Полное руководство по созданию цифровых схем

Цифровые схемы или цифровая электроника — это электроника, использующая цифровые сигналы. Они отличаются от аналоговых схем тем, что аналоговые схемы работают с аналоговыми сигналами, работа которых в гораздо большей степени зависит от затухания сигнала, производственных допусков и шума. Обычно разработчики используют большие сборки логических элементов на интегральных схемах для создания цифровых схем.

В этом удобном руководстве мы расскажем вам все о цифровых схемах. Читайте дальше, чтобы узнать больше.

Краткая история цифровых схем

В 1705 году Готфрид Вильгельм Лейбниц усовершенствовал двоичную систему счисления. Лейбниц установил, что, используя двоичную систему, можно соединить принципы арифметики и логики. В середине 19 века Джордж Буль разработал цифровую философию в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Позже, в 1886 году, Чарльз Сандерс Пирс объяснил, как ученые могут выполнять логические операции, переключая электрические коммутационные цепи. Затем вместо реле для логических операций конструкторы стали использовать электронные лампы.

С развитием цифровых компьютеров после Второй мировой войны числовые вычисления заменили аналоговые. Вскоре чисто электронные элементы схемы заменили их механические и электромеханические аналоги.

В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели полевой МОП-транзистор, который произвел революцию в электронной промышленности. С конца 20 века полевой МОП-транзистор играл неотъемлемую роль в создании цифровых схем. В настоящее время это самое популярное полупроводниковое устройство в мире.

Первоначально в каждой микросхеме интегральной схемы было всего несколько транзисторов. По мере развития технологий стало возможным размещать миллионы MOSFET-транзисторов в одном кристалле. Сегодня разработчики могут разместить миллиарды полевых МОП-транзисторов в одном чипе. Это свидетельствует о том, как далеко продвинулись цифровые схемы с момента их появления.

2. Свойства цифровых схем

Как мы уже упоминали ранее, одна из основных причин высокой доступности цифровых схем заключается в том, что их легко представить в цифровом виде без ухудшения качества шумом. Например, если звука, полученного во время передачи, недостаточно для предотвращения идентификации маршрута, последовательные аудиосигналы могут быть восстановлены в порядке от 1 до 0 с без каких-либо ошибок.

Чтобы получить более точное представление в цифровой системе, вы можете представить сигнал, используя больше двоичных цифр. Конечно, для этого требуется больше цифровых схем, но, поскольку каждое число обрабатывается одним и тем же аппаратным обеспечением, система легко масштабируется. Иначе обстоит дело с аналоговой системой, которая требует фундаментальных улучшений шумовых характеристик и линейности для получения нового разрешения.

Там, где вы используете цифровые системы с компьютерным управлением, можно добавить гораздо больше функций, используя версию программного обеспечения. Другими словами, вам не нужны какие-либо аппаратные изменения. Кроме того, вы можете внести любые улучшения в вашу цифровую систему вне завода, просто обновив программное обеспечение.

Еще одним свойством цифровых схем является то, что они обеспечивают более доступное хранение информации. 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 преобразуют непрерывные аналоговые системы в цифровые сигналы. Это может вызвать ошибки квантования. Чтобы свести эти ошибки к минимуму, 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. Ниже мы рассмотрим некоторые из них.

3.1 Построение с использованием логических вентилей

Производители цифровых схем обычно используют небольшие электронные схемы, известные как логические вентили, для создания цифровых курсов. С помощью этих логических элементов можно создать комбинационную логику. Каждый логический вентиль воздействует на логические сигналы, выполняя функцию булевой логики. Как правило, для создания логических вентилей разработчики используют переключатели с электронным управлением. Обычно эти переключатели представляют собой транзисторы. Термоэмиссионные клапаны также могут помочь в выполнении той же работы. Выход одного логического элемента может передаваться на другие логические элементы или управлять ими.

3.2 Построение с использованием интерполяционных таблиц

Второй тип цифровых схем построен на основе интерполяционных таблиц. Как правило, интерполяционные таблицы выполняют те же функции, что и цифровые схемы, основанные на логических вентилях. Существенным преимуществом цифровых каналов, основанных на справочных таблицах, является то, что разработчики могут легко перепрограммировать их без внесения каких-либо изменений в разводку. Другими словами, легко исправить ошибки проектирования, не меняя расположение проводов. Таким образом, при работе с продуктами небольшого объема конструкторы 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 создании интегральных схем инженеры используют несколько транзисторов на одном кремниевом чипе. Это наиболее доступный способ создания большого объема взаимосвязанных логических вентилей. Обычно разработчики соединяют интегральные схемы на печатной плате (PCB), которая представляет собой плату, которая содержит различные электрические компоненты и соединяет их медными дорожками.

4. Проектирование цифровых схем

При проектировании цифровых схем инженеры используют различные способы уменьшения логической избыточности, тем самым сводя сложность схемы к минимуму. Но почему важно поддерживать низкую сложность схемы? Ну, минимальная сложность уменьшает количество компонентов и предотвращает возможные ошибки, что, в свою очередь, снижает затраты. Некоторые из наиболее распространенных методов уменьшения логической избыточности включают булеву алгебру, двоичные диаграммы решений, алгоритм Куайна-МакКласки, карты Карно и эвристический компьютерный метод. Инженеры-программисты обычно используют эвристические компьютерные методы для выполнения этих операций.

4.1 Представление

Представление является важной частью проектирования цифровых схем. Классические инженеры представляют цифровые схемы с помощью эквивалентного набора логических вентилей, где дизайнеры используют разные формы для представления каждого логического символа. Инженеры также могут построить эквивалентную систему электронных переключателей для представления цифровых схем. Представления обычно имеют числовые форматы файлов для автоматического анализа.

4.1.1 Комбинированный и последовательный

При выборе изображений дизайнеры обычно рассматривают различные типы цифровых систем. Двумя распространенными группами цифровых систем являются комбинационные системы и последовательные системы. Комбинационные системы представляют одни и те же выходные данные для одних и тех же входных данных. Последовательные системы, с другой стороны, являются комбинационными системами, в которых некоторые выходные данные используются в качестве входных.

Есть еще две подкатегории последовательных систем:синхронные последовательные системы, которые меняют состояние одновременно, и асинхронные последовательные системы, которые меняются при каждом изменении входных данных.

4.1.2 Компьютерный дизайн

Компьютер — это самое обычное устройство регистрово-переносной логики общего назначения. Машина представляет собой автоматические бинарные счеты. Микросеквенсор запускает блок управления сетью, который сам по себе является микропрограммой. Подавляющее большинство компьютеров являются синхронными, хотя на рынке были и асинхронные компьютеры.

4.2 Проблемы проектирования цифровых схем

Поскольку инженеры используют аналоговые компоненты в цифровых электронных схемах, аналоговая природа таких компонентов может мешать желаемому цифровому поведению. Таким образом, проектирование цифровых каналов должно учитывать такие аспекты, как запас по времени, шум, емкость и паразитные индуктивности.

4.3 Инструменты проектирования цифровых схем

На протяжении многих лет инженеры проектировали большие логические машины, целью которых было свести к минимуму дорогостоящие инженерные усилия. В настоящее время для этой цели существуют компьютерные программы, известные как средства автоматизации электронного проектирования (EDA). Например, существует программное обеспечение для технологичности, которое отлично помогает разработчикам цифровых схем.

4.4 Тестирование логической схемы

Основная причина, по которой инженеры тестируют логическую схему, заключается в том, чтобы проверить, соответствует ли конструкция временным и функциональным характеристикам. Крайне важно проверить каждую копию цифрового канала, чтобы убедиться, что производственный процесс не содержит дефектов.

5. Рекомендации по проектированию цифровых схем

Развитие дизайна цифровых схем было медленным, но неуклонным. Мы прослеживаем этот путь, рассматривая различные логические семейства ниже.

5.1 Реле

В первой конструкции цифровых каналов использовалась релейная логика. Эта конструкция была надежной и недорогой. Однако это было медленно, и время от времени случались механические поломки. Обычно на контактах было десять ответвлений.

5.2 Пылесосы

Вакуумная логика сразу следовала за релейной логикой. Главным преимуществом пылесосов было то, что они были быстрыми. Однако вакуум выделял много тепла, и нити накала часто перегорали. Разработка компьютерных ламп в 1950-х годах была значительным шагом вперед в области пустот, поскольку эти компьютерные лампы могли работать сотни тысяч часов.

5.3 Резисторно-транзисторная логика

Это было первое семейство полупроводниковой логики. Резисторно-транзисторная логика была в тысячи раз надежнее ламп. Он потреблял гораздо меньше энергии и работал холоднее. Однако разветвление было очень низким:всего 3. Позже диодно-транзисторная логика увеличила разветвление до 7 и еще больше уменьшила мощность.

5.4 Транзисторно-транзисторная логика

Значительное улучшение по сравнению с предыдущими логиками, транзисторно-транзисторная логика имела разветвление 10. Позже это разветвление улучшилось до 20. Эта логика также была удивительно быстрой. Эта логика до сих пор используется в конкретных цифровых схемах.

5.5 Логика сопряжения эмиттера

Модель с эмиттерной связью невероятно быстра. Однако эта логика использует много энергии. Эта логика широко используется в высокопроизводительных компьютерах с компонентами среднего масштаба.

5.6 Логика КМОП

Логика КМОП на сегодняшний день является самой популярной логикой для интегральных схем. Логика работает быстро, обеспечивает высокую плотность схемы и малое энергопотребление на логический элемент. Эту логику используют даже большие быстрые компьютеры.

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 в реализации логического хранилища состояний. Это обеспечивает полное семейство логики, отличающееся небольшой мощностью и пространством с использованием простых процессов CMOS.

6.2 Открытие RSFQ

Исследователи также открыли сверхпроводимость. Это открытие позволяет инженерам разработать технологию схемы быстрого квантования с одним потоком (RSFQ), в которой используются переходы Джозефсона, а не транзисторы. Совсем недавно инженеры пытались построить чисто оптические вычислительные системы, способные обрабатывать цифровую информацию с использованием нелинейных визуальных элементов.

Обзор

Цифровые схемы находятся в центре современной цифровой электроники и компьютерной обработки. С их низкой чувствительностью к шуму и ухудшению качества эти схемы гораздо предпочтительнее аналоговых схем. А с инженерами и исследователями, посвятившими себя прогрессу в области цифровых каналов, дизайн и производительность этих устройств будут только улучшаться.

Вы ищете цифровые схемы, которые полностью удовлетворят ваши уникальные потребности? В WellPCB мы посвящаем себя поставке высококачественных цифровых схемных решений для наших клиентов по всему миру. Посетите наш веб-сайт сегодня, чтобы узнать больше о наших услугах.