Digitale Schaltungen oder digitale Elektronik sind Elektronik, die digitale Signale verwendet. Sie unterscheiden sich von analogen Schaltungen dadurch, dass analoge Schaltungen mit analogen Signalen arbeiten, deren Betrieb viel stärker der Signaldämpfung, Fertigungstoleranz und Rauschen unterliegt, typischerweise verwenden Designer große Baugruppen von Logikgattern auf integrierten Schaltkreisen, um digitale Schaltungen herzustellen.
In diesem freundlichen Leitfaden informieren wir Sie über alles über digitale Schaltungen. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.
Eine kurze Geschichte der digitalen Schaltungen
1705 verfeinerte Gottfried Wilhelm Leibniz das binäre Zahlensystem. Leibniz stellte fest, dass es durch die Verwendung des binären Systems möglich war, die Prinzipien der Arithmetik und Logik zu verbinden. Mitte des 19. Jahrhunderts konzipierte George Boole die digitale Philosophie, wie wir sie heute kennen. Später, im Jahr 1886, erklärte Charles Sanders Peirce, wie Wissenschaftler logische Operationen durch Schalten elektrischer Schaltkreise durchführen konnten. Dann begannen die Entwickler, anstelle von Relais für logische Operationen Vakuumröhren zu verwenden.
Mit der Entwicklung digitaler Computer nach dem Zweiten Weltkrieg ersetzte die numerische Berechnung die analoge. Bald übernahmen rein elektronische Schaltungselemente ihre mechanischen und elektromechanischen Gegenstücke.
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 beim Aufbau digitaler Schaltungen. Derzeit ist es das beliebteste Halbleiterbauelement weltweit.
Anfangs hatte jeder integrierte Schaltungschip nur wenige Transistoren. Mit dem Technologischen Wurde es möglich, Millionen von MOSFET-Transistoren in einem einzigen Chip zu platzieren. Heute können Entwickler Milliarden von MOSFET-Transistoren in einem einzigen Chip platzieren. Es ist ein Beweis dafür, wie weit digitale Schaltkreise seit ihren Anfängen fortgeschritten sind.
2. Eigenschaften digitaler Schaltungen
Einer der Hauptgründe, warum digitale Schaltungen, wie bereits erwähnt, sehr zugänglich sind, ist, dass es einfach ist, sie digital darzustellen, ohne dass Rauschen sie beeinträchtigt. Solange beispielsweise der während der Übertragung aufgenommene Ton nicht ausreicht, um die Identifizierung der Route zu verhindern, können aufeinanderfolgende Audiosignale in der Größenordnung von 1 s und 0 s fehlerfrei rekonstruiert werden.
Um eine genauere Darstellung in einem digitalen System zu erhalten, können Sie das Signal mit mehr binären Ziffern darstellen. Natürlich erfordert das mehr digitale Schaltungen, aber da die gleiche Art von Hardware jede Nummer verarbeitet, ist das System leicht skalierbar. Anders sieht es bei einem analogen System aus, das grundlegende Verbesserungen der Rauscheigenschaften und der Linearität benötigt, um eine neue Auflösung zu erzeugen.
Wenn Sie computergesteuerte digitale Systeme verwenden, ist es möglich, viele weitere Funktionen mit softwarerevision hinzuzufügen. Mit anderen Worten, Sie benötigen keine Hardwareänderungen. Darüber hinaus können Sie Verbesserungen in Ihrem digitalen System außerhalb der Fabrik einführen, indem Sie lediglich die Software aktualisieren.
Eine weitere Eigenschaft digitaler Schaltungen ist, dass sie eine leichtere Speicherung von Informationen ermöglichen. Denn digitale Systeme sind unempfindlich gegen Störungen und können Daten speichern und abrufen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Viele der neuesten digitalen Systeme übersetzen in der Regel kontinuierliche analoge Systeme in digitale Signale. Dies kann zu Quantisierungsfehlern führen. Um diese Fehler auf ein Minimum zu reduzieren, stellen Sie sicher, dass das digitale System ausreichende digitale Daten speichern kann, um das Signal mit einem wünschenswerten Maß an Genauigkeit darzustellen.
3. Bau von digitalen Schaltungen
Ingenieure verwenden verschiedene Möglichkeiten, logike Gatter zu konstruieren. Wir werden einige von ihnen im Folgenden untersuchen.
3.1 Konstruktion mit Logikgattern
Hersteller von digitalen Schaltungen verwenden typischerweise kleine elektronische Schaltungen, die als Logikgatter bekannt sind, um digitale Kurse zu erstellen. Mit diesen Logikgattern ist es möglich, Kombinationslogik zu erstellen. Jedes Logikgatter wirkt auf Logiksignale, um eine Funktion der booleschen Logik auszuführen. Im Allgemeinen verwenden Entwickler elektronisch gesteuerte Schalter, um Logikgatter zu erstellen. Normalerweise handelt es sich bei diesen Schaltern um Transistoren. Nionische Klappen können auch helfen, die gleiche Arbeit zu erledigen. Der Ausgang eines Logikgatters kann in andere Logikgatter eingespeist oder diese steuern.
3.2 Konstruktion mitHilfe von Nachschlagetabellen
Die zweite Art von digitalen Schaltungen wird aus Nachschlagetabellen konstruktiert. In der Regel erfüllen Nachschlagetabellen ähnliche Funktionen wie digitale Schaltungen, die auf Logikgattern basieren. Ein wesentlicher Vorteil von digitalen Kanälen, die auf Nachschlagetabellen basieren, besteht darin, dass Designer sie problemlos umprogrammieren können, ohne Änderungen an der Verkabelung vornehmen zu müssen. Mit anderen Worten, es ist einfach, Konstruktionsfehler zu reparieren, ohne die Anordnung der Drähte ändern zu müssen. Bei Produkten mit kleinen Stückzahlen bevorzugen Entwickler daher programmierbare Logikgeräte gegenüber anderen Arten von digitalen Schaltungen. Beim Entwurf dieser programmierbaren Logikgeräte verwenden Ingenieure in der Regel Designautomatisierungssoftware.
3.3 Integrierte Schaltungen
Bei der Konstruktion integrierter Schaltkreise verwenden Ingenieure mehrere Transistoren auf einem Siliziumchip. Dies ist der kostengünstigste Weg, um eine große Menge miteinander verbundener Logikgatter zu erstellen. Normalerweise verbinden Designer integrierte Schaltkreise auf einer Leiterplatte (PCB), einer Leiterplatte, die verschiedene elektrische Komponenten enthält und sie mit Kupferspuren verbindet.
4. Design von digitalen Schaltungen
Bei der Entwicklung digitaler Schaltungen verwenden Ingenieure verschiedene Möglichkeiten, um die Logikredundanz zu reduzieren und so die Komplexität der Schaltungen auf ein Minimum zu reduzieren. Aber warum ist es wichtig, die Komplexität der Schaltung gering zu halten? Nun, minimale Komplexität reduziert die Anzahl der Komponenten und verhindert potenzielle Fehler, was wiederum die Kosten niedrig hält. Zu den gebräuchlichsten Techniken zur Reduzierung der logischen Redundanz gehören Boolesche Algebra, binäre Entscheidungsdiagramme, der Quine-McCluskey-Algorithmus, Karnaugh-Karten und die heuristische Computermethode. Softwareentwickler verwenden in der Regel heuristische Computermethoden, um diese Vorgänge auszuführen.
4.1 Vertretung
Repräsentation ist ein wesentlicher Bestandteil, wenn es um die Gestaltung digitaler Schaltungen geht. Die klassischen Ingenieure repräsentieren digitale Schaltungen mit einem äquivalenten Satz von Logikgattern, wobei Designer eine andere Form verwenden, um jedes Logiksymbol darzustellen. Ingenieure können auch ein gleichwertiges System elektronischer Schalter konstruieren, um digitale Schaltungen darzustellen. Darstellungen haben in der Regel numerische Dateiformate für die automatisierte Analyse.
4.1.1 Kombination vs. Sequenziell
Bei der Auswahl von Bildern berücksichtigen Designer in der Regel verschiedene Arten von digitalen Systemen. Die beiden gemeinsamen Gruppen digitaler Systeme sind Kombinationssysteme und sequenzielle Systeme. Kombinationssysteme bieten die gleichen Ausgänge für die gleichen Eingänge. Sequenzielle Systeme hingegen sind Kombinationssysteme, die einen Teil der Ausgänge als Eingaben rückgeben.
Es gibt zwei weitere Unterkategorien sequenzieller Systeme: synchrone sequenzielle Systeme, die den Zustand auf einmal ändern, und asynchrone sequenzielle Systeme, die sich jedes Mal ändern, wenn sich Eingaben ändern.
4.1.2 Computerdesign
Ein Computer ist die gewöhnlichste universelle Registerübertragungslogikausrüstung. Die Maschine ist ein automatischer binärer Abakus. Ein Micro-Sequencer betreibt die Steuereinheit des Netzwerks, die selbst ein Mikroprogramm ist. Die überwiegende Mehrheit der Computer ist synchron, obwohl es auch asynchrone Computer auf dem Markt gab.
4.2 Designbedenken bei digitalen Schaltungen
Da Ingenieure analoge Komponenten in digitalen elektronischen Schaltungen verwenden, kann die analoge Natur solcher Komponenten das gewünschte digitale Verhalten beeinträchtigen. Das Design digitaler Kanäle muss daher Themen wie Timing-Margen, Rauschen, Kapazität und parasitäre Induktivitäten verwalten.
4.3 Tools für die Gestaltung digitaler Schaltungen
Im Laufe der Jahre haben Ingenieure beträchtliche Logikmaschinen entwickelt, die darauf abzielen, den kostspieligen Engineering-Aufwand zu minimieren. Derzeit gibt es Computerprogramme, die als Electronic Design Automation Tools (EDA) bekannt sind, die für diesen Zweck existieren. Zum Beispiel gibt es eine Herstellbarkeitssoftware, die Designern digitaler Schaltungen hervorragende Unterstützung bietet.
4.4 Testen einer Logikschaltung
Der Hauptgrund, warum Ingenieure eine Logikschaltung testen, wenn sie überprüfen sollen, ob das Design den Zeit- und Funktionsspezifikationen entspricht. Es ist wichtig, jede Kopie des digitalen Kanals zu untersuchen, um festzustellen, dass der Herstellungsprozess keine Fehler eingeführt hat.
5. Überlegungen zum Entwurf digitaler Schaltungen
Der Fortschritt des Designs digitaler Schaltungen war langsam, aber stetig. Wir verfolgen diese Reise, indem wir uns die verschiedenen Logikfamilien unten ansehen.
5.1 Relais
Das erste Design digitaler Kanäle enthielt Relaislogik. Dieses Design war zuverlässig und kostengünstig. Es war jedoch langsam und es gab gelegentliche mechanische Ausfälle. Es gab typischerweise zehn Fanouts, die sich auf den Kontakten bogen.
5.2 Vakuum
Die Vakuumlogik folgte unmittelbar auf die Relaislogik. Der Hauptvorteil von Staubsaugern war, dass sie schnell waren. Vakuum erzeugte jedoch viel Wärme, und die Filamente brannten häufig aus. Die Entwicklung von Computerröhren in den 1950er Jahren war eine signifikante Verbesserung der Hohlräume, da diese Computerröhren Hunderttausende von Stunden laufen konnten.
5.3 Widerstands-Transistor-Logik
Dies war die erste Halbleiterlogikfamilie. Die Widerstandstransistorlogik war tausendmal zuverlässiger als Röhren. Es verbrauchte viel weniger Strom und lief kühler. Allerdings war das Fan-Out sehr gering: 3 insgesamt. Später erhöhte die Diodentransistorlogik den Fan-Out auf 7 und reduzierte die Leistung weiter.
5.4 Transistor-Transistor-Logik
Eine dramatische Verbesserung gegenüber früheren Logiken, die Transistor-Transistor-Logik hatte einen Fan-Out von 10. Später verbesserte sich dieser Fan-Out auf 20. Diese Logik war auch bemerkenswert schnell. Die Logik wird auch heute noch in spezifischen digitalen Schaltungsdesigns verwendet.
5.5 Emitter-gekoppelte Logik
Das emittergekoppelte Modell ist unglaublich schnell. Diese Logik verbraucht jedoch viel Macht. Hochleistungsrechner mit mittelgroßen Komponenten nutzen diese Logik ausgiebig.
5.6 CMOS-Logik
CMOS-Logik ist heute die mit Abstand beliebteste Logik für integrierte Schaltkreise. Die Logik ist schnell, bietet eine hohe Schaltungsdichte und geringen Stromverbrauch pro Logikgatter. Selbst große schnelle Computer nutzen diese Logik.
Die neuesten Entwicklungen im Bereich der digitalen Schaltungen
Forscher auf dem Gebiet der digitalen Schaltungen haben in jüngster Zeit erhebliche Fortschritte erzielt. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele:
6.1 Verwendung von Memristoren
Im Jahr 2009 fanden Forscher beispielsweise heraus, dass Memristoren bei der Implementierung von Boolean State Storage helfen können. Dies bietet eine vollständige Logikfamilie, die mit einfachen CMOS-Prozessen nur wenig Leistung und Platz bietet.
6.2 Die Entdeckung von RSFQ
Forscher haben auch die Supraleitung entdeckt. Diese Entdeckung ermöglicht es Ingenieuren, eine schnelle RSFQ-Schaltungstechnologie (Single Flux Quantum) zu entwickeln, die Josephson-Übergänge anstelle von Transistoren verwendet. In jüngster Zeit haben Ingenieure versucht, rein optische Computersysteme zu konstruieren, die digitale Informationen mit nichtlinearen visuellen Elementen verarbeiten können.
Zusammenfassung
Digitale Schaltungen stehen im Mittelpunkt der heutigen digitalen Elektronik und Computerverarbeitung. Mit ihrer geringen Anfälligkeit für Rauschen und Qualitätseinbußen sind diese Schaltungen 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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