Ein umfassender Leitfaden zum Erstellen digitaler Schaltungen

Digitale Schaltungen oder digitale Elektronik sind Elektroniken, die digitale Signale verwenden. Sie unterscheiden sich von analogen Schaltungen darin, dass analoge Schaltungen mit analogen Signalen arbeiten, deren Betrieb viel stärker Signaldämpfung, Fertigungstoleranz und Rauschen ausgesetzt ist. Typischerweise verwenden Designer große Baugruppen von Logikgattern auf integrierten Schaltungen, 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 digitaler Schaltungen

1705 verfeinerte Gottfried Wilhelm Leibniz das binäre Zahlensystem. Leibniz stellte fest, dass es durch die Verwendung des Binärsystems möglich war, die Prinzipien von 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 ausführen konnten, indem sie elektrische Schaltkreise schalteten. Dann begannen Designer, 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 lösten rein elektronische Schaltungselemente ihre mechanischen und elektromechanischen Pendants ab.

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 Bau digitaler Schaltungen. Derzeit ist es das weltweit beliebteste Halbleiterbauelement.

Anfänglich hatte jeder integrierte Schaltungschip nur wenige Transistoren. Mit fortschreitender Technologie wurde es möglich, Millionen von MOSFET-Transistoren in einem einzigen Chip unterzubringen. Heute können Designer Milliarden von MOSFET-Transistoren in einem einzigen Chip unterbringen. Es ist ein Beweis dafür, wie weit sich digitale Schaltungen seit ihren Anfängen entwickelt haben.

2. Eigenschaften digitaler Schaltungen

Einer der Hauptgründe, warum digitale Schaltungen leicht zugänglich sind, ist, wie wir bereits erwähnt haben, dass es einfach ist, sie digital darzustellen, ohne dass Rauschen sie beeinträchtigt. Solange beispielsweise der bei der Übertragung aufgenommene Ton nicht ausreicht, um die Wegerkennung zu verhindern, können aufeinanderfolgende Audiosignale in der Reihenfolge 1 s und 0 s fehlerfrei rekonstruiert werden.

Um eine genauere Darstellung in einem digitalen System zu erhalten, können Sie das Signal mit mehr Binärziffern darstellen. Das erfordert natürlich mehr digitale Schaltungen, aber da dieselbe Art von Hardware jede Zahl handhabt, 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.

Wo Sie computergesteuerte digitale Systeme verwenden, ist es möglich, viele weitere Funktionen durch Software-Revision hinzuzufügen. Mit anderen Worten, Sie brauchen keine Hardwareänderungen. Darüber hinaus können Sie alle Verbesserungen in Ihr digitales System außerhalb des Werks einführen, indem Sie lediglich die Software aktualisieren.

Eine weitere Eigenschaft digitaler Schaltungen besteht darin, dass sie eine zugänglichere Speicherung von Informationen ermöglichen. Dies liegt daran, dass digitale Systeme immun gegen Störungen sind und Daten ohne Leistungseinbußen speichern und abrufen können.

Viele der neuesten digitalen Systeme übersetzen typischerweise kontinuierliche analoge Systeme in digitale Signale. Dies kann Quantisierungsfehler verursachen. Um diese Fehler auf einem Minimum zu halten, stellen Sie sicher, dass das digitale System ausreichende digitale Daten speichern kann, um das Signal mit einem gewünschten Grad an Genauigkeit darzustellen.

3. Aufbau digitaler Schaltungen

Ingenieure verwenden verschiedene Möglichkeiten, um Logikgatter zu konstruieren. Wir werden einige von ihnen unten untersuchen.

3.1 Konstruktion mit Logikgattern

Hersteller digitaler Schaltungen verwenden typischerweise kleine elektronische Schaltungen, die als Logikgatter bekannt sind, um digitale Kurse zu erstellen. Mit diesen Logikgattern ist es möglich, kombinatorische Logik zu erstellen. Jedes Logikgatter wirkt auf Logiksignale ein, um eine Funktion der Booleschen Logik auszuführen. Im Allgemeinen verwenden Designer elektronisch gesteuerte Schalter, um Logikgatter zu erstellen. Üblicherweise sind diese Schalter Transistoren. Thermionische Ventile können auch dabei helfen, die gleiche Aufgabe zu erledigen. Der Ausgang eines Logikgatters kann in andere Logikgatter eingespeist oder diese gesteuert werden.

3.2 Konstruktion mit Nachschlagetabellen

Der zweite Typ digitaler Schaltungen zeichnet sich durch eine Konstruktion aus Nachschlagetabellen aus. Typischerweise führen Nachschlagetabellen ähnliche Funktionen aus wie digitale Schaltungen auf der Grundlage von Logikgattern. Ein wesentlicher Vorteil digitaler Kanäle auf Basis von Nachschlagetabellen besteht darin, dass Designer sie einfach umprogrammieren können, ohne Änderungen an der Verkabelung vornehmen zu müssen. Mit anderen Worten, es ist einfach, Konstruktionsfehler zu beheben, ohne die Anordnung der Drähte ändern zu müssen. Beim Umgang mit Produkten in kleinen Stückzahlen bevorzugen Designer daher programmierbare Logikbausteine ​​gegenüber anderen Arten digitaler Schaltungen. Beim Entwerfen dieser programmierbaren Logikbausteine ​​verwenden Ingenieure normalerweise Designautomatisierungssoftware.

3.3 Integrierte Schaltungen

Bei der Konstruktion integrierter Schaltungen 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 gedruckten Schaltungsplatine (PCB), die eine Platine ist, die verschiedene elektrische Komponenten enthält und sie mit Kupferspuren verbindet.

4. Entwurf digitaler Schaltungen

Beim Entwerfen digitaler Schaltungen verwenden Ingenieure verschiedene Möglichkeiten, um die logische Redundanz zu reduzieren und somit die Schaltungskomplexität auf einem Minimum zu halten. Aber warum ist es wichtig, die Schaltungskomplexität gering zu halten? Nun, minimale Komplexität reduziert die Anzahl der Komponenten und vermeidet potenzielle Fehler, was wiederum die Kosten niedrig hält. Einige der gebräuchlichsten Techniken zum Reduzieren von Logikredundanz sind Boolesche Algebra, binäre Entscheidungsdiagramme, der Quine-McCluskey-Algorithmus, Karnaugh-Karten und die heuristische Computermethode. Softwareingenieure verwenden typischerweise heuristische Computerverfahren, um diese Operationen durchzuführen.

4.1 Vertretung

Repräsentation ist ein wesentlicher Bestandteil beim Entwurf digitaler Schaltungen. Die klassischen Ingenieure stellen digitale Schaltungen dar, indem sie einen äquivalenten Satz von Logikgattern verwenden, wobei Designer eine andere Form verwenden, um jedes Logiksymbol darzustellen. Ingenieure können auch ein äquivalentes System elektronischer Schalter konstruieren, um digitale Schaltungen darzustellen. Darstellungen haben normalerweise numerische Dateiformate für die automatisierte Analyse.

4.1.1 Kombinatorisch vs. sequentiell

Bei der Auswahl von Bildern berücksichtigen Designer typischerweise verschiedene Typen digitaler Systeme. Die zwei üblichen Gruppen digitaler Systeme sind kombinatorische Systeme und sequentielle Systeme. Kombinationssysteme bieten die gleichen Ausgaben für die gleichen Eingaben. Auf der anderen Seite sind sequentielle Systeme kombinatorische Systeme, die einige der Ausgaben als Eingaben rückkoppeln.

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

4.1.2 Computerdesign

Ein Computer ist die gewöhnlichste Allzweck-Register-Transfer-Logik-Ausrüstung. Die Maschine ist ein automatischer binärer Abakus. Ein Mikrosequenzer 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 gibt.

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 stören. Das Design digitaler Kanäle muss daher Themen wie Timing-Spielräume, Rauschen, Kapazität und parasitäre Induktivitäten berücksichtigen.

4.3 Design-Tools für digitale Schaltungen

Im Laufe der Jahre haben Ingenieure beträchtliche Logikmaschinen entwickelt, die darauf abzielen, den kostspieligen technischen Aufwand zu minimieren. Gegenwärtig gibt es für diesen Zweck Computerprogramme, die als Electronic Design Automation Tools (EDA) bekannt sind. Beispielsweise gibt es eine Herstellbarkeitssoftware, die Designern digitaler Schaltungen eine hervorragende Unterstützung bietet.

4.4 Testen einer Logikschaltung

Der Hauptgrund, warum Ingenieure eine Logikschaltung testen, besteht darin, zu überprüfen, ob das Design die Timing- und Funktionsspezifikationen erfüllt. Es ist wichtig, jede Kopie des digitalen Kanals zu untersuchen, um sicherzustellen, dass der Herstellungsprozess keine Fehler verursacht hat.

5. Überlegungen zum Design digitaler Schaltungen

Der Fortschritt beim Entwurf 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 war mit Relaislogik ausgestattet. Dieses Design war zuverlässig und kostengünstig. Es war jedoch langsam und es gab gelegentlich mechanische Ausfälle. Es gab typischerweise zehn Fanouts, die auf den Kontakten einen Lichtbogen bildeten.

5.2 Staubsauger

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 durch. Die Entwicklung von Computerröhren in den 1950er Jahren war eine bedeutende Verbesserung der Leerstellen, da diese Computerröhren Hunderttausende von Stunden lang betrieben werden konnten.

5.3 Widerstands-Transistor-Logik

Dies war die erste Halbleiterlogikfamilie. Die Widerstands-Transistor-Logik war tausendmal zuverlässiger als Röhren. Es verbrauchte viel weniger Strom und lief kühler. Das Fan-Out war jedoch sehr gering:3 insgesamt. Später erhöhte die Diodentransistorlogik den Fanout auf 7 und reduzierte die Leistung weiter.

5.4 Transistor-Transistor-Logik

Die Transistor-Transistor-Logik war eine dramatische Verbesserung gegenüber früheren Logiken und hatte einen Fan-out von 10. Später verbesserte sich dieser Fan-out auf 20. Diese Logik war auch bemerkenswert schnell. Die Logik wird heute noch in bestimmten digitalen Schaltungsdesigns verwendet.

5.5 Emittergekoppelte Logik

Das emittergekoppelte Modell ist unglaublich schnell. Diese Logik verbraucht jedoch viel Kraft. Hochleistungscomputer mit mittelgroßen Komponenten verwenden diese Logik ausgiebig.

5.6 CMOS-Logik

Die CMOS-Logik ist heute bei weitem die beliebteste Logik für integrierte Schaltungen. Die Logik ist schnell, bietet eine hohe Schaltungsdichte und einen geringen Stromverbrauch pro Logikgatter. Sogar große schnelle Computer verwenden diese Logik.

Neueste Entwicklungen im Bereich digitaler Schaltungen

Forscher auf dem Gebiet der digitalen Schaltungen haben in letzter Zeit erhebliche Fortschritte gemacht. Nachfolgend einige Beispiele:

6.1 Verwendung von Memristoren

Im Jahr 2009 fanden Forscher beispielsweise heraus, dass Memristoren bei der Implementierung der Speicherung von booleschen Zuständen helfen können. Dies stellt eine vollständige Logikfamilie bereit, die durch die Verwendung einfacher CMOS-Prozesse geringe Mengen an Leistung und Platz bietet.

6.2 Die Entdeckung von RSFQ

Forscher haben auch die Supraleitung entdeckt. Diese Entdeckung ermöglicht es Ingenieuren, eine RSFQ-Schaltungstechnologie (Rapid 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 unter Verwendung nichtlinearer visueller Elemente verarbeiten können.

Zusammenfassung

Digitale Schaltungen stehen im Mittelpunkt der heutigen digitalen Elektronik und Computerverarbeitung. Aufgrund ihrer geringen Anfälligkeit für Rauschen und Qualitätseinbußen sind diese Schaltungen analogen Schaltungen weitaus vorzuziehen. Und mit Ingenieuren und Forschern, die sich dem Fortschritt auf dem Gebiet der digitalen Kanäle widmen, werden das Design und die Leistung dieser Geräte nur noch besser.

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