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Ein umfassender Leitfaden zum Aufbau digitaler Schaltungen

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Aufbau digitaler Schaltungen-Digitale Schaltungen oder digitale Elektronik sind elektronische Geräte, die mit digitalen Signalen arbeiten. Sie unterscheiden sich von analogen Schaltungen dadurch, dass analoge Schaltungen mit analogen Signalen arbeiten, deren Betrieb viel stärker von Signaldämpfungen, Fertigungstoleranzen und Rauschen abhängt. Normalerweise verwenden Designer große Anordnungen von Logikgattern auf integrierten Schaltungen, um digitale Schaltungen zu entwickeln.

In diesem Leitfaden erfahren Sie alles über digitale Schaltungen. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.

Eine kurze Geschichte der digitalen Schaltkreise

Im Jahr 1705 verfeinerte Gottfried Wilhelm Leibniz das binäre Zahlensystem. Leibniz stellte fest, dass es mit Hilfe des Binärsystems möglich war, die Prinzipien der Arithmetik und der Logik zu verbinden. In der Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte George Boole die digitale Philosophie, wie wir sie heute kennen. Später, im Jahr 1886, erklärte Charles Sanders Peirce, wie Wissenschaftler logische Operationen durch das Schalten von elektrischen Schaltkreisen durchführen können. Dann begannen die Konstrukteure, anstelle von Relais für logische Operationen Vakuumröhren zu verwenden.

Mit der Entwicklung von Digitalcomputern nach dem Zweiten Weltkrieg ersetzte die numerische Berechnung die analoge. Bald lösten rein elektronische Schaltkreise ihre mechanischen und elektromechanischen Pendants ab. 

Im Jahr 1959 erfanden Mohamed Atalla und Dawon Kahng den MOSFET-Transistor, der die Elektronikindustrie dramatisch revolutionierte. Ab dem späten 20. Jahrhundert spielte der MOSFET-Transistor eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung digitaler Schaltungen. Derzeit ist er das weltweit beliebteste Halbleiterbauelement. 

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Ursprünglich hatte jeder integrierte Schaltkreis-Chip nur einige wenige Transistoren. Mit dem Fortschritt der Technologie wurde es möglich, Millionen von MOSFET-Transistoren in einem einzigen Chip unterzubringen. Heute können die Entwickler Milliarden von MOSFET-Transistoren in einem einzigen Chip unterbringen. Das ist ein Beweis dafür, wie weit sich digitale Schaltungen seit ihren Anfängen entwickelt haben.

2. Aufbau digitaler Schaltungen-Eigenschaften von Digitalschaltungen

Einer der Hauptgründe für die gute Zugänglichkeit digitaler Schaltungen ist, wie bereits erwähnt, dass sie leicht digital dargestellt werden können, ohne dass sie durch Rauschen beeinträchtigt werden. Solange zum Beispiel der bei der Übertragung aufgenommene Ton nicht ausreicht, um die Identifizierung des Weges zu verhindern, können aufeinanderfolgende Audiosignale in der Reihenfolge 1 s und 0 s ohne Fehler rekonstruiert werden.

Um eine genauere Darstellung in einem digitalen System zu erhalten, kann man das Signal mit mehr Binärziffern darstellen. Das erfordert natürlich mehr digitale Schaltkreise, aber da die gleiche Art von Hardware jede Zahl verarbeitet, ist das System leicht skalierbar. Anders verhält es sich bei einem analogen System, das grundlegende Verbesserungen der Rauscheigenschaften und der Linearität benötigt, um eine neue Auflösung zu erreichen. 

Bei computergesteuerten Digitalsystemen ist es möglich, durch Software-Revisionen viele weitere Funktionen hinzuzufügen. Mit anderen Worten, Sie benötigen keine Hardware -Änderungen. Darüber hinaus können Sie alle Verbesserungen in Ihrem digitalen System außerhalb der Fabrik vorstellen, indem Sie lediglich die Software aktualisieren.

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Eine weitere Eigenschaft von digitalen Schaltkreisen ist, dass sie eine bessere zugängliche Speicherung von Informationen ermöglichen. Dies liegt daran, dass digitale Systeme gegen Störungen immun sind und Daten speichern und abrufen können, ohne die Leistung abzubauen.

Viele der neuesten digitalen Systeme übersetzen in der Regel kontinuierliche analoge Systeme in digitale Signale. Dies kann Quantisierungsfehler verursachen. Um diese Fehler zu halten, stellen Sie sicher, dass das digitale System angemessene digitale Daten speichern kann, um das Signal für ein wünschenswerter Grad an Treue darzustellen. 

3. Aufbau digitaler Schaltungen-Konstruktion digitaler Schaltungen

Ingenieure nutzen verschiedene Möglichkeiten, um Logik -Tore zu erstellen. Wir werden einige von ihnen unten untersuchen.

3.1 Konstruktion unter Verwendung von Logiktoren

Hersteller von digitalen Schaltkreisen verwenden in der Regel kleine elektronische Schaltkreise, die als Logik -Gates bezeichnet werden, um digitale Kurse zu erstellen. Mit diesen Logik -Toren ist es möglich, eine Kombinationslogik zu erstellen. Jedes Logik -Gate wirkt auf Logiksignale, um eine Funktion der Booleschen Logik auszuführen. Im Allgemeinen verwenden Designer elektronisch gesteuerte Schalter, um Logik -Tore zu erstellen. Normalerweise sind diese Schalter Transistoren. Thermionventile können auch dazu beitragen, den gleichen Job zu erledigen. Die Ausgabe von einem Logik -Tor kann in andere Logik -Tore einfließen oder steuern.

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3.2 Konstruktion unter Verwendung von Suchtabellen

Die zweite Art von digitalen Schaltkreisen enthält Konstruktionen aus Suchtabellen. Normalerweise erfüllen Suchtabellen ähnliche Funktionen wie digitale Schaltkreise basierend auf Logik -Toren. Ein wesentlicher Vorteil digitaler Kanäle auf der Grundlage von Suchtabellen besteht darin, dass Designer sie leicht neu programmieren können, ohne Änderungen an der Verkabelung vorzunehmen. Mit anderen Worten, es ist einfach, Designfehler zu reparieren, ohne die Anordnung der Kabel zu ändern. Im Umgang mit kleinen Volumenprodukten bevorzugen Designer somit programmierbare Logikgeräte gegenüber anderen Arten von digitalen Schaltkreisen. Bei der Gestaltung dieser programmierbaren Logikgeräte verwenden die Ingenieure in der Regel Design -Automatisierungssoftware.

3.3 Aufbau digitaler Schaltungen-Integrierte Schaltungen 

Bei der Konstruktion integrierter Schaltungen verwenden Ingenieure mehrere Transistoren auf einem Siliziumchip. Dies ist der günstigste Weg, um ein großes Volumen mit miteinander verbundenen Logiktoren zu erstellen. Normalerweise verbinden Designer integrierte Schaltkreise auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB), eine Karte, die verschiedene elektrische Komponenten enthält und sie mit Kupferspuren verbindet. 

4. Aufbau digitaler Schaltungen-Design von digitalen Schaltungen

Bei der Gestaltung digitaler Schaltkreise nutzen die Ingenieure verschiedene Möglichkeiten, um die logische Redundanz zu verringern, wodurch die Komplexität des Schaltungskreises minimal aufbewahrt wird. Aber warum ist es wichtig, die Komplexität der Schaltung niedrig zu halten? Nun, die minimale Komplexität verringert die Anzahl der Komponenten und wendet potenzielle Fehler ab, was wiederum die Kosten niedrig hält. Einige der häufigsten Techniken zur Reduzierung der logischen Redundanz umfassen Boolesche Algebra, binäre Entscheidungsdiagramme, der Quine -McCluskey -Algorithmus, Karnaugh Maps und die heuristische Computermethode. Software -Ingenieure verwenden in der Regel heuristische Computermethoden, um diese Vorgänge auszuführen. 

4.1 Darstellung

Die Darstellung ist ein wesentlicher Bestandteil, wenn es um das Design digitaler Schaltkreise geht. Die klassischen Ingenieure stellen digitale Schaltkreise dar, die einen äquivalenten Satz von Logikgoren verwenden, bei denen Designer eine andere Form verwenden, um jedes Logiksymbol darzustellen. Ingenieure können auch ein äquivalentes System elektronischer Schalter errichten, um digitale Schaltkreise darzustellen. Darstellungen haben normalerweise numerische Dateiformate für die automatisierte Analyse.

4.1.1 Aufbau digitaler Schaltungen-Kombination vs. sequentiell

Bei der Auswahl von Bildern berücksichtigen Designer in der Regel verschiedene Arten von digitalen Systemen. Die beiden häufigsten Gruppen digitaler Systeme sind kombinatorische Systeme und sequentielle Systeme. Kombinatorische Systeme liefern für dieselben Eingänge dieselben Ausgänge. Sequentielle Systeme hingegen sind kombinatorische Systeme, die einige der Ausgänge als Eingänge rückkoppeln.

Es gibt zwei weitere Unterkategorien von sequentiellen Systemen: synchrone sequentielle Systeme, die ihren Zustand auf einmal ändern, und asynchrone sequentielle Systeme, die sich jedes Mal ändern, wenn sich die Eingaben ändern.

4.1.2 Computerentwurf

Ein Computer ist das gewöhnlichste Allzweckgerät mit Registerübertragungslogik. Die Maschine ist ein automatischer binärer Abakus. Ein Mikro-Sequenzer steuert die Steuereinheit des Netzwerks, die selbst ein Mikroprogramm ist. Die überwiegende Mehrheit der Computer ist synchron, obwohl es auch asynchrone Computer auf dem Markt gibt. 

4.2 Entwurfsaspekte bei digitalen Schaltungen

Da Ingenieure analoge Komponenten in digitalen elektronischen Schaltungen verwenden, kann die analoge Natur solcher Komponenten das gewünschte digitale Verhalten beeinträchtigen. Beim Entwurf digitaler Kanäle müssen daher Themen wie Timing-Spannen, Rauschen, Kapazität und parasitäre Induktivitäten berücksichtigt werden.  

4.3 Aufbau digitaler Schaltungen-Werkzeuge für den digitalen Schaltungsentwurf

Im Laufe der Jahre haben Ingenieure beträchtliche Logikmaschinen entwickelt, die darauf abzielen, den kostspieligen technischen Aufwand zu minimieren. Derzeit gibt es zu diesem Zweck Computerprogramme, die als Electronic Design Automation Tools (EDA) bekannt sind. So gibt es zum Beispiel eine Software für die Herstellbarkeit, die den Entwicklern digitaler Schaltungen hervorragende Unterstützung bietet. 

4.4 Aufbau digitaler Schaltungen-Testen einer logischen Schaltung

Der Hauptgrund, warum Ingenieure eine logische Schaltung testen, ist die Überprüfung, ob der Entwurf die zeitlichen und funktionalen Spezifikationen erfüllt. Es ist von entscheidender Bedeutung, jedes Exemplar des digitalen Kanals zu prüfen, um sicherzustellen, dass der Herstellungsprozess keine Fehler verursacht hat.

5. Überlegungen zum Entwurf digitaler Schaltkreise

Der Entwurf digitaler Schaltungen hat sich langsam, aber stetig weiterentwickelt. Wir zeichnen diesen Weg anhand der verschiedenen Logikfamilien nach.

5.1 Relais

Der erste Entwurf digitaler Kanäle enthielt eine Relaislogik. Dieses Design war zuverlässig und kostengünstig. Allerdings war sie langsam und es kam gelegentlich zu mechanischen Ausfällen. In der Regel gab es zehn Fanouts, die an den Kontakten einen Lichtbogen bildeten. 

5.2 Aufbau digitaler Schaltungen-Vakuumsysteme

Die Vakuumlogik folgte unmittelbar auf die Relaislogik. Der Hauptvorteil des Vakuums war, dass es schnell war. Allerdings erzeugte das Vakuum viel Wärme, und die Glühfäden brannten häufig durch. Die Entwicklung von Computerröhren in den 1950er Jahren stellte eine erhebliche Verbesserung dar, da diese Computerröhren Hunderttausende von Stunden lang laufen konnten.

5.3 Aufbau digitaler Schaltungen-Widerstands-Transistor-Logik

Dies war die erste Halbleiterlogikfamilie. Die Widerstands-Transistor-Logik war tausendmal zuverlässiger als Röhren. Sie verbrauchte viel weniger Strom und lief kühler. Allerdings war ihr Fan-out sehr gering: Insgesamt 3. Später steigerte die Dioden-Transistor-Logik den Fan-Out auf 7 und reduzierte den Stromverbrauch weiter. 

5.4 Transistor-Transistor-Logik

Die Transistor-Transistor-Logik, die eine dramatische Verbesserung gegenüber früheren Logiken darstellte, hatte einen Fan-Out von 10. Später wurde dieser Fan-Out auf 20 erhöht. Diese Logik war auch bemerkenswert schnell. Diese Logik wird auch heute noch in bestimmten digitalen Schaltungen verwendet.

5.5 Emittergekoppelte Logik 

Das emittergekoppelte Modell ist unglaublich schnell. Allerdings verbraucht diese Logik sehr viel Strom. Hochleistungscomputer mit mittelgroßen Bauteilen verwenden diese Logik in großem Umfang.

5.6 CMOS-Logik

Die CMOS-Logik ist heute die bei weitem beliebteste Logik für integrierte Schaltungen. Diese Logik ist schnell, bietet eine hohe Schaltungsdichte und verbraucht wenig Strom pro logischem Gatter. Selbst große, schnelle Computer verwenden diese Logik.

Die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der digitalen Schaltungen

Die Forscher auf dem Gebiet der digitalen Schaltungen haben in letzter Zeit bedeutende Fortschritte gemacht. Im Folgenden werden einige Beispiele genannt: 

6.1 Verwendung von Memristoren

Im Jahr 2009 fanden Forscher beispielsweise heraus, dass mit Hilfe von Memristoren eine boolesche Zustandsspeicherung realisiert werden kann. Damit steht eine komplette Logikfamilie zur Verfügung, die mit einfachen CMOS-Prozessen wenig Strom und Platz benötigt. 

6.2 Die Entdeckung der RSFQ

Forscher haben auch die Supraleitfähigkeit entdeckt. Diese Entdeckung ermöglicht Ingenieuren die Entwicklung von RSFQ-Schaltkreisen (Rapid Single Flux Quantum), die Josephson-Kontakte anstelle von Transistoren verwenden. In jüngster Zeit haben Ingenieure versucht, rein optische Rechensysteme zu konstruieren, die digitale Informationen mit Hilfe nichtlinearer visueller Elemente verarbeiten können.

Zusammenfassung

Digitale Schaltungen stehen im Mittelpunkt der heutigen digitalen Elektronik und Computerverarbeitung. Aufgrund ihrer geringen Anfälligkeit für Rauschen und Qualitätsverluste sind diese Schaltungen den analogen Schaltungen weit vorzuziehen. Und da sich Ingenieure und Forscher dem Fortschritt auf dem Gebiet der digitalen Kanäle widmen, werden das Design und die Leistung dieser Geräte nur noch besser werden. 

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