Digital elektronikk

Digital elektronikk er den grenen av elektronikk som driver med håndtering og behandling av digital informasjon .

Begrepet digital stammer fra det engelske begrepet siffer (siffer), på grunn av det faktum at elektroniske datamaskiner opererer ved å behandle elementære numeriske størrelser, bits . Begrepet er en sammentrekning av det engelske ordet siffer , som betyr siffer/tall . Dette begrepet kommer på sin side fra det latinske digitus , som på nåværende italiensk er oversatt til tall , av denne grunn er det også feil definert numerisk elektronikk .

Historie

Digital elektronikk begynte praktisk talt i 1946 , med en digital elektronisk datamaskin kalt ENIAC , laget med ventilkretser . Imidlertid kan ideen bak en digital datamaskin spores tilbake til Charles Babbage , som bygde en mekanisk dataenhet.

Den første digitale datamaskinen ble bygget i 1944 ved Harvard University , men den var fortsatt elektromekanisk, ikke elektronisk. Selv om digitalt i mange år var begrenset til datasektoren, brukes i dag digitale teknikker på mange andre områder, fra telefoni, til databehandling, fra radar , til militære systemer, fra medisinske instrumenter til produkter av et bredt marked.

Siden andre halvdel av det 20. århundre har digital teknologi tatt store fremskritt, og utviklet seg fra ventiler til integrerte kretser og mikroprosessorer . Det har også spredt seg til TV-sektoren, med digital bakkenett.

Nøkkelbegreper

Digital elektronikk omhandler kretser og systemer som opererer ved å administrere kun to mulige driftstilstander, for eksempel to spenningsnivåer, eller to forskjellige strømnivåer. I digitale systemer tjener de to forskjellige tilstandene til å representere tall, symboler, tegn, farger, bilder, lyder og annen informasjon. I to-stats numeriske systemer, kalt binære systemer, er de to sifrene 0 og 1, og hver av dem utgjør det som kalles en bit .

Logiske signaler

Som det kan sees i figuren, kan et analogt signal anta, i et gitt øyeblikk, alle de kontinuerlige verdiene som tilhører et visst intervall av R. Et digitalt signal kan derimot bare anta visse verdier, for eksempel en høy og en lav, som på figuren til siden, som viser et binært signal. Den grunnleggende forskjellen mellom de to signaltypene er at mens informasjonen i analoge signaler finnes i "formen" til selve signalet, er informasjonen som skal behandles kodet i en serie symboler (0 og 1) i digitale signaler. Formen på signalet spiller derfor ingen rolle: det er nok at det til enhver tid er mulig å skjelne hvilken logisk verdi signalet tilsvarer.

Et digitalt signal er også fysisk et analogt signal. Den perfekte firkantbølgen vist i figuren er faktisk en matematisk idealisering som ikke eksisterer i virkeligheten siden støyen vil få den til å "fluktuere". Videre hindrer Einsteins spesielle relativitetsteori at overganger fra en fysisk tilstand (eller logisk verdi) til en annen er øyeblikkelig, det vil si med uendelig overgangshastighet. Det som betyr noe er imidlertid at svingningene holdes innenfor en viss margin, slik at informasjon ikke går tapt, det vil si at to forskjellige mulige fysiske tilstander (høy og lav) fremheves som den binære logikken av interesse skal bygges på (f.eks. boolsk Algebra ).

Hvorfor digital elektronikk foretrekkes fremfor analog

Som tidligere sagt er digitale signaler også egentlig analoge signaler, men kun de 2 logiske nivåene som signalet kan anta er tilordnet dem. Alle signalene er utsatt for støy som kan endre verdiene deres, men et kjennetegn som skiller digitale kretser fra analoge er den høye kapasiteten for avvisning av forstyrrelser, som imidlertid, som nevnt før, må holdes innenfor en viss margin. Denne egenskapen skyldes en iboende egenskap til digitale kretser, som er den å gjenopprette de logiske nivåene 0 og 1 til signalene som passerer gjennom dem, selv om de er forvrengt av støy eller uventede effekter.

Tilbakestillingsoperasjonen utføres ved å bruke en krets med en terskeloverføringsfunksjon: over terskelen gjenkjennes høybiten, under lavbiten; på denne måten blir et innledningsvis forvrengt inngangssignal som går gjennom denne kretsen, kalt grensesnitt eller buffer , gjenopprettet til sine primitive logiske nivåer. Det grunnleggende elementet i digital elektronikk er vekselretteren, som i tillegg til å nyte egenskapen for tilbakestilling av logikknivå, implementerer IKKE-negasjonslogikkfunksjonen. Gjennom denne konfigurasjonen, og passende kretsmodifikasjoner brukt på den, er det mulig å realisere de grunnleggende funksjonene til boolsk algebra og implementere derfor alle portene og logiske funksjoner.

Videre , i digital kringkasting, forbedrer introduksjonen av kanalkodings-/dekodingsteknikker , kun mulig for digitale signaler, ytelsen mot feil ytterligere. Videre, i samme kildekoding/dekodingstekniske overføringer er de i stand til å redusere redundansen til informasjonsmeldingen til fordel for båndbreddekomprimering.

Abstraksjonsnivåer

Et digitalt elektronisk system kan sees på forskjellige abstraksjonsnivåer.

Systemnivå

Arkitektonisk nivå

Logisk nivå

To kategorier av logiske nettverk skilles: kombinatoriske nettverk og sekvensielle nettverk . Kombinasjonelle nettverk er nettverk der utgangene kun avhenger av inngangene. Sekvensielle nettverk er derimot nettverk der utgangene avhenger av både inngangene og systemets "historie". Systemet har en tilstand som er et minneelement og tar hensyn til siste utvikling av systemet.

Kombinatoriske nettverk
TIL B. C. X Y
0 0 0 0 1
0 0 1 0 0
0 1 0 1 1
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 1 1
1 1 0 0 1
1 1 1 0 1
Logisk funksjon med 3 innganger og 2 utganger

Vi ønsker å syntetisere noen logiske funksjoner . Ved å bruke et uformelt språk er logiske funksjoner matematiske funksjoner som har logiske signaler som "innganger" og "utganger". Logiske funksjoner kan uttrykkes ved hjelp av sannhetstabeller.

Det er et ganske intuitivt teorem ( Shannons teorem ) som lar oss slå fast at enhver logisk funksjon kan uttrykkes som summen av produktene av inngangene, som betyr for sum den elementære logiske operasjonen OR og med produktet den logiske operasjonen OG.

For eksempel, i figuren er det tilstrekkelig å se kombinasjonene av innganger som vi har Y = 1 for:

Det er derfor mulig å redusere komplekse logiske funksjoner til kombinasjoner av elementære logiske funksjoner.

Det finnes også metoder (for eksempel basert på Karnaugh-kartet ) som gjør det mulig å minimere denne nedbrytningen, for å ha et så enkelt logisk nettverk som mulig.

Denne typen syntese kalles OG-ELLER. For De Morgans lover er det mulig å lage OR-AND syntese, NAND NAND etc.

Standard kombineringskomponenter Sekvensielle nettverk

Sekvensielle nettverk kan realiseres av såkalte statsmaskiner . Den enkleste strukturen til statsmaskiner er den til Moores statsmaskiner. Disse er satt sammen av et kombinatorisk nettverk, etterfulgt av et register som etterfølges av et annet kombinatorisk nettverk. I tillegg til de eksterne inngangene, har det første kombinasjonsnettverket registerutgangene som innganger: dermed opprettes en tilbakemelding. Tilstandsmaskinen er derfor et system hvis utganger avhenger både av inngangene og av tilstanden til selve systemet (representert av registeret). Sekvensielle nettverk representerer derfor enheter med minne. De består av en passende kombinasjon av en kombinasjonslogikkkrets og et minne. Minnet kan utstyres med klokkeinngang eller ikke. Hvis klokken er til stede, er nettverket en synkron enhet, omvendt er det en asynkron enhet.

Standard sekvensielle komponenter

Kretsnivå

Integrasjonsstiger

Behovet for å lage stadig mer forseggjorte logiske funksjoner i stadig mindre rom har ført til opprettelsen av integrerte kretser ( IC = Integrated Circuits ). Dette er komplekse kretser, som utfører de elektriske funksjonene til mange diskrete komponenter (for det meste motstander, dioder og transistorer ), bygget på enkelt silisiumplater .

I forhold til integreringsnivået er det mulig å gjøre følgende klassifisering:

  • Small Scale Integration ( SSI ), hvis antallet logiske porter er mindre enn 12 og det ikke er mer enn 100 transistorer ;
  • medium skala integrasjon MSI ( Medium Scale Integration ), hvis antallet logiske porter er mellom 12 og 100 og det ikke er mer enn 1000 transistorer ;
  • Large Scale Integration ( LSI ), mellom 100 og 1000 porter og opptil 10 000 transistorer ;
  • Very Large Scale Integration ( VLSI ), over 1000 porter og mer enn 100000 transistorer .

Ultra Large Scale Integration ( ULSI ) vurderes også for øyeblikket for IC-er med mer enn 10 000 porter.

For ikke-digital integrert, blir integrasjonsskalaen evaluert med tanke på kretssituasjoner med tilsvarende kompleksitet som de for logiske porter.

Disse integrerte enhetene lages i ulike typer beholdere, i forhold til ulike behov.

Layoutnivå

Bibliografi

Relaterte elementer

Andre prosjekter