الکترونیک دیجیتال

بررسی علم الکترونیک دیجیتال در صنایع الکترونیکی

نکات برگزیده مقاله

  • تاریخچه الکترونیک دیجیتال و تأثیر آن بر زندگی امروز
  • مقایسه مدارهای الکترونیک دیجیتال و الکترونیک آنالوگ - مزایا و معایب
  • ساختار تشکیل دهنده مدارهای الکترونیک دیجیتال
  • طراحی و کاربردهای الکترونیک دیجیتال

نگاهی کلی به تاریخچه علم الکترونیک دیجیتال

در گذشته بیشتر کارها به صورت دستی انجام می شد و بسیار وقت گیر بودند اما در عصر حاضر تقریباً همه چیز به صورت خودکار می باشد. اختراعات جدید در دنیای الکترونیک حدودا به ۳ قرن پیش باز می گردد. پیدایش علم الکترونیک و استفاده از آن در ارتباط با مدار الکترونیکی است که در سال ۱۸۳۵ توسط شخصی به نام جوزف هنری اختراع شد. در یک تعریف کلی می توان گفت، واحد اساسی الکترونیک دیجیتال یک سری گیت های منطقی هستند که از ترکیب چند مورد از آنها با یکدیگر (از ده ها تا صدها هزار) سیستم پیچیده تری ایجاد خواهد شد که به آن مدار دیجیتال می گویند. در برخی موارد مهندسان برای مدار دیجیتال، از اصطلاحاتی همچون سیستم دیجیتال و منطق نیز استفاده می کنند که منظور همان مدارهای دیجیتال قابل تعویض است. بعدها ابزارهای مختلفی از جمله لوله خلا معرفی شدند. مفیدترین اختراعات در صنعت الکترونیک ریزپردازنده ها و مدارهای مجتمع بوده که به پیشرفت الکترونیک دیجیتال فعلی کمک بسیاری کرده است.

در عصر تکنولوژی در مورد صنایع الکترونیکی می توان گفت، دستگاه های بسیاری وجود دارد که وابسته به علم الکترونیک می باشد. در واقع تمام دستگاه هایی که از برق استفاده می کنند به عنوان الکترونیک دیجیتال شناخته می شوند.

با تکامل صنایع و مدارهای دیجیتالی، استفاده از سیگنال های دیجیتال بسیار افزایش یافته است. موارد زیادی از دستگاه های رسانه ای مدرن، به ویژه دستگاه های ارتباطی که به رایانه نیاز دارند از سیگنال های دیجیتالی استفاده می کنند. تلفن های همراه، پخش کننده های موسیقی و فیلمبرداری (ضبط کننده فیلم های شخصی و دوربین های دیجیتال)، لوازم آشپزخانه و کارخانه های تولید کننده قطعات الکترونیکی نمونه هایی از کاربردهای علم الکترونیک دیجیتال هستند. به دلیل اهمیت بسیار بالای این تکنولوژی، در ادامه مقاله امروز به صورت مفصل در ارتباط با تاثیرات، کاربردها، مزیت ها و اشکالات استفاده از ” الکترونیک دیجیتال” با شما مطالبی را به اشتراک خواهیم گذاشت.

کارگاه الکترونیک دیجیتال

تاثیراتی که الکترونیک دیجیتال بر روی نسل حاضر گذاشته است

در حال حاضر، تمام دنیا از جدیدترین لوازم الکترونیک دیجیتال استفاده می کنند و این شامل دستگاه هایی مانند دوربین، تلویزیون، تلفن و غیره می شود. غیر از این موارد، سیستم های رایانه ای نیز وجود دارند که نقش بسیار مهمی در توسعه الکترونیک دیجیتال داشته اند. در این زمینه مهندسان در حال ارائه چندین ریزپردازنده و تراشه هستند که باعث افزایش ظرفیت پردازش رایانه ها شده است.

آخرین تحولاتی که در بخش الکترونیک دیجیتال رخ داده، تأثیر زیادی بر روی کودکان و نوجوانان داشته و بدین ترتیب نسل حاضر “نسل دیجیتال” نام گرفته است و آنها جز اصلی ترین خریداران این گونه محصولات هستند. فروش بالای تلفن های همراه، تلویزیون ها، لپ تاپ، انواع موبایل، تبلت و بسیاری از دستگاه های دیگر در بین سنین مختلف از نشانه های تاثیر الکترونیک دیجیتال در عصر امروزی می باشد.

الکترونیک دیجیتال

مقایسه مدارهای الکترونیک دیجیتال و الکترونیک آنالوگ

علم الکترونیک در بخش مدارها به دو گروه مدارهای دیجیتالی و آنالوگی دسته بندی می شود و هر کدام دارای ویژگی ها و کاربردهای خاص خود می باشد. این مدارها با ارسال و دریافت سیگنال ها کار می کنند. منظور از سیگنال در علم الکترونیک ولتاژهای متغیر مدارها در واحد زمان بوده که یک سری اطلاعات را منتقل می کنند. سیگنال های آنالوگ به صورت خط های ممتد است و از نظر شکل بر روی نمودار سینوسی حرکت می کنند (در محور زمان و دامنه پیوسته می باشند) اما سیگنال های دیجیتال در سطوح متفاوت ایجاد شده و بر روی نمودار حالت پله پله دارند (در محور دامنه پیوسته نیستند).

در واقع مدارهایی که دیجیتالی هستند با عددها و رقم ها (Digits) سر و کار دارند، یعنی این مدارها برعکس مدارهای آنالوگ که حالت های بسیاری دارند، در حالت منطقی از نوع ۰ و ۱ هستند (اگر جریان موجود باشد این به عنوان “۱” معرفی می شود. اگر جریان موجود نباشد این عنوان “۰” نمایش داده می شود) و می توان آن را به حالت باینری تبدیل کرد.

مدارهای دیجیتالی از اجزای آنالوگ ساخته شده اند و باید در طراحی آنها دقت بسیاری کرد تا ماهیت آنالوگ این اجزا بر رفتار دیجیتالی مورد نظر حاکم نشود. به طور خاص باید به همه حاشیه های نویز و زمان بندی، فیلتر صحیح اتصالات قدرت و زمین، جابجایی اتصالات الکترومغناطیسی و بسیاری دیگر از موارد توجه کرد. سهل انگاری در این موارد می تواند باعث ایجاد مشکلات (مانند پالس های ناپدید شده) جدی شود.

استفاده از الکترونیک دیجیتال نسبت الکترونیک آنالوگ چه مزیت هایی دارد؟

مزایای مدارهای الکترونیک دیجیتال در مقایسه با مدارهای آنالوگ عبارتند از:

  • سیستم های دیجیتال با رایانه ها رابط خوبی دارند و به راحتی با نرم افزار قابل کنترل می باشند.
  • اغلب می توان ویژگی های جدیدی را بدون تغییر سخت افزار به سیستم دیجیتال اضافه کرد و این کار را میتوان از طریق بارگذاری نرم افزار جدید از راه دور انجام داد.
  • پس از خرید نرم افزارهای مربوط به آن، در صورت بروز خطاها یا اشکالات، با بروزرسانی نرم افزار، قابل حل هستند.
  • ذخیره سازی اطلاعات در سیستم های دیجیتال بسیار آسان تر از سیستم های آنالوگ است.
  • به طور خاص، ایمنی زیاد سیستم هایی که با مدارهای الکترونیک دیجیتال کار می کنند موجب شده تا داده ها به خوبی ذخیره شده و در هنگام بازیابی آنها، بعداً این کار بدون تخریب داده ها به خوبی انجام شود.
  • یکی از مهمترین مزیت های الکترونیک دیجیتال ناشی از سادگی دیجیتال است.
  • اگر در سیستم های دیجیتالی نویز کمتر از حاشیه نویز باشد، سیستم عملکردی را انجام می دهد که گویی اصلاً نویزی وجود ندارد. این یک ویژگی لازم و کافی برای یک مدار دیجیتالی است. (با این حال اگر نویز از سطح مشخصی فراتر رود، مدار می تواند نتایج غیر منتظره و نامطلوب را به بار آورد و شاید این نتایج نادرست فاجعه بار باشد.)
  • سیگنال های دیجیتال می توانند برای دستیابی به انتقال داده ها، در محدوده معینی بازسازی شوند. در مقابل انتقال و پردازش سیگنال های آنالوگ، همیشه نویز را معرفی می کند.
  • از لحاظ تئوریک هنگام کپی کردن داده های دیجیتال، هیچ گونه تلفات داده ای وجود ندارد. این یک مزیت مهم نسبت به سیستم های آنالوگ است.

الکترونیک دیجیتال

به کارگیری مدارهای الکترونیک دیجیتال در موارد مختلف چه اشکالاتی را به وجود می آورد؟

در کنار مزیت های استفاده از سیستم های الکترونیک دیجیتال به کار گیری آنها می تواند مشکلاتی را نیز ایجاد کند. در ادامه نمونه ای از معایب این سیستم ها را آورده ایم.

  • مدارهای دیجیتالی برای انجام محاسبات و کارهای پردازش سیگنال از انرژی بیشتری نسبت به مدارهای آنالوگ استفاده می کنند بنابراین گرمای بیشتری نیز تولید می کنند.
  • در سیستم های قابل حمل یا باتری دار، می تواند یک عامل اصلی محدود کننده باشد، اما در شرایطی که قدرت فراوانی دارد یک سیستم دیجیتالی اغلب به دلیل مزایای ذکر شده در بالا ترجیح داده می شود (به ویژه از نظر ویژگی های برنامه نویسی و سهولت ارتقاء. بدون اینکه نیاز به تغییرات سخت افزاری داشته باشد)

مثال خاص تلفن همراه: موبایل ها یک دستگاه قابل حمل باتری دار هستند که از یک آنالوگ کم مصرف برای بدست آوردن و تنظیم صدای سیگنال رادیویی از ایستگاه پایه استفاده می کنند. ایستگاه پایه با قرار گرفتن در یک شبکه ثابت و با دسترسی به شبکه برق، می تواند از تکنیک های رادیویی تعریف شده توسط نرم افزارهای با قدرت استفاده کند که در نهایت سیگنال ها اساساً در آنتن (بعد از فیلتر پهنای باند و پایین آوردن تا حد فرکانس میانی) به حالت دیجیتالی تبدیل می شوند. تمام کانال‌زدایی و دفع تغییر را از طریق محاسبات نرم افزاری محور انجام می دهد. چنین ایستگاه های پایه می توانند از طریق کنترل از راه دور دوباره برنامه ریزی شوند تا سیگنال های مورد استفاده با استانداردهایی در آینده با پردازش این برنامه ها در دسترس قرار گیرند.

  • مدارهای دیجیتال بعضی اوقات به خصوص در مقادیر کم گران تر هستند.
  • دنیایی که ما در آن زندگی می کنیم آنالوگ است و سیگنال هایی از این دنیا مانند نور، دما، صدا، رسانایی الکتریکی، میدان های الکتریکی و مغناطیسی و غیره از نوع مقادیر آنالوگ هستند.
  • سیگنال های دیجیتالی گسسته و سیگنال های آنالوگی پیوسته اند. این احتمال وجود دارد که هنگام تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال خطای کمیت سازی رخ دهد.
  • سیستم های دیجیتالی می توانند شکننده باشند، به این ترتیب اگر یک قطعه از داده های دیجیتال از بین برود یا تفسیر نادرست شود معنی بلوک های بزرگ از داده های مرتبط کاملاً تغییر می کند. اگر این سیستم ها طوری طراحی شوند که مقاومت بالایی داشته باشند تا حدی می توان از شدت این مشکل کم کرد.

الکترونیک دیجیتال

ساختار تشکیل دهنده مدارهای الکترونیک دیجیتال چگونه است؟

مدارهای الکترونیک دیجیتال اغلب از مدارهای الکترونیکی کوچک به نام گیت های منطقی ساخته می شوند. این گیت ها به گیت AND و گیت OR معروف هستند. هر گیت منطق تابعی از منطق بولی را نشان می دهد که هر کدام از آنها چیدمانی از کلیدهای برقی است. خروجی، یک جریان الکتریکی یا ولتاژ بوده که به نوبه خود می تواند گیت های منطقی بیشتری را کنترل کند. باید بدانید ترانزیستورها برای کارکردن مدارهای الکترونیک دیجیتال بسیار مهم هستند. این قطعات به عنوان سوئیچ های بسیار سریع در مدارهای منطق دیجیتال استفاده می شوند. ترانزیستورها معمولاً آنقدر کوچک هستند که می توان صد هزار ترانزیستور را در یک تراشه پردازش، در مادربرد رایانه قرار داد.

هنگامی که یک ترانزیستور روشن است، یک “۱” تولید می کند و هنگامی که خاموش است، “۰” تولید می کند. ترانزیستورهای موجود در مدار ریزپردازنده رایانه می توانند هزاران بار در ثانیه روشن و خاموش شوند. بدون اختراع ترانزیستور، قدرت پردازش کامپیوتر بسیار محدود و کند می بود.

مهندسان هنگام استفاده از گیت های منطقی در این مدارها، برای آن که مصرف برق و هزینه های مربوط به آن را کاهش دهند، برای طراحی آنها از ترانزیستورهای کمتری استفاده می کنند. مهندسان برای کاهش پیچیدگی، کم شدن تعداد خطاها و هزینه مدارهای دیجیتال، روشهای زیادی را به کار می گیرند. یکی از متداول ترین روش ها، سیستم CAD می باشد. اگرچه در گذشته برای انجام این کارها از جدول های درستی، نقشه های کارنو و جبر بولی نیز استفاده می کردند.

الکترونیک دیجیتال و کاربردهای آن

تقریباً تمام دستگاههایی که بطور روزانه با آنها کار می کنیم از تجهیزات الکترونیکی دیجیتال استفاده می کنند. این مدارهای دیجیتالی از اجزای مختلفی ساخته شده که مطابق با استانداردهای جهانی می باشد. درون آنها شامل تعدادی مقاومت و دیود است که به کنترل کردن جریان و ولتاژ کمک می کند. همان طور که در بخش مقدمه این مقاله گفتیم، مدارهای دیجیتالی در بسیاری از موارد از جمله لوازم خانگی کاربرد دارد. این می تواند شامل لپ تاپ، تلویزیون، کنترل از راه دور و دیگر سیستم های سرگرمی، وسایل آشپزخانه مانند ماشین ظرف شویی، ماشین لباسشویی، یخچال و غیره باشد. یکی از مهمترین و پیچیده ترین کاربردهای مدارهای الکترونیک دیجیتال مربوط به رایانه هاست. کامپیوترها با استفاده از مدارهای پیچیده و متعددی طراحی شده و بسته به میزان پیچیدگی رایانه و عملکردهای آن، ممکن است میلیون ها مسیر در مدارهای دیجیتالیشان وجود داشته باشد.

یک مثال خوب دیگر از سیستم الکترونیک دیجیتال تلفن همراه است. وقتی با تلفن صحبت می کنید، مدارهای الکترونیک دیجیتال موجود در آن صدای شما را به یک سری پالس های الکترونیکی (یا ۱ و ۰) تغییر می دهند. بعد از انتقال این پالس ها به تلفن همراه دریافت کننده، پالس های دیجیتال به صدای شما تبدیل می شود. در واقع علت به کارگیری مدارهای دیجیتالی به دلیل کارایی بالای آنها است، همچنین انتقال سیگنال های دیجیتال آسان تر از  ارسال صدای واقعی (به عنوان مثال صدای افراد) می باشد.

الکترونیک دیجیتال

قسمت های مختلف یک کامپیوتر نیز از طریق استفاده از پالس های الکترونیکی (۱ و ۰) ارتباط برقرار می کنند. در نتیجه مدارهای منطقی دیجیتال برای الکترونیک داخلی ایده آل هستند. قسمت اصلی کامپیوتر مادربرد است. این یک قطعه الکترونیک پیچیده است که تمام داده های مهم را پردازش می کند. به عنوان مثال، هنگام پردازش کلمه، نمایش حروف و کلمات روی مانیتور بسیار اهمیت دارند. مادربرد با ارسال یک سری ۱ و ۰ به صفحه، حروف جداگانه را روی مانیتور تولید می کند. هنگامی که اپراتور کامپیوتر حرف “H” را روی صفحه کلید فشار می دهد، مادربرد آن را به سیگنال دیجیتالی متشکل از ۱ و ۰ تبدیل می کند. “H” به شکل ۱ و ۰ بر روی مانیتور نمایش داده می شود.

سایر موارد مانند نوشتن یک متن یا انجام محاسبات در کامپیوترها به روشی مشابه انجام شده و بر صفحه مانیتور قابل رویت هستند. یکی دیگر از کاربردهای مهم الکترونیک دیجیتال در مورد مدار مجتمع ۴۰۸۱B که به IC ها معروف هستند که با سوئیچ هایی بر روی آن قرار داشته با استفاده از خاصیت مدارهای دیجیتالی (عملیات منطقی صفر و یک) کار می کنند.

برد دیجیتال

طراحی مدارهای الکترونیک دیجیتال اتوماتیک

از جمله تلاش های ارزشمند مهندسان در بحث الکترونیک دیجیتال، در زمینه طراحی ماشین های منطقی بزرگی است که به صورت اتوماتیک کار می کنند. این برنامه های کامپیوتری “ابزارهای اتوماسیون طراحی الکترونیکی” یا “EDA” نامیده می شوند. توضیحات منطقی جدول منطق اغلب با EDA بهینه شده و به طور خودکار سیستم های کاهش یافته ای از گیت های منطق یا جداول جستجوی کوچکتر را تولید می کنند.

در این برنامه ها اکثر الگوریتم هایی که برای بهینه سازی سیستم های منطقی بزرگ به کار می رود، با استفاده از دستکاری های جبری یا نمودارهای تصمیم گیری باینری می باشد.

خرید و فروش مدارهای الکترونیکی دیجیتالی در معاملات تجاری

چندین ویژگی کارایی سیستم های منطقی دیجیتالی را تعیین می کنند. مهندسان برای دستیابی به ترکیبی ایده آل از سرعت، هزینه های کم و قابل اطمینان بودن این سیستم ها، پژوهش ها و بررسی های زیادی را در این زمینه انجام داده اند. هزینه یک گیت منطقی از اهمیت بالایی برخوردار است. در دهه ۱۹۳۰ نخستین سیستم های منطق دیجیتال از رله های تلفنی ساخته شدند زیرا علاوه بر قیمت پایین، نسبتاً قابل اعتماد بودند. پس از آن مهندسان همیشه از ارزان ترین سوئیچ های الکترونیکی موجود استفاده می کردند (در برخی موارد این سوئیچ ها هنوز هم می تواند الزامات یک پروژه الکترونیکی را برآورده سازد).

اولین گیت های منطقی مدارهای یکپارچه نزدیک به ۵۰ دلار هزینه داشته است. مدارهای الکترونیک دیجیتال در طی چند قرن اخیر پیشرفت های بسیاری کرده که یکی مهم ترین پیشرفت ها درمورد کاهش هزینه های طراحی آن است و همین امر موجب شده این روزها استفاده از مدارهای دیجیتالی نسبت به مدارهای آنالوگ برای پروژه های بزرگ و کوچک از نظر اقتصادی به صرفه تر باشد.

الکترونیک دیجیتال

ساخت مدارهای مجتمع در صنعت الکترونیک کمک کرد تا تعداد تراشه های به کار گرفته شده در پروژه های مختلف کاهش یابد و این نیز راه دیگری برای صرفه جویی در هزینه ها بود. به طور کلی در انجام پروژه ها هدف یک طراح فقط درست کردن ساده ترین مدار نیست بلکه سعی دارد تعداد قطعات به کار رفته را پایین بیاورد.

گاهی اوقات با توجه به منطق های دیجیتال و کاهش تعداد مدارها و قطعات، می توان پروژه های پیچیده تر را با طراحی های ساده تری انجام داده و تا حد مطلوبی هزینه ها و مصرف انرژی را کاهش داد. (به عنوان یک مثال تخصصی می توان گفت، در برخی موارد گیت های NAND ساده ترین دروازه دیجیتال برای ساختن هستند. تمام عملیات منطقی دیگر توسط گیت های NAND قابل اجرا است. اگر یک مدار از قبل به یک گیت NAND واحد احتیاج داشته باشد و از آنجایی که یک تراشه منفرد به طور معمول چهار دروازه NAND را حمل می کند، می توان از سایر دروازه ها برای اجرای سایر اقدامات منطقی استفاده کرد. این ویژگی باعث شده نیاز به یک تراشه جداگانه که دارای انواع مختلفی از دروازه ها است را از بین ببرد.)

امتیاز کاربران: اولین نفر باشید!
برچسب ها
نمایش بیشتر

محسن چهرازی

من محسن چهرازی، دانش آموخته رشته مهندسی برق- الکترونیک هستم. در زمینه های کنترل تابلو فرمان آسانسور، برنامه نویسی میکروکنترلرها (زبان C) و MATLAB، کدنویسی VHDL برای FPGA ها و تا حدودی نانو الکترونیک تخصص دارم. این وبسایت رو درست کردم تا با هم یاد بگیریم تحلیلی به مسائل الکترونیک نگاه کنیم و کمی از بخاطر سپردن دریای فرمول ها فاصله بگیریم.

دیدگاه خود را بنویسید. (این مقاله بر اساس نظرات شما به روز رسانی خواهد شد.)

avatar
  مشترک شدن  
اطلاع رسانی کن
دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن