Мастерство проектирования цифровых схем: полное руководство

Цифровые схемы или цифровая электроника — это электроника, использующая цифровые сигналы. Они отличаются от аналоговых схем тем, что аналоговые работают с аналоговыми сигналами, более подверженными затуханию, производственным допускам и шумам. Обычно проектировщики используют большие сборки логических элементов на интегральных схемах для создания цифровых схем.

В этом дружелюбном руководстве мы расскажем всё 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 с помощью двоичной системы можно объединить принципы арифметики и логики. В середине XIX века Джордж Буль заложил основы цифровой философии, известной сегодня. Позже, в 1886 году, Чарльз Сандерс Пирс объяснил, как ученые могут выполнять логические операции путем переключения электрических цепей. Затем вместо реле для логических операций начали использовать электронные лампы.

С развитием цифровых компьютеров после Второй мировой войны численные вычисления заменили аналоговые. Скоро чисто электронные элементы схем вытеснили механические и электромеханические аналоги.

В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели МОП-транзистор, что драматически перевернуло промышленность электроники. С конца XX века МОП-транзистор играл неотъемлемую роль в построении цифровых схем. Сейчас это самый популярный полупроводниковый прибор в мире.

Изначально каждый чип интегральной схемы содержал всего несколько транзисторов. По мере развития технологий стало возможно размещать миллионы МОП-транзисторов в одном чипе. Сегодня проектировщики могут размещать миллиарды МОП-транзисторов в одном чипе. Доказательство того, как далеко ушли цифровые схемы с своих ранних дней.

Свойства цифровых схем

Одна из главных причин высокой доступности цифровых схем, как упоминалось ранее — легкость их цифрового представления без деградации от шумов. Например, пока шум при передаче не мешает идентификации маршрута, последовательные аудиосигналы можно восстановить в последовательности 1 и 0 без ошибок.

Для более точного представления в цифровой системе можно использовать больше двоичных разрядов. Конечно, это требует больше цифровых схем, но так как одно и то же оборудование обрабатывает каждый разряд, система легко масштабируется. В аналоговой системе для нового разрешения нужны фундаментальные улучшения шумовых характеристик и линейности.

При использовании компьютерно-управляемых цифровых систем можно добавлять много функций через обновление ПО. Другими словами, не нужны аппаратные изменения. Более того, улучшения в цифровой системе можно внедрять за пределами завода простым обновлением ПО.

Еще одно свойство цифровых схем — более доступное хранение информации. Это потому, что цифровые системы иммунны к помехам и могут хранить и извлекать данные без деградации производительности.

Многие современные цифровые системы обычно преобразуют непрерывные аналоговые системы в цифровые сигналы. Это может вызывать ошибки квантования. Чтобы держать эти ошибки на минимуме, убедитесь, что цифровая система может хранить достаточно цифровых данных для представления сигнала с желаемой степенью точности.

Конструкция цифровых схем

Инженеры используют различные способы построения логических элементов. Исследуем некоторые ниже.

Конструкция с использованием логических элементов

Производители цифровых схем обычно используют небольшие электронные цепи, известные как логические элементы, для создания цифровых цепей. С этими логическими элементами можно создавать комбинационную логику. Каждое логическое элемент действует на логические сигналы для выполнения функции булевой логики. Обычно проектировщики используют электронно-управляемые ключи для создания логических элементов. Обычно это транзисторы. Электронные лампы тоже могут выполнять ту же работу. Выход одного логического элемента может подаваться на входы других логических элементов или управлять ими.

Конструкция с использованием таблиц поиска (Lookup Tables)

Второй тип цифровых схем строится на таблицах поиска. Обычно таблицы поиска выполняют похожие функции, как цифровые схемы на логических элементах. Значительное преимущество схем на таблицах поиска — проектировщики могут легко перепрограммировать их без изменения проводки. Другими словами, легко исправить ошибки проектирования без изменения расположения проводов. При работе с малосерийными продуктами проектировщики предпочитают программируемые логические устройства другим видам цифровых схем. При проектировании этих устройств инженеры обычно используют ПО для автоматизации проектирования.

Интегральные схемы

При построении интегральных схем инженеры используют множество транзисторов на одном кремниевом чипе. Это самый доступный способ создать большой объем взаимосвязанных логических элементов. Обычно проектировщики соединяют интегральные схемы на печатной плате (PCB) — плате, удерживающей различные электрические компоненты и соединяющей их медными дорожками.

Проектирование цифровых схем

При проектировании цифровых схем инженеры используют различные способы уменьшения логической избыточности, держа сложность схемы на минимуме. Но почему важно держать сложность низкой? Нужен минимальный набор компонентов и предотвращение потенциальных ошибок, что снижает затраты. Некоторые распространенные методы уменьшения логической избыточности: булева алгебра, бинарные диаграммы решений, алгоритм Куайна-Мак-Класки, карты Карно, эвристические компьютерные методы. Инженеры-программисты обычно используют эвристические компьютерные методы для этих операций.

Представление

Представление — важная часть проектирования цифровых схем. Классический способ представления — использование эквивалентного набора логических элементов, где проектировщики используют разные формы для каждого логического символа. Инженеры также могут построить эквивалентную систему электронных ключей для представления цифровых схем. Представления обычно имеют числовые форматы файлов для автоматизированного анализа.

Комбинационные vs Последовательные

При выборе представлений проектировщики учитывают различные типы цифровых систем. Две общие группы: комбинационные и последовательные системы. Комбинационные выдают те же выходы для одних и тех же входов. Последовательные — это комбинационные системы, которые возвращают некоторые выходы как входы.

Есть две подкатегории последовательных систем: синхронные (меняют состояние одновременно) и асинхронные (меняют состояние каждый раз при изменении входов).

Компьютерное проектирование

Компьютер — самое обычное универсальное регистровое логическое оборудование. Машина — автоматический бинарный счет. Микропоследователь управляет блоком управления сети, который сам является микропрограммой. Огромное большинство компьютеров синхронны, хотя существовали и асинхронные компьютеры на рынке.

Проектные проблемы в цифровых схемах

Так как инженеры используют аналоговые компоненты в цифровых электронных схемах, аналоговая природа таких компонентов может мешать желаемому цифровому поведению. Проектирование цифровых каналов должно управлять такими темами, как временные запасы, шумы, емкость и паразитные индуктивности.

Инструменты проектирования цифровых схем

На مر السنين инженеры проектировали большие логические машины для минимизации затрат на инженерные усилия. Сейчас существуют компьютерные программы — инструменты автоматизации электронного проектирования (EDA). Например, есть ПО для производственности, дающее отличную помощь проектировщикам цифровых схем.

Тестирование логической схемы

Главная причина тестирования логической схемы — верификация соответствия проектирования временным и функциональным спецификациям. Критично проверить каждую копию цифрового канала, чтобы убедиться, что производственный процесс не внес дефектов.

Размышления о проектировании цифровых схем

Прогресс проектирования цифровых схем был медленным, но устойчивым. Проследим этот путь, посмотрев на различные логические семейства.

Реле

Первый дизайн цифровых каналов использовал релейную логику. Надежна и недорога. Но медленна, были случайные механические отказы. Обычно 10 фан-аутов с дуговыми разрядами на контактах.

Вакуумные лампы

Вакуумная логика сразу последовала за релейной. Главное преимущество — высокая скорость. Но генерировали много тепла, нити накаливания часто сгорали. Разработка компьютерных ламп в 1950-х стала значительным улучшением — эти лампы работали сотни тысяч часов.

Резисторно-транзисторная логика (RTL)

Первое полупроводниковое логическое семейство. Резисторно-транзисторная логика была в тысячи раз надежнее ламп. Потребляла намного меньше энергии и работала холоднее. Но фан-аут очень низкий: 3 всего. Позже диодно-транзисторная логика подняла фан-аут до 7 и еще снизила потребление.

Транзисторно-транзисторная логика (TTL)

Драматическое улучшение над предыдущими логиками, транзисторно-транзисторная логика имела фан-аут 10. Позже улучшили до 20. Эта логика также была удивительно быстрой. Её до сих пор используют в специфических проектах цифровых схем.

Логика с эмиттерной связью (ECL)

Эмиттерно-связанная модель невероятно быстра. Однако эта логика потребляет много энергии. Высокопроизводительные компьютеры со среднемасштабными компонентами широко используют эту логику.

CMOS-логика

CMOS-логика — самый популярный логический семейство для интегральных схем сегодня. Логика быстрая, обеспечивает высокую плотность схемы и низкое потребление на логическое элемент. Даже крупные быстрые компьютеры используют эту логику.

Последние разработки в области цифровых схем

Исследователи в области цифровых схем недаче сделали значительный прогресс. Примеры:

Использование мемристоров

В 2009 году исследователи обнаружили, что мемристоры могут помочь реализовать булево хранение состояния. Это дает полное логическое семейство с малым потреблением энергии и пространства с использованием простых CMOS-процессов.

Открытие RSFQ

Исследователи также открыли сверхпроводимость. Это открытие позволяет инженерам разрабатывать технологию быстрых одиночных квантовых флюксов (RSFQ), использующую джозефсоновские переходы вместо транзисторов. Инженеры недавно пытаются построить чисто оптические вычислительные системы, обрабатывающие цифровую информацию с нелинейными визуальными элементами.

Резюме

Цифровые схемы в центре современной цифровой электроники и компьютерной обработки. С их низкой восприимчивостью к шумам и деградации качества, эти схемы гораздо предпочтительнее аналоговых. И с инженерами и исследователями, преданными прогрессу цифровых каналов, дизайн и производительность этих устройств будут только улучшаться.

Ищете цифровые схемы, идеально подходящие под ваши уникальные нужды? В WellPCB мы посвящаем себя доставке высококачественных решений цифровых схем клиентам по всему миру. Посетите наш сайт сегодня, чтобы узнать больше об наших услугах.