Che cos'è il circuito digitale: design e sue applicazioni

Circuiti digitali o elettronica digitale è un ramo dell'elettronica che si occupa di segnali digitali per eseguire i vari compiti per soddisfare le varie esigenze. Il segnale di ingresso applicato a questi circuiti è di forma digitale, che è rappresentato in formato di linguaggio binario di 0 e 1. Questi circuiti sono progettati utilizzando porte logiche come le porte AND, OR, NOT, NANAD, NOR, XOR che eseguono operazioni logiche. Questa rappresentazione aiuta il circuito a passare da uno stato all'altro per fornire un output preciso. I sistemi a circuito digitale sono progettati principalmente per superare lo svantaggio dei sistemi analogici che sono più lenti e i dati di uscita che si ottengono possono contenere un errore.

Cos'è un circuito digitale?

Definizione : Un circuito digitale è progettato utilizzando un numero di porte logiche su un singolo circuito integrato - CIRCUITO INTEGRATO. L'ingresso a qualsiasi circuito digitale è nella forma binaria '0' e '1'. L'output ottenuto dall'elaborazione dei dati digitali grezzi è di un valore preciso. Questi circuiti possono essere rappresentati in 2 modi sia in modo combinatorio che in modo sequenziale.

Nozioni di base sui circuiti digitali

La progettazione di circuiti digitali è stata inizialmente avviata con un progetto di relè, tubi a vuoto successivi, Logica transistor-transistor TTL , Emettitore accoppiato logica e Logica CMOS. Questi progetti utilizzano un gran numero di porte logiche come AND, OR, NOT, ecc. Integrate su un singolo IC. L'input e l'output dei dati digitali sono rappresentati in tabella della verità logica e diagramma temporale.

Livello logico

I dati digitali sono rappresentati in un formato logico, cioè in formato '0' e '1'. Dove la logica 0 rappresenta che il segnale è basso o 'GND' e la logica 1 rappresenta il segnale è alto o è collegato all'alimentazione 'VCC' come mostrato di seguito

Livello logico

Tabella della verità logica

Una tabella di verità logica è una rappresentazione matematica delle prestazioni del segnale digitale quando viene fatto passare attraverso il circuito digitale. La tabella è composta da 3 colonne che sono la colonna dell'orologio, la colonna di input e la colonna di output. Ad esempio, la tabella logica NOT gate è rappresentata come segue

Diagramma dei tempi

Il comportamento del segnale digitale è rappresentato nel formato nel dominio del tempo, ad esempio, se consideriamo NON la tabella della verità della porta logica, il diagramma temporale è rappresentato come segue quando il clock è alto, l'ingresso è basso e l'uscita diventa alta. Allo stesso modo, quando l'ingresso è alto, l'uscita diventa bassa.

Diagramma dei tempi

Gates

Una porta logica è un componente elettronico implementato utilizzando una funzione booleana. I gate vengono solitamente implementati utilizzando diodi, transistor e relè. Ci sono diversi tipi di porte logiche che sono, AND, OR, NOT, NANAD, NOR, XOR. Tra i quali AND, OR, NOT sono i gate di base e NAND e NOR sono i gate universali. Consideriamo la rappresentazione della porta AND come sotto, che ha 2 ingressi e un'uscita.

AND Gate

La tabella della verità di AND gate

Diagramma temporale di AND Gate

Esistono molti modi per costruire un circuito digitale che utilizza porte logiche creando logica combinatoria, un circuito logico sequenziale o un dispositivo logico programmabile che utilizza tabelle di ricerca o utilizzando una combinazione di molti IC, ecc. sono progettati utilizzando il formato di circuito combinatorio e sequenziale come mostrato di seguito

Circuito logico combinatorio

È una combinazione di varie porte logiche come AND, OR, NOT. La progettazione della logica combinatoria è realizzata in modo tale che l'output dipenda dall'input presente e la logica sia indipendente dal tempo. Circuiti logici combinatori sono classificati in 3 tipi, lo sono

Circuito logico combinatorio

• Funzioni aritmetiche e logiche: Sommatori, Sottrattori , Comparatori , PLD
• Trasmissioni di dati: Multiplexer, demultiplexer , Codificatori, decodificatori
• Convertitori di codice: Binario , BCD , 7 segmenti.

Circuito sequenziale

Il design di circuito sequenziale è diverso dal circuito combinatorio. In un circuito sequenziale, la logica di uscita dipende dai valori di ingresso presenti e passati. Consiste anche di un elemento di memoria che memorizza i dati di elaborazione e di elaborazione. I circuiti sequenziali sono classificati in 2 tipi che sono,

• Circuito sincrono
• Circuito asincrono

Alcuni degli esempi di circuiti sequenziali sono i flip flop, orologi , contatori , eccetera.

Schema del circuito sequenziale

Progettazione di circuiti digitali

I circuiti digitali possono essere progettati nei seguenti modi

• Utilizzo della rappresentazione sequenziale del sistema e della rappresentazione combinatoria del sistema
• Utilizzando i metodi matematici riducendo gli algoritmi di ridondanza logica come K-Map , Algebra booleana , Algoritmo QM, diagrammi decisionali binari, ecc.
• Utilizzando macchine a flusso di dati che consistono in registri e autobus o filo. I dati vengono comunicati tra i vari componenti utilizzando bus e registri. Queste macchine sono progettate utilizzando linguaggi di descrizione hardware come VHDL o Verilog .
• Un computer è una macchina logica di trasferimento del registro di uso generale progettata utilizzando un file microprogramma e processore microsequencer.

Problemi di progettazione di circuiti digitali

Poiché i circuiti digitali sono costituiti da componenti analogici come resistori, relè, transistor, diodi, flip flop, ecc. È necessario notare che questi componenti non influenzano il comportamento del segnale o dei dati durante il funzionamento del circuito digitale. I seguenti sono problemi di progettazione che di solito si osservano,

• Problemi come glitch possono verificarsi a causa di una progettazione inappropriata del sistema
• La sincronizzazione inadeguata di un diverso segnale di clock porta alla metastabilità nel circuito
• I circuiti digitali eseguono calcoli più ripetuti a causa dell'elevata immunità ai disturbi.

Esempi di circuiti digitali

Di seguito sono riportati gli esempi di circuiti digitali

• Cellulari
• Radio
• Calcolatrici, ecc.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi

• La precisione e la programmabilità sono elevate
• Facile salvare i dati digitali
• Immune al rumore
• Molti circuiti digitali possono essere integrati su un singolo IC
• Altamente flessibile
• Alta affidabilità
• Un alto tasso di trasmissione
• Altamente sicuro.

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi

• Funzionano solo su segnali digitali
• Consuma più energia rispetto ai circuiti analogici
• La dissipazione del calore è più
• Costo alto.

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni

• ADC - Convertitore da analogico a digitale
• DAC - Convertitore da digitale ad analogico
• Generatore di segnale
• CRO
• PER Smart card , eccetera.

Domande frequenti

1). A cosa servono i circuiti digitali?

I circuiti digitali vengono utilizzati per eseguire operazioni logiche booleane.

2). Come funziona il circuito digitale?

Il circuito digitale funziona con segnali discreti, che sono rappresentati nella forma binaria di 0 e 1.

3). Quali sono i componenti di base del circuito digitale?

I componenti di base dei circuiti digitali sono flip flop, diodi, transistor, gate, ecc.

4). Di cosa è fatto un circuito?

Un circuito elettronico è costituito da una serie di componenti passivi e attivi, che sono collegati tramite fili conduttori.

5). Nominare alcuni esempi di componenti attivi e passivi?

• Esempi di componenti attivi sono diodi, circuiti integrati, tubi a vuoto triodo, ecc.
• Esempi di componenti passivi sono resistore, condensatore, induttore, trasformatore, ecc.

6). Perché usiamo una resistenza nei circuiti?

Usiamo una resistenza nel circuito per controllare il flusso di corrente.

Un circuito elettronico è costituito da una serie di componenti passivi e attivi, che sono collegati tramite fili conduttori. Sono due tipi di circuiti sono circuito analogico e circuito digitale. L'ingresso a un circuito analogico è un segnale variabile continuo, che fornisce informazioni sul segnale come corrente, tensione, ecc. Il segnale di ingresso del circuito digitale è in un formato discreto nel dominio del tempo, che è rappresentato in '0' e '1'. Fornisce intensità dei segnali, rapporto di rumore, attenuazione, ecc. Proprietà di un segnale digitale. Il vantaggio principale dell'utilizzo di circuiti digitali è che sono facili da implementare e comprendere.