید خیلی سریع منحرف شده، حداکثر مقدار جریان مدار را نشان می دهد و در هنگام قطع نیز خیلی سریع به صفر می رسد. البته با فرکانس پایین تر یا سرعت کم تر قطع و وصل می شود.

سطوح منطقی صفر و یک:
همان گونه که اشاره شد در مدارات دیجیتالی دو حالت موجود است که معمولاً برای بیان وضعیت کاری مدار به کار می رود. مثلاً برای نشان دادن روشن و خاموش بودن لامپ از اصطلاحات مختلفی استفاده می شود.

سطح ولتاژ حداکثر ولتاژ مدارات دیجیتالی دارای مقادیر مختلف بین 5 ولت تا 15 ولت می باشد، یکی از این مقادیر ولتاژی سطح ولتاژ ماکزیمم 5 ولت و سطح مینیمم صفر ولت است.

دروازه های منطقی:
دروازه های منطقی مطابق شکل زیر می باشند عملگرهایی با یک یا چند ورودی و یک خروجی هستند:

ساختمان داخلی دروازه های منطقی را مدارات و قطعات الکترونیکی هم چون دیود ها، ترانزیستورها و ... تشکیل می دهند ولی برای ترسیم مدارات منطقی از علامت اختصاری استفاده می کنیم. هر دروازه ی براساس منطقی خاص که برای وضعیت های ورودی و خروجی آن تعریف شده ساخته می شود. در این جا فقط به بررسی چند دروازه ی مهم و پایه ای می پردازیم.

گیت منطقی AND:
(و) عملگر این دروازه به دروازه ای گفته می شود که در صورتی خروجی آن وجود خواهد داشت (یک می شود) که همه ورودی های آن وجود داشته باشند (یک باشند). مدار کلیدی این گیت به صورت شکل زیر می باشد:

همان گونه که که مشاهده می شود مدار کلیدی دروازه and به صورت کلیدهای سری است و نحوه ی عملکرد آن بدین شکل است که لامپ زمانی روشن خواهد شد که هر دو کلید در حالت وصل باشند و در این صورت است که ولت متر مقدار را نشان می دهد. به اختصار می توان چگونگی عملکرد مدار AND را برای حالت های مختلف به صورت جدول های زیر بیان کرد: هم چنین در نقشه های دیجیتالی این گیت ها را با علایم اختصاری همانند شکل زیر نشان می دهند:

در نقشه های دیجیتالی گیت AND را با علایم اختصاری همانند شکل زیر نشان می دهند:

مدار داخلی یک تراشه OR خانواده TTL 74LS08

گیت منطقی OR:
(یا) عملگرOR یا به دروازه ای گفته می شود که خروجی آن در صورتی وجود خواهد داشت (یک می شود) که حداقل یکی از ورودی های آن وجود داشته باشد. نحوه عملکرد این گیت به صورت مدار کلیدی شکل زیر می باشد:

همان گونه که ملاحظه می شود مدار کلیدی دروازه OR از کلید های موازی تشکیل شده است. همچنین عملکرد دروازه OR در جدول بالا آورده شده است:

مدار داخلی یک تراشه OR خانواده TTL 74LS32

گیت منطقی NOT:
(نفی) عملگرNOT به دروازه ای گفته می شود که خروجی آن همیشه معکوس ورودی است یعنی زمانی خروجی وجود خواهد داشت که متغیر ورودی وجود نداشته باشد صفر باشد. هم چنین براساس وضعیت های کلید می توان مدار زیر را طراحی نمود:

مقاومت R در مدار کلیدی NOT برای کنترل و حفاظت مدار در مقابل جریان اتصال کوتاه است.

مدار داخلی یک تراشه NOT خانواده TTL 74LS04

در هر کدام از گیت های منطقی که از آن سخن گفتیم، منطق خاصی بین صفر و یک های ورودی و خروجی حاکم است. این منطق و تعاریف فقط در بحث الکترونیک یا دیجیتال مطرح نیست، زیرا در مدارات الکتریکی صنعتی تک فازه و سه فازه نیز به نوعی دیگر با این مفاهیم سرو کار داریم.
توجه: گیت های منطقی NAND-NOR-XOR-XNOR هم که در جدول بالا هم عملکرد آنها و هم علایم اختصاری آنها آورده شده کارشان شبیه به گیت های ذکر شده می باشد با این تفاوت که خروجی آنها عکس مدار های ذکر شده است، به همین خاطر به اول آنها حرف X,Nافزوده شده است.

بررسی مدار های منطقی:
هدف از آشنایی با دروازه های منطقی آن است که از آن ها در ساخت مدارهای منطقی استفاده شود. برای این که با چگونگی به کار گیری این گیت ها آشنا شوید چند مثال مطرح می شود:
مثال-1 : یک کارخانه ی تولید برق، جریان سه، بار را تأمین می کند اگر یکی از بارها روشن باشد تنها یک مولد لازم است. وقتی که بیش از یک بار روشن است باید مولد کمکی هم به کار بیفتد. مدارمنطقی (فرمان) لازم برای به کار انداختن مولد کمکی را طرح کنید.
حل: برای رسم مدار منطقی لازم است تا ابتدا جدول صحت را تشکیل دهیم و سپس براساس آن عبارت منطقی بنویسیم. منظور از صحت یعنی هرجا که کار مربوط به مولد ها برطبق خواسته مثال صحیح بود یا یک بود عبارت مورد نظر را می نویسیم. اگر سه بار را به ترتیب A,B,C را ورودی و X را خروجی مدار فرمان مولد کمکی بنامیم در این صورت هرگاه دو یا سه بار روشن باشد خروجی باید یک شود. بنابراین خروجی مدار دارای جدول صحتی به صورت شکل زیر می باشد و عبارت منطقی هم به صورت زیر می شود:

حال با توجه به داده های به دست آمده برای تابع خروجی می توان مدار منطقی را چنین رسم کرد.

توجه: شما می توانید مدار طراحی شد بالا را در نرم افزار شبیه ساز Proteus v7 آزمایش کنید می توانید آن را همراه با مثال های دیگر از لینک معرفی شده آخر همین بخش دانلود نمائید.

در مدار بالا به دلیل وجود نداشتن یک OR با چهار ورودی از یک تراشه NOR و سپس یک NOT استفاده شد تا عمل خواسته شده به درستی انجام شود، چون تراشه NOR خروجی یک را صفر می کرد پس با NOT آن را معکوس می نمائیم حال مسئله در عمل هم جواب می دهد.

مثال-2 : مدار دو متغیره ای را طرح کنید که اگر ورودی های آن باهم برابر باشند خروجی مدار وجود داشته باشد 1 شود.

حل: نخست جدول صحت را رسم می کنیم، سپس بر اساس آن رابطه منطقی را نوشته، سرانجام مدار منطقی آن را رسم می نمائیم در شکل زیرهم جدول صحت دو متغیره چهار حالت نشان داده شده است:

لازم به ذکر است که مدار بالا راهم می شود تنها با یک گیت XNORهم بست چون خروجی تابع بالا همانند خروجی گیت XNOR می باشد.

اتحادهای ساده ی منطقی:
بنای طراحی مدارات منطقی بر مجموعه ای از اصول و تئوری ها استوار است که توسط شخصی به نام جرج بول تحت عنوان جبر منطقی و به صورت یک سری اتحادهای ساده منطقی بیان گردید. برای تشریح این اتحادها از روش کلیدی و بدون این که وارد بحث ریاضی آن شویم استفاده شده است.

شکل ظاهری و مدار داخلی چند آی سی:
عملگر یا دروازه های منطقی AND,OR,NOT در عمل به گونه ای که آن ها را به صورت مستقل در مدارهای منطقی رسم می کنیم وجود ندارند بلکه در مجموعه های بسته بندی شده ای تحت عنوان مدارهای مجتمع یا آی سی IC قرار دارند.

مدارهای ترکیبی:
در بحث دیجیتال مدارتی هستند که از تعدادی دروازه های منطقی تشکیل شده اند و در هر لحظه از زمان خروجی آن ها به طور مستقیم به ورودی های آن در همان لحظه بستگی دارد و وضعیت ورودی ها و خروجی های قبلی هیچ تأثیری در وضعیت فعلی مدار ندارد.

مدارهای رمز کننده (انکودر-encoder):
انکودرها مداراتی هستند که به منظور کدگذاری اطلاعات ورودی در داخل سیستم های دیجیتالی استفاده می شوند. در واقع یک سیگنال، ورودی فعال را به کدهای صفر و یک در خروجی اش تبدیل می کند. بلوک دیاگرام کلی از مدارات رمزگذار نشان داده شده است.

در یک مدار رمزگذار اگر n متغیر موجود باشد، در این صورت دو به توان n خط ورودی و n خط خروجی در اختیار خواهد بود. نمونه ی کاربردی این مدارات را می توان در ماشین حساب ها، صفحه کلید کامپیوتر یا سیستم های مخابراتی تلفن نام برد.

علامت اختصاری این مدارات را می توان مشاهده کرد.

مدارهای رمزگشا (دیکودر-decoder):
چنان که اشاره شد در وسایل دیجیتال، مانند ماشین حساب ها و کامپیوتر اطلاعات ورودی توسط مدارات رمزگذار به صورت کد 0 و 1 تبدیل می شوند. بیان مقادیر و پارامترها به صورت کدهای 0 و 1 در کارهای روزمره برای ما قابل فهم نیست. از این رو در وسایل دیجیتالی از مدارات دیگری تحت عنوان مدارات رمزگشا عمل تبدیل کدهای 0 و 1 به سیستم کاری ما، آنالوگ را انجام می دهند. دیکودر ها می توانند تا n متغیر ورودی داشته باشند و در خروجی حداکثر آن ها را تا 2 به توان n خط متفاوت تبدیل کنند. در خروجی مدارات دیکودر نیاز به نشان دهنده هایی مانند قطعات هفت قسمتی Seven Segment است که بتوان خروجی این مدارات را مشاهده کرد. عملکرد مدارات دیکودر را می توان عکس عمل مدارات انکودر دانست. در شکل بلوک کلی به همراه علامت اختصاری این مدارات را می توان مشاهده نمود.

در پایان بحث نمونه ی کاربردی را می توان نام برد که در آن از مدارات رمزگذار و رمزگشا استفاده شده است. ماشین حساب از جمله ی این وسایل است. در ماشین حساب وقتی به وسیله ی صفحه کلید عددی داده می شود، این عدد در داخل ماشین حساب حاصل عبارت را نمایش می دهد در واقع عمل تبدیل در داخل آن صورت گرفته که وظیفه مدارات دیکودر رمزگشا است.

مدارهای نمونه دیجیتالی :
برای آشنایی هرچه بهتر با مدارات دیجیتال در لینک معرفی شده در آخر همین بخش مثال هایی آورده شده که با دانلود آنها می توانید آنها را اجرا و آزمایش کنید:

مدار آزمایش شماره 1 مدار جمع کننده منطقی با fulladder می باشد.
مدار آزمایش شماره 2 مدار Shift Register می باشد.
مدار آزمایش شماره 3 یک مدار Shift Register-74HC595 هشت بیتی می باشد.
مدار آزمایش شماره 4 مدار Flashlight-LED یا یک چراغ راهنما چپ و راست و همچنین یک چراغ STOP برای ماشین می باشد که از LED به جای لامپ رشته ای استفاده شده که مدار کامل آن را در بخش پروژه ها برای شما قرار می دهم.

در پایان برای مشاهده طراحی های مدارات دیجیتال بصورت عملی از مدارهای آزمایشی شبیه سازی شده با نرم افزار Proteus v7استفاده نموده ایم می توانید آنها را از لینک زیر دانلود نمائید و اجرا کنید:
لینک دانلود:
http://s3.picofile.com/file/7489516555/Circuit_Digital_Electronic.zip.html
پسورد:
www.Project-esisis.com