[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
الربط بين العالمين
لا يمكن ترك هذا المجال دون الربط بين العالمين التماثلى والرقمى والذى بدونه لا يمكن أن نجد البيانات الرقمية المناسبة لمعالجتها، و لو فرض و أوجدناها بطريقة ما، لا نستطيع الاستفادة منها بعد معالجتها فى العالم الواقعى.
قبل البدء بالدوائر، ما رأيك عزيزى القارئ أن ندرس الأساسيات وهل هذه العملية دقيقة؟ و إن كانت سنة الحياة أن يكون هناك فارق ولو طفيف، كم يكون هذا الفارق؟ و كيف نعالجه أو نقلل من أثره.
الفكرة فى التحويل من تماثلى لرقمى أن نفترض وجود آفو رقمى سريع الاستجابة و سنستخدمه لقياس هذه الإشارة التماثلية و نقوم فورا بتدوين أو تسجيل تلك القراءات فى جدول.
طبيعى أن هذا الجهاز سيأخذ قراءات على فترات، وهنا أول مشكلة. تقول كلا؟ وهناك أجهزة مثل الأوسيلوسكوب بالغة السرعة! حسنا - لكن دوما الحياة اختيار ما بين الأكفأ و الأنسب سعرا.
تأتى النقطة الثانية وهى أن ندون هذه القيم فى جدول وهى تخضع لنفس النقاش السابق ومن ثم نجد أنفسنا نأخذ قياسات متتالية وتكون المعضلة ببساطة :
لو استخدمت أسرع الدوائر، ستكلف أكثر و تعطى نتائج أكثر عددا و دقة مما يجعل جدولنا أكبر و كم البيانات فيه أكثر و بالتالى المعالجة الرقمية أطول زمنا و تحتاج معالجات أقوى والسؤال هل الفارق يوازى الكلفة؟
لنوضح العملية بالرسم و نرى ما تقودنا إليه الأمور.
لو لدينا هذا الفولت المتغير باللون الأزرق و نريد أن نأخذ عينات و نكتب قيمها بالأرقام فيمكننا مثلا
أخذ العينات الحمراء فى أول و منتصف و آخر الفترة المبينة. طبعا سيكون لدينا قيمتين فقط المحددتين بالأسهم الحمراء (الأولى هى مقابل الأخيرة وليست إضافة لها بمعنى الأولى تعتبر الأخيرة للفترة المساوية السابقة) وهذا تمثيل غير دقيق إطلاقا والسبب أن دائرة تحويل الأرقام لقيم تناظرية لن يكون لديها أى إمكانية لاستنتاج ماذا كان بينهما، فستفترض أنه جهد ثابت بين هاتين القيمتين.
حسنا نأخذ مثلى العدد كالعينات الخضراء. سيكون الحال أفضل بالقيم المبينة بالأسهم الخضراء ولكن سنفقد كثير من التفاصيل ما بين البداية و أول عينة و بين كل عينة والتى تليها.
طبعا لو ضاعفنا العدد مثل العينات الزرقاء سيكون أفضل وهكذا. هذه العملية تسمى Sampling أو الترميز و معدل هذه القياسات فى الثانية يسمى Sampling Rate أو معدل الترميز.
كلما زاد معدل الترميز زادت البيانات و أيضا الدقة.
هل هذا هو الخطأ الوحيد فى العملية؟؟
ماذا عن قيمة كل سهم من الأسهم السابق الإشارة إليها؟ ستقول مثلا أنها 3.25 فولت، حسنا هذه هى المشكلة الثانية.
لو كان لديك آفو أكثر دقة ستقول 3.248 ولو أكثر دقة قد تقول 3.2476 وهكذا.
إذن المشكلة تكمن فى كيف تريد أن تعبر عن هذا الرقم أو أى عدد من الأرقام تستخدمها أو بالأحرى بأى درجة من الدقة تريد أن تصفها. كما شاهدنا فى المثال السابق، كلما زادت الدقة زادت معها عدد الأرقام المستخدمة فأولا عبرنا عنها بثلاث أرقام ثم أربع ثم خمسة وهكذا وهذا أيضا كم من المعلومات يحتاج أخذه فى الاعتبار. إذن هذا يسمى خطأ كمى أى فى تقدير الكمية.
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
التحويل من تماثلى لرقمى A/D converter
أول مشكلة هى، لو لدينا قيمة تماثلية، فنحن نعرفها جيدا مثل درجة حرارة أو فولت ما أو ضغط غاز أو وزن جسم ما، لكن الأرقام لا قيمة لها بدون تعريف أو ما نسميه الوحدات فالقول 120 لا يعنى شيئا ما لم نذكر أنها درجة مئوية أو فهرنهيت أو كجم أو مللى جرام أو فولت أو مللى فولت. هذا يضع أول شرط يجب تواجده فى المحول وهو المرجع Reference والذى ننسب إليه عملية التحويل.
إذن أبسط دائرة تحويل من تماثلى لرقمى ستكون ببساطة و طبقا للمناقشة السابقة ستكون دائرة مقارن وهى نوعية خاصة من المكبرات يخصص طرف لجهد المرجع Reference و الآخر للجهد المتغير ويكون الخرج إما صفر أو جهد التغذية وهو تمثيل رقمى و يمكن أن نعبر عنه ببساطة بالمستويين الرقميين صفر و 1، فعندما يعلو الجهد المتغير أكثر من المرجع يقفز خرج المقارن للقيمة 1 و عندما ينخفض يعود للمستوى صفر.
هكذا قمنا بأول تحويل، لكن المشكلة أنه يعبر فقط عن قيمة واحدة و غالبا سنختارها فى منتصف المدى التناظرى، أى لو كان الدخول 1 فولت سيكون المرجع نصف فولت.
من النقاش السابق نعلم أننا نريد أرقام أكثر للحصول على دقة أعلى، سنضطر لإضافة المزيد من هذه المقارنات. من أشهر الأمثلة على ذلك مؤشر مستوى الصوت المصنوع بعدد من اللمبات LED والتى يمكن عملها ببساطة باستخدام المتكاملة LM3914 والتى تحتوى 10 مقارنات و دائرة مجزئ جهد داخلية تقسم الجهد الموضوع على طرف دخول المرجع لعشرة أقسام متساوية كمداخل مراجع للمقارنات،مما يتيح للمستخدم أن يضع الحد الأقصى للقياس على الطرف 8 والدائرة تقسمه لك لعشرة أقسام متساوية و تعبر عن كل منها بمخرج يضئ LED
ولكن المشكلة هنا من شقين الأول قلة عدد المستويات وهذا لا مفر منه أما الثانى هو أن التمثيل ليس بالأساليب التى سبق لنا أن درسناها وهو ما يتطلب دائرة تحويل رقمية.
كلا صديقى العزيز لم نقدم جديدا هنا ولا دائرة من السحر الأسود الغير معروفة. هل تذكر ما سبق أن شرحناه تحت مسمى
SN74LS348/SN74LS848 والذى يؤدى وظيفة هامة وتسمى Eight In to 3 Binary Priority Encoder
هو ما نريده هنا ليصبح فى النهاية لدينا أول محول من تماثلى الرقمى
المرة القادمة إن شاء الله نشرح مثال لهذه الدوائر AD9048 من إنتاج شركة Analog Devices وهى تحتوى 256 مجزئ جهد مع 256 مقارن ثم دائرة تحويل مثل السابقة
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
محول فيديو تماثلى
كما شرحنا سابقا، نجد أن الدائرة بسيطة الفكرة لكنها كثيرة المكونات حيث تحتوى مجزئ جهد من 256 مقاومة مع 256 مقارن ثم دائرة تحويل مثل السابقة، من البديهى أن لهذه الطريقة محاسنها و عيوبها كما تعودنا.
أولا يجب أن نلاحظ هنا مجزئ جهد من 256 مقاومة، هذا يعنى أن هذا المجزئ يحدد القيمة التى يمكن أن نحولها، وليس بالضرورة من صفر إلى +5 فولت ولكن نجعلها بين أى قيمتين اختياريتين بين أعلى قيمة للتغذية و أقل قيمة للتغذية، وهو سيكون لنا المرجع الذى نقيس بالنسبة إليه، فكما سبق أن درسنا فى الدوائر المتكاملة، لا يجوز لأى طرف أن يخرج جهده خارج قيمة مصدر التغذية حتى لا تتلف المتكاملة.
أيضا يجب أن نتذكر أن هذا المجزئ يغذى مجموعة من المقارنات والتى تقارن الدخل التماثلى بها، وهذا يعنى أن الكود الناتج ليس قيمة مطلقة ولكن هو ببساطة كم هذا الجهد من المرجع، مثال لهذا بعض أجهزة الآفو الرقمية القديمة كانت تحتوى زر X10 و كان يزيد حساسية القياس 10 مرات و كان ببساطة يستخدم مرجع 2 فولت وآخر 0.2 فولت لهذه الحيلة.
أيضا يجب أن تحتوى زر للبدء وهو ذو فائدتين
الأولى أن يحفظ القيمة التماثلية داخل المتكاملة إن كان هذا من دورها
الثانية أن تكون مرجعا للدوائر الأخرى لتعلم أن القيمة الصحيحة الرقمية ستكون جاهزة بعد عدد محدد من النانو ثانية أو مايكرو ثانية من هذه النبضة للقراءة.
لندرس المثال AD9048 لهذا النوع من المحول تماثلى/رقمى.
البساطة تقود للسرعة لذا فيمكنها عمل 35 مليون تحويل فى الثانية لذا تناسب السرعات العالية مثل الفيديو.
المتكاملة لها قسمان كشأن كل هذه المحولات – المدخل التماثلى و المخرج الرقمى.
يحتوى المدخل التماثلى على مجزئ جهد من 256 مقاومة كما بالرسم مقاومات R و تتصل بالأطراف RT وهو قيمة أعلى جهد موجب مطلوب تحويله كما سبق الشرح و الطرف السفلى RB للقيمة الدنيا من الجهد و طبعا كما سبق الشرح يمكن استخدام +5فولت و صفر أو أى قيم طبقا للشروط. أيضا المنتصف RM واستخدامها خيارى.
توضع الإشارة المراد تحويلها على الطرف Vin و يوضع نبضات التحويل على الطرف Convert و ستظهر النتيجة متأخرة زمن نبضة واحدة. لهذا يفضل استخدام نبضات سريعة حتى لا يكون التأخير كبيرا.
الطرفين VLINV, NMINV للتحكم فى الخرج لكى يكون عادى أو معكوسا Complement وهذه تفيد فقط فى العمليات الحسابية إن استخدمت.
كما شاهدنا الميزة الأساسية هى السرعة العالية لكن العيب هو عدد المكونات فلو أردنا مثلا 12بت سنحتاج 4096 مقارن لتنفيذ هذه الدائرة لذا ابتكرت طريقة أخرى تضحى بالسرعة القصوى مقابل قلة الكلفة ولا شك أن السرعة ليست دوما هى الهدف فالآفو مثلا يقوم بعدد 2 إلى 3 تحويلات فقط فى الثانية
المرة القادمة إن شاء الله نشرح مثال لهذه الدوائر ADC0804 و قريبتها المحول ADC0808
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]دائرة التقريب المتتالى Successive Approximation
للتغلب على التعقيد فى الدوائر، ابتكر أسلوب آخر وهو مسجل التقريب المتتالى Successive Approximation Register وهو ذو فكرة مختلفة قليلا عن ما سبق.
لنأخذ عائلة ADC0804 و قريبتها المحول ADC0808 فالأولى هى الدائرة المفردة والثانية تحتوى ثمانى متكاملات منها مع ثمانى مداخل تماثلية مع ثلاث خطوط رقمية لتحديد أى المداخل نعالج الآن.
لدينا 256 مقاومة متماثلة تسمى R و كما علمنا أننا يمكننا أن نصنع 256 مقاومة متشابهة بدقة عالية جدا حتى 1% أو أقل لكن القيمة المطلقة لهم قد تتراوح، و أيضا النسب ستكون بنفس الدقة فالمقاومات المتماثلة هى 1:1 ويمكننا بنفس الدقة صنع 1:3 أو 1:6 أو 1:3.45 طالما أن المسألة نسبة. هذا يعزز الدقة النهائية للدائرة. هذه المقاومات تسمى سلم المقاومات أو شبكة السلم و توصل إلى خارج المتكاملة حيث يوصلها المستخدم للجهد الأعلى و الجهد الأدنى المطلوب قياسه، هذا يعطى نفس المرونة السابق شرحها فى المتكاملة السابقة.
نستبدل المقارنات السابقة (256) بمفاتيح الكترونية وهى زوج ترانزستورات موسفيت CMOS و تغذى هذه المفاتيح بمقارن واحد فقط. عند فتح أى مفتاح سيضع الجهد من المجزئ على أحد طرفى المقارن بينما على الطرف الآخر يكون جهد الدخول.
تبدأ العملية بمقارنة هذه الجهود بالدخل، ولا ننسى أن كل من هذه السويتشات أو المفاتيح له ترتيب مناظر لقيمته و يفتحه 1 و يغلقه صفر من خط مناظر لقيمته الرقمية تخرج من مسجل التقريب المتتالى successive Approximation Register و تختصر SAR
يبدأ المسجل بمقارنة نصف القيمة فإن كانت أعلى من الدخل فعليه أن يكمل فى النصف العلوى و إلا فعليه أن يكمل فى النصف السفلى.
ثانيا يبحث فى النصف المتبقى (العلوى أو السفلى حسب ما تحدد سابقا) فيقارن منتصفة أيضا وهكذا والمثال العددى يبين بوضوح الخطة.
نفترض جهد يناظر القيمة 135 من السلم المكون من 265 ، لا تطلب منى أن أقول كم فولت حتى لا نقول ما هى أعلى قيمة استخدمنها و ما أقل قيمة و نتوه فى حساب مجزئ جهد يخضع لقانون أوم فقط لا غير.
256 مرحلة تماثلية تعنى 8 بت رقمى وهى ستكون OOOO OOOO ، لذا سيقارن SAR المنتصف 128 وهى lOOO OOOO أو 80 بنظام هيكسا فسيجد الدخل 135 أعلى من 128، فسيعتبر النصف من 129 إلى 256 و نصفها 192، فسيقارن رقم 192 أو llOO OOOO سيجده أعلى من الدخل 135. لهذا نعود للعد lOOO OOOO
إذن القيمة الصحيحة من 128 إلى 192 ونصفها 128+32= 160 فسنجرب lOlO OOOO لنجد نفس النتيجة فنعود للرقم lOOO OOOO ونجرب lOOl OOOO وهى 144 فتكون نفس النتيجة فنعود للرقم lOOO lOOO وهو 136 فيكون أعلى أيضا لذا نعود للرقم lOOO OOOO ونجرب lOOO OlOO وهو 132 فيكون أقل إذن نحتفظ بهذا العد lOOO OlOO و نستأنف فنجرب lOOO OllO فنجد أنه 134 أى أقل فنحتفظ بالرقم lOOO OllO ثم نكمل lOOO Olll والذى سيكون أخيرا 135 وهذا هو الحل.
هكذا فى ثمان مقارنات أو بالأحرى عدد من المقارنات مساوى لعرض القيمة أو مقارنة لكل بت نصل لنتيجة سريعة.
هذه الطريقة تتطلب طرفين للقيمة العظمى والصغرى، طرف لبدء التحويل و مخرج لتحديد متى تم التحويل و مجموعة لبيانات الخرج و طبعا طرف تحكم للخرج لتتمكن من استخدام عدد من المحولات على نفس الشبكة لقياس عدد من القيم المختلفة و يتولى حاسب محلى أو ميكرو بقراءة هذه المعطيات عند اللزوم.
ماذا يحدث لو أردنا مثلا دقة 12 رقم ثنائى أو 24 رقم كما هو الحال فى معالجة الصور؟؟ هل نضع4096 مقاومة للحصول على 12 بت؟ أو 65536 لعدد 16 بت أو 16777216 أكثر من 16 مليون مقاومة؟!!
علمنا من تصنيع الدوائر المتكاملة أن المقاومات هى المستهلك الأول لشريحة السيليكون و من ثم أكثر المكونات كلفة فى الدوائر المتكاملة فمساحة مقاومة واحدة قد تكفى لصناعة مئات من الترانزستورات، لذا فهناك دائرة لا تستخدم هذا العدد من المقاومات.
فكرة الدائرة، أننا نستخدم محول عكسى أى من رقمى لتماثلى D/A و سيأتى شرحه لاحقا، و تقوم دائرة بتكوين عد ثنائى بالطريقة السابق شرحها والذى يتحول إلى تماثلى عبر المحول عكسى أى من رقمى لتماثلى D/A. يقارن هذا الجهد التماثلى مع الدخل عندما يتساوى الجهد التماثلى المولد مع جهد الدخل، يكون العد الثنائى هو الرقم المطلوب.
يمكننا تطبيق نفس المثال السابق و نفس تتابع الأحداث لأن الاختلاف الوحيد أن هناك تتم مقارنة جهد مجزئ جهد بالدخول و النتيجة تحدد البت صفر أم واحد
هنا نقارن قيمة تحويل هذه البت إلى تماثلى و النتيجة تحدد ما إن كانت تبقى واحد أم تعود صفر
هذه الطريقة تتطلب كما سبق، طرف لبدء التحويل و مخرج لتحديد متى تم التحويل و مجموعة لبيانات الخرج و طبعا طرف تحكم للخرج لتتمكن من استخدام عدد من المحولات على نفس الشبكة لقياس عدد من القيم المختلفة و يتولى حاسب محلى أو ميكرو بقراءة هذه المعطيات عند اللزوم، لكن بدلا من طرفين للقيمة العظمى والصغرى طرف واحد للمرجع والذى يحدد قيمة التحويل العظمى.
هذا هو مخطط SAR الصندوقى والذى يشرح فكرة عمله
هنا حقيقة يجب التأكيد عليها بوضوح وهى أن المحول لا يعطى قيم مطلقة فهو لا وحدات له ولكن ينسب الدخل لجهد يعطى إليه ، و من ثم يخرج عدد العد الثنائى معبرا عن هذه النسبة. تغيير هذه المراجع ستجعله يعطى النسبة الجديدة فقط. وللحصول على قيم مطلقة كأن يعطى العد 10 عند جهد 10 مللى فولت مثلا يجب اختيار مصدر جهد مرجعى مقداره 1.000 فولت أى أن نسبة الخطأ في هذا الجهد ستنعكس على القراءة الثنائية.
لهذا الغرض صممت متكاملات خاصة مثل TL431 وهى تعمل كجهد مرجعى لدوائر التحول من رقمى لتماثلى والعكس.
نقطة أخرى بالغة الأهمية، وهى أن الرقمى كما سبق الشرح فى أول موضوع عبارة عن مستويات محددة على عكس التماثلى الذى قد يأخذ أى قيمة. لو عدنا للمثال السابق حيث الدخل 135، ماذا لو كان 135.5 وهو جائز فى التماثلى و غير جائز فى الرقمى؟؟؟
الحل أننا نرى أن الرقم الأقل دائما غير دقيق، لذا دوما تعرف دقة المحول الرقمى بقيمة مثلا
1% +/- عد واحد
أى
1% +/-1count
للتذكير دوما بهذه الحقيقة
المرة القادمة إن شاء الله سنضع هذه المتكاملة فى دائرة
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
استخدام المتكاملة AD0808
ADC0808/ADC0809
8-Bit μP Compatible A/D Converters with 8-Channel Multiplexer
نبدأ أولا بالتعرف على أطرافها و قد اخترت هذه لأن ADC0804 هى نفس المتكاملة كما سبق القول فقط ذات مدخل وحيد. أيضا الفرق بين 808 و 809 فقط فى الدقة.
كما ذكرنا، تنقسم إلى مجموعة المداخل التماثلية و المحاطة باللون الأحمر، وهى بالأسماء IN0-IN7 أى مدخل صفر إلى 7 و طبعا ستقارن هذه الجهود بالقيمة العظمى المحددة بالطرف 12 و المسمى Vref+ و القيمة الصغرى المحددة بالطرف 16 و المسمى Vref- باللون البرتقالى.
لتختار أى المداخل الثمانية تريد تحويله الآن، نستخدم الثلاث الخطوط الرقمية ADD A,ADD B, ADD C وتسمى عنوان و المحاطة بالأخضر الفاتح. فمثلا لتحويل المدخل رقم 1 يجب أن يوضع على الخط ADD A واحد و الباقى أصفار. يوضع على الخط ADD C واحد لاختيار المدخل 4 وهكذا، أى أنه ثنائى عادى.
الآن نريد أن نخطر المتكاملة أننا أتممنا تعديل العنوان لتفتح المفاتيح الداخلية الخاصة بهذا المدخل و أيضا لا تؤثر على أى قيم قد تكون تحت التحليل، لذا هناك خط هو Address Latch Enable واختصارا ALE الطرف رقم 22 المحاط بالمربع الأخضر الغامق. بوضع هذا الخط على مستوى HI لمدة نبضة واحدة يجعل المتكاملة تحتفظ بالعنوان الجديد، ولا داعى لتكرار هذه النبضة ما لم يتم تغيير العنوان.
يلى ذلك خط البدء Start وهو يرفع لمدة نبضة واحدة و حافته الصاعدة تبدئي الاستعداد لتحويل جديد و أى عملية غير مكتملة، ستجهض. لن يبدأ التحويل الجديد إلا مع حافة نبضة البدء الهابطة، لذا إبقاء خط البدء Start فى وضع HI يعطل التحويل.
عند اكتمال التحويل، تضع المتكاملة وضع HI على الطرف 7 والمسمى نهاية التحويل End Of Conversion واختصارا EOC . ناتج التحويل تظهر على حافلة خط البيانات ذو 8 خطوط والمظللة باللون الأصفر. وهو يكون متاحا بوضع HI على الطرف 9 مدخل OE اختصارا للكلمة Output Enable .
هكذا يمكننا أن نرسم أبسط دائرة للمتكاملة ADC0808/ADC0809
للبساطة نصل الطرف 12 و المسمى
Vref+ بالجهد الموجب +5 فولت وكذا الطرف 16 و المسمى Vref- بالأرضى مما يجعل المدى المقاس 5 فولت.
نصل البدء مع مسجل العنوان start/ALE كما بالرسم و نبضة موجبة واجدة تكفى لحفظ العنوان وبدء التحويل معا بصرف النظر أن العنوان قد تغير أم لا، فهذه الخطوة لا تضيف أى تأخير للعملية.
توصل نبضات مربعة بتردد حتى 640ك ذ/ث و تتم عملية تحويل كل 8 نبضات. هذا يعنى أننا نحصل على 80 ألف تحويل فى الثانية.
هذا يبدو كثيرا لكن للأسف هناك مشكلة صغيرة أن الثمانى نبضات المطلوبة للتحويل لا تبدأ فور انتهاء نبضة البدء كما سبق القول للبساطة فى الشرح، ولكن حقيقة هى دورة لا تنتهى، لذا فى الواقع عند نزول نبضة البدء ستنتظر المتكاملة انتهاء باقى الدورة الحالية من 8 نبضات حتى تبدأ الجديدة مما يقلل إمكانية التحويل للنصف.
عند اكتمال التحويل، تعطى المتكاملة وضع HI على الطرف 7 والمسمى نهاية التحويل واختصارا EOC وهذا يشعر العالم الخارجى أن لديه بيان للتحصيل ولكنه لا يكون متوافرا على خط البيانات DB0-DB7 إلا بوضع HI على الطرف 9 والمسمى OE
المرة القادمة إن شاء الله نعرف كيف نحول من رقمى إلى تماثلى.
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
التحويل من رقمى لتماثلى D/A Converter
كيف نحول من رقمى لتماثلى؟ حسنا كيف حولنا من تماثلى إلى رقمى أصلا، ثم نعكس العملية.
حولنا من تماثلى لرقمى بأخذ عينات من جهد الدخول، ثم عبرنا عن كل قيمة بعد (قيمة أو رقم)مناظر، أى اختارنا أسلوب للتعبير الرقمى، وكان الثنائى، و طابقنا قيمة هنا بقيمة هناك وذلك لأنه لا توجد قيمة قياسية للتعبير. فلا نستطيع أن نقول أن كل بت قيمتها كذا مللى فولت وإنما اختارنا مرجع للقياس لنقول العكس، أى لكل كذا مللى فولت سنضيف عد واحد وهكذا.
حسنا سنعكس العملية أى نقول كلما نجد عد “بت” سنضع مقابلها كذا مللى فولت و طبعا سنأخذ فى الحسبان قوة العدد فواحد فى خانة المئات أكبر من 9 فى خانة الآحاد، بالمثل فى الأرقام الثنائية ، كلما تحركنا جهة الرقم الأعلى تتضاعف قيمة الجهد المناظر. فلو اختارنا 1 مللى فولت لكل عد ثنائى، سيكون الرقم الأدنى 1 مللى فولت ثم 2 مللى ثم 4 مللى ثم 8 مللى ثم 16 مللى ثم 32 مللى وهكذا، و طبعا لو اختارنا أى رقم آخر ستتكرر المتسلسلة فللقيمة 3.6 فولت ستكون القيم 3.6 ثم 7.2 ثم 14.4 ثم 28.8 ثم 57.6 وهكذا.
كيف ننفذ هذا؟ بالتأكيد توصلت للحل وهو مكبر العمليات – هل وجدت مبرر لهذا الاسم؟ - فببساطة قيمة الخرج تعتمد على نسبة المقاومتين مضروبة فى جهد الدخول
فمثلا فى المثال بالصورة و السابق شرحه فى سلسلة تصميم الدوائر الإلكترونية، نجد أن الخرج Vout سيساوى
V3R4/R1+V2R4/R2+ V1*R4/R1
و من المهم فهم هذه العلاقة، ليس مجرد كتابة رموز
أولا:الخرج يساوى مجموع تكبير كل المصادر الموصلة وليس فقط أحدها.
ثانيا: أن نسبة تكبير كل مصدر هى نسبة R4 مقسومة على المقاومة المتصلة بهذا المصدر. أى لا تداخل بين المصادر وبعضها وهذه من أهم خواص مكبر العمليات.
ثالثا: قيمة المقاومة R4 مشتركة فى جميع المصادر و بجعلها كبيرة أو صغيرة نستطيع التحكم فى قيمة الخرج بدون الحاجة لتغيير هذه المصادر، و بجعلها أصغر من مقاومة ما تنقلب النسبة إلى كسر أقل من الواحد أى ينقلب التكبير إلى تقليل أو الضرب فى ثابت إلى ضرب فى كسر أى قسمة على ثابت فالضرب × نصف مساويا للقسمة على 2
جهد الدخول هنا ثابت لأنه رقمى أى إما صفر وهو صفر فولت أو واحد وهو 5 فولت،إذن يمكن حذفها من المعادلة لأننا يمكن استخدام أى جهد مرجعى آخر فيكون 1 فولت أو 1 مللى أو القيمة التى تريدها، أو كما ذكرنا بجعل المقاومة R4 صغيرة نقسم على 5 أو حسبما تريد أن تكون قيمة الخرج.
نأتى لأهم نقطة وهى قيم باقى تلك المقاومات.
فى المثال المبين بالرسم، استخدم أربع مداخل فقط و قال أن أقصى خرج للمكبر هو 15 فولت والعد لأربع مداخل هو من صفر إلى 15 فأقل قيمة هى 15 ÷ 15 = 1 إذن استخدم مقاومتان 10 ك والثانية سيكون الضعف فبقسمة 10 ك ÷2 تكون 5 فولت و الثالثة هى ربع أى 10 ÷ 4 = 2.5 ثم 10 ÷ 8 = 1.25 كيلو
نريد أن نزيد الدقة والمدى لثمانية مداخل.
هل تذكر أول متكاملة CMOS درسناها وهى المفاتيح التماثلية Analog Switches ؟
يمكننا استخدامها هنا فبدلا من أن نضع الجهد الرقمى مباشرة على مداخل المكبر، نضع هذه المفاتيح لتوصيل مداخل المكبر لجهد مرجعى كما بالرسم
استخدام جهد مرجعى يمكننا أن نختاره 1 مللى فولت أو 1 فولت حسب التطبيق والحاجة يريحنا من التقيد بخرج المكبر إذ يمكننا دوما اختيار مرجع يضعنا فى نطاق حركة أى مكبر، أيضا يمكننا أن نسير عكس المثال السابق، لذا نريد الأولى بقيمة 1 والثانية 2 والثالثة 4 والرابعة 8 والخامسة 16 والسادسة 32 والسابعة 64 و الثامنة 128
حسنا يمكننا أن نجعلها بالكيلو أوم وهذا اختيار عملى ولو تفكر فى إنشاء دائرتك ربما ستختار نفس هذه القيم.
للأسف ظهرت مشكلة صغيرة وهى أن خرج المكبر لا يصل إلى 255 فولت وهو المناظر لأقصى عد لثمانية مداخل ولكن هذه ليست معضلة فيمكن باستخدام جهد مرجعى مناسب 0.1 فولت يكون الخرج 25.5 فولت.
لو أردنا زيادة عدد المداخل أكثر سنصل 256ك ثم 512 ك لعدد 10 خطوط ثم 1024ك أو 1.024 ميجا و 2.048 ميجا وهكذا، أظن أنك بدأت تشعر بعدم الارتياح تجاه هذه القيمة 1.024 ميجا أوم، كم ستكون دقتها إذن؟ لابد أن تكون 1% أو أفضل، ماذا لو شئنا زيادة عدد المداخل؟
أجل أعلم أنك ماهر فى الدوائر الإلكترونية و ستقسم كل القيم ÷ 10 لكن هذا لن يعطينا كثير من المساحة للتحرك، لأن أقل قيمة كانت 1 ك ستصبح 100 أوم وهذا سيبدأ فى التحميل (سحب تيار كبير) من المرجع Vref.
قيمة الخرج العظمى = Rf وهى هنا R9 مقسومة على أصغر مقاومة وهى هنا R8 × 2 × جهد المرجع Vref
بالتأكيد قرأت الباب الخاص بصناعة الدوائر المتكاملة فى سلسلة “تصميم الدوائر الإلكترونية” و علمت منه أن المقاومة الكبيرة القيمة مثل 100ك قد تستهلك من مساحة السيليكون أكثر مما يستهلكه المكبر ذاته لذا فى تقنية الدوائر المتكاملة، هذا الحل غير عملى.
وهذا يقودنا للنوع الآخر من المحول الرقمى التماثلى فى المرة القادمة إن شاء الله
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
R-2R Ladder DACالمحول ذو السلم م-2م
فى الدائرة السابقة لمكبر العمليات والتى نضعها هنا للتوضيح، سنجد أن المقاومة السفلىR8 و المناظرة للمدخل D7 ستعطى خرجا مساويا لجهد المرجع Vref و ذلك لكون المقاومة R8 مساوية فى القيمة للمقاومة R9 وهذا يجعل تيار المرجع Vref مقسوما على R8 يمر فى R9 مسببا هذا الخرج.
لو لأى سبب تمكنا من تقليل هذا التيار للنصف، سيقل الخرج للنصف وهذا ما فعلناه فى R7 بجعلها ضعف القيمة، ثم بعد ذلك 4 أمثال للحصول على ربع التيار وهكذا و تلك كانت المشكلة.
لو بدلا من 4 أمثال نقول نصف السابق، سنحصل على ربع التيار، ثم نصف السابق أى نصف الربع سيكون جزء من ثمانية وهكذا.
كلام طيب، لكن كيف عمليا؟؟ باستخدام مجزئ الجهد أو قل هنا مجزئ التيار.
لو نظرنا لهذه الشبكة من مقاومات و ضعفها، فمثلا من عند المفتاح D0 سنجد R2 على التوازى مع R1 و المحصلة تساوى R وهى تكون على التوالى مع R3 المحصلة تساوى R2 وهى على التوازى مع R4 و المحصلة تساوى R2 وهى تكون على التوالى مع R5 و المحصلة تساوى R2 وهى على التوازى مع R6 وهى تكون على التوالى مع R7 وهى على التوازى مع R8 ودوما المحصلة 2R
بنفس القياس لو دخلت من أى خط ستجد نفس مقاومة الدخول إلا أنك لو دخلت من D3 سيكون الخرج نسبة RF مقسوما على R8 مضروبا فى Vref
لو دخلنا من D2 سنجد محصلة الجزء السفلى R1,R2,R3,R4,R5 تساوى 2R فينقسم Vref مع R6 إلى النصف عند النقطة A
لو دخلنا من D1 سنجد محصلة الجزء السفلى R1,R2,R3 تساوى 2R فينقسم Vref مع R4 إلى النصف عند النقطة B ثم إلى النصف مرة أخرى بالمقاومات R5,R6 أى الآن نصف النصف أو الربع.
لو دخلنا من D0 سنجد محصلة الجزء السفلى R1 تساوى 2R فينقسم Vref مع R2 إلى النصف عند النقطة C ثم إلى النصف مرة أخرى بالمقاومات R3,R4 عند النقطة B ثم إلى النصف بواسطة R5,R6 أى الآن الثمن، وهكذا.
مما سبق نجد أن الحصول على 1/16 يتطلب زوج من المقاومات بنفس القسم ثم 1/32 أيضا وهكذا لأى عدد من أطراف الدخول أو دقة التمثيل دون الحاجة لقيم مقاومات عالية. فقط قيمة وضعفها.
هذه الطريقة تناسب الدوائر المتكاملة نظرا لأن الحصول على قيمة واحدة مكررة يمكن تصنيعه بدقة عالية وكذا مقاومة بضعف أو نصف القيمة طالما كانت القيمة المطلقة ليس بالضرورة بهذه الدقة.
بهذه الطريقة يسهل الحصول على محول 12 بت أو 24 بت.
قيمة الخرج العظمى = Rf ÷ R × Vref
تمتاز هذه الطريقة عن سابقتها بما يلى
1- القيم واحدة لا تتزايد بعدد المداخل م،2م
2- القيمة م و من ثم 2م ثابتة لذا يمكن اختيارها حسب ضرورة الدوائر بينما فى السابقة تتزايد مما يفرض ضرورة استخدام عوازل Buffers لمواءمة المداخل ذات المقاومات العالية جدا و الصغيرة جدا
3- قيمة الخرج لا تعتمد على قيمة م،2م و لكن نسبة هذه القيم للمقاومة Rf و قيمة جهد المرجع Vref
ماذا يحدث لو جهد الدخول سريع التغيير؟ هذا موضوعنا المرة القادمة إن شاء الله
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
احتفظ بعينة Sample And Hold
هل توجد دائرة بهذا الاسم؟ حسنا
ماذا لو كانت الإشارة التماثلية تتغير بينما نريد إبقاؤها لفترة؟ مثلا مقياس للقياس فى منطقه صعبة حيث لا تقرا الشاشة بسهولة؟ أليس من الأفضل تثبيت القراءة لنتمكن من ذلك؟
ماذا لو محول التماثلى يحتاج بعض الوقت – وهو بالفعل كذلك – و تغيير قيمة الدخل يسبب خطأ فى النتيجة؟
ماذا لو لدينا عدد من المصادر التماثلية و نريد نقلها مسافة للمعالجة؟ سنحتاج كامل معزول والمسمى Shield لكل إشارة للحماية من التداخلات، وهو مكلف الثمن ، بينما المصادر لا تتغير بسرعة عالية، أليس من الأفضل نقل القيم بالتتابع على كابل واحد بدلا من عشرة و كابل آخر عليه نبضة للتبديل بينها؟
فى الحالات السابقة، كما فى حالات أخرى كثيرة نحتاج لدائرة عملية و غير مكلفة تستطيع حفظ قيمة الجهد التماثلى لفترة ما ريثما تتم المعالجة.
ما يحتفظ بالجهد، نعرف أنه المكثف، وكلما زادت جودته، احتفظ بها لفترة أطول، وهذا يشير بالتحديد لجودة العازل المستخدم بين ألواحة.
بالتأكيد ستقول مكثف ميكا يقدم أفضل أداء، سأقول نعم و أيضا مكثف سيراميك فضلا عن أنواع قليلة أخرى تقدم الحل.
لكن المشكلة ليست فى المكثف، المشكلة فى باقى الدائرة.
إذن ما هى الدائرة؟
كما قد تكون استنتجت بالفعل، مفتاح يجعل جهد المكثف يساوى جهد المصدر، وآخر لتفريغ المكثف و الدائرة التى تغذى الحمل أو ما تريد أن تعالج به هذا الجهد.
هذه الدائرة منطقية لكن تحتاج شيء من التنظيم بين نبضة التفريغ و نبضة الشحن أو أخذ العينة، فضلا عن الوقت اللازم لتنفيذ هذا التفريغ ولاسيما و أن المفتاح سيكون الكترونى أى له مقاومة و يحتاج زمن تفريخ. لا تنسى أخى العزيز أننا نتكلم فى نطاق الميكرو ثانية فى النظم البطيئة و النانو ثانية فى الأنظمة الأسرع.
إذن ما الحل؟
لو أن المكبر من النوع الجيد الذى يغذى خرجه بالتيار فى الاتجاهين (خرج-دخل)، إذن يمكننا الاستغناء عن مفتاح التفريغ باعتبار نقطتين،
1- التفريغ يتم فى المكبر كما يتم منه الشحن.
2- بدلا من التفريغ الكلى للمكثف ، سيكون التفريغ فقط بقيمة التغير فى جهد الدخول.
و تصبح الدائرة هكذا
بقى أن ندرس مكبر الخرج.
فى الواقع لا نحتاج لكسب، فالهدف هو الحفاظ على القيمة دون تغيير، و عزل المكثف كليا عن الحمل. وهذا يقترح علينا دائرة العازل Buffer وهى مكبر عمليات مع ربط الخرج بطرف الدخول العاكس لنحصل على كسب مساويا الواحد الصحيح و سيكون الدخل الغير عاكس (الموجب) هو المستخدم. وهو مشروح تفصيلا فى الدوائر الإلكترونية.
لكن كل المكبرات لها تيار انحياز للدخول وهو يتطلب رعاية خاصة لمعالجة أثره و سيسبب بالتأكيد خللا فى قيمة الجهد على المكثف!
هذا يقترح استخدام مكبر من نوع CMOS والذى تيار دخوله بيكو أمبير، أعلم أنك ستعترض أن السويتش قد يكون بطيئا نوعا ما ، ولهذا لا توجد دائرة لكل الترددات، فالبطيئة للتغيرات البطيئة و السريعة للتغيرات السريعة، وهذا لا يعنى عدم إمكانية استخدام السريعة حينما يكون التغير بطيئا و لكن فقط عدد المرات التى ستأخذ فيها عينة سيظل سريعا بالمعدل المطلوب.
لماذا إذن؟ حقا سؤال جيد و الإجابة أن التغير السريع لا يكون دوما مستديما، فقد يحدث تغيير فجائى أو سريع التغير ثم يثبت لفترة ثم يعود للتغيير. أبسط مثال صورة التلفاز حيث يكون التغير طوال رسم الخط قرابة 4 مليون تغير أى نحتاج 250 نانو ثانية تثبيت لكل قيمة أى سرعة على الأقل 10 مرات لأخذ العينة لنثبتها 250 نانو ثانية، ثم قد يأتى بعده عدة خطوط خالية المعالم لرسم خط أفقى بعرض الشاشة وفيه تبقى القيمة حوالى 64 مايكرو ثانية(تقريبا) بدون تغيير و غيرها من الأمثلة الكثير.
الدوائر العملية والمتكاملات؟ موضوعنا القادم إن شاء الله
[/size][/font][/b]
[FONT=“Times New Roman”][B][SIZE=“4”]دوائر الاحتفاظ بالعينة Sample And Hold
بناء على الشرح السابق سيكون لدينا نوعين من المتكاملات لتحقيق الطريقتين. الطريقة الأولى هى توفير المفتاح المناسب و يضاف المكثف للدائرة خارجيا حيث تناسب الترددات البطيئة و أخرى تشتمل على مكثف عالى الجودة داخليا ولكن من هندسة المتكاملات و التى سبق شرحها فى سلسلة الدوائر الإلكترونية نجد أنه سيكون صغير القيمة و من ثم تناسب الدائرة المعدلات السريعة و السريعة جدا.
الدائرة الأولى يمكن استخدام أى متكاملة تعمل كمفتاح و سبق ذكر العديد منها مثل 4066 4051 4052 4053 و للحصول على مدى جهد أكبر و أداء أفضل، هناك المزيد من المتكاملات مثل MAX333 والتى تصنعها شركة Analog Devices وهى تحتوى أربع مفاتيح مزدوجة المسار كما بالرسم.
الطرف المتحرك الأول متصل بالطرف 3 وهو مميز بالدائرة السوداء و عادة يتصل بالطرف 4 المميز بالدائرة المفرغة وعند التفعيل ينتقل للطرف 2 المميز بالدائرة المفرغة و طرف 1 هو المتحكم و المميز بالمثلث رمز دائرة Buffer أو عازل.
الطرف 10 هو المتحكم الثانى فى المفتاح من 8 إلى 7،9 و هكذا.
أطراف التغذية هى 16 للجهد +15 فولت و 5 للجهد-15 فولت و 6 للأرضى، ويلاحظ هنا أن الجهد +/-15 فولت ليتيح التعامل مع جهود تماثلية حتى +/-10فولت.
الدائرة بالرسم هى تطبيق لهذه المتكاملة فى هذه الدائرة حيث المكثف المبين باللون الأحمر هو الذى يحتفظ بالجهد و الدائرة تستخدم مفتاح توصيل وآخر للتفريغ. المتكاملة صالحة للاستخدام فى عديد من التطبيقات الأخرى كالتحكم فى الإشارة أو تصنيع “بدال – سنترال – سويتش” محلى صغير أو أى استخدام يتطلب تيار تغذية قليل فهى لا تستهلك أى تيار.
النوع الثانى من الدوائر المتكاملة المحتوية على المكثف داخليا منها AD585 وهى كما بالرسم ألمبينه باللون الأصفر
حيث نجد بها مكبر عمليات A1 به مكثف 100 بف و مكبر آخر يعمل كعازل Buffer و دائرة تحكم مكونة من دائرى NAND Gate لإتاحة التحكم بأكثر من مدخل.
المكبر الأول مزود بمداخل للتحكم بجهد الخرج و ضبط الصفر أى معالجة أى انحراف غير طبيعى فى جهد الخرج.
مزيد من المتكاملات الرقمية إن شاء الله
[/size][/b][/font]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
المؤقتات 4098-4528-4538 4047
سبق أن درسنا تفصيلا المؤقت الشهير 555 فى تصميم الدوائر الإلكترونية، ولا يكاد يخلو منتدى من ذكر دوائر لا نهاية لها حول 555، لكن هل هى الأفضل؟
حسنا لنذكر حسناتها و عيوبها
حسناتها: البساطة ، تتحمل تيار خرج يغطى احتياجات كثيرة، الحصول على فترة دوام متغيرة، لا تتأثر بتغير جهد التغذية، رخص الثمن ، الدعم الفنى العريض.
عيوبها : طرف الإلغاء RESET يعمل فقط عند أقل من 0.7 فولت مما يصعب استخدامه، فترة دوام أقل من 50% تتطلب دوائر إضافية، من الصعب الحصول على 50% دوام دقيقة، ترددها 100ك ذ/ث و حتى 500ك للنوع 7555، جهد القدح غير قياسى فهو ثلث قيمة جهد التغذية، لا توفر قدح بالحافة أو بالنبضة الموجبة أو السالبة، يتأثر الزمن بطول زمن القدح، لا توفر إعادة القدح لتطويل الزمن و يتطلب ذلك دوائر خارجية.
المؤقت 4047
رغم أن هذه المتكاملة لم تلغى كل العيوب إلا أنها ألغت البعض و أضافت ميزات و لها عيوبها أيضا.
أولا ندرس التركيب لكى نحدد الميزات من محاسن و عيوب.
نجد قلبها عبارة عن مذبذب عديم الاستقرار فى المربع الأصفر Low Power Astable Multivibrator وهو يستخدم مقاومة و مكثف لتوليد النبضات و لو رجعنا للداتا شيت صفحة 4 سنجد أنه من النوع المكون من بضع عاكسات كالسابق شرحه باسم Ring Oscillator، لذا فالمكثف متصل بين خرج عاكس و دخل آخر و من ثم يتعرض لجهد متردد ولذا يجب أن يكون بدون قطبية. ليست هذه مشكلة كبيرة فإن أردت أن تضع مكثف كيماوى ، يمكنك استخدام زوج منها بضعف القيمة متصلان عكس بعضهما. أيضا المقاومة متصلة بنفس الطريقة مما يتيح استخدام قيم أعلى بكثير من المتاحة للشهيرة 555.
خرج هذا المذبذب يسير فى مسارين، أحدهما مباشر من خلال معزز للطرف 13 و لهذا يعطى تردد المذبذب مباشرة وهو = 1 ÷ ( 2.2 × م × س ) حيث م بالأوم و س بالفاراد. من المعروف أن هذه المذبذبات لا تعطى نسبة دوام 50% وهى أحد خواص 555 أيضا.
المسار الثانى من خلال مذبذب ثنائى الاستقرار للقسمة على 2 للحصول على نسبة دوام 50% و يتيح خرجين عكس بعضهما من المخرجين 11،10 و طبيعى أن يكون التردد نصف السابق و الذى هو = 1 ÷ ( 2.2 × م × س ) حيث م بالأوم و س بالفاراد و بالتالى يصبح = 1 ÷ ( 4.4 × م × س ) . و هما حسنتان لحساب هذه المتكاملة.
نجد أن المذبذب له مدخل عبر المربع الأخضر على يساره يسمى Astable Gate Control وهو بوابة التحكم فى المذبذب و من خلالها يمكن جعل المذبذب يعطى مجموعة نبضات و يتوقف ثم يعاود العمل مرة أخرى و لها طرفى تحكم رقم 5 لتفعيل المذبذب بجهد موجب و الطرف 4 لتفعيل المذبذب بتوصيله بالأرضى وذلك لتسهيل تصميم الدوائر وهى حسنه أخرى، وهى خاصية تمكنك من تشغيل المتكاملة كمولد نبضة أو مذبذب دون الحاجة لتعديل الدائرة كما فى حال المتكاملة 555. لفهم عمله ننظر للتركيب الداخلى المشروح فى الداتا شيت/ الأطراف بنفس الألوان.
طرفى Astable, Astable يتصلان بدائرة بوابة NAND Gate وهى جزء من مهتز ثنائى الاستقرار باللون الأزرق، لهذا لو وضع "HI " على الطرف Astable سيكون "LO " على مدخل البوابة و من ثم “Hi” على مخرجها وهو يتيح (يفعًّل) البوابة NAND باللون الأصفر ومن ثم المهتز (باقى الوحدات باللون ذاته). نفس الكلام يقال على الطرف Astable، فوضع صفر عليه يفرض خرج البوابة "HI ".
إذن يكفى طرف واحد فقط أن يكون فاعلا لتفعيل المهتز فى الوضع المستديم Astable و يجب أن يلغى الطرفان معا حتى يمكن قدحه بنظام النبضة– أخذا فى الاعتبار باقى الأطراف.
تحت المربع الأخضر نجد آخر أحمر باسم Mono-stable control وهو القدح فى وضع وحيد النبضة و أيضا لها طرفين ، 6 للقدح بنبضة سالبة أى من 1 إلى صفر و الطرف الآخر 8 للقدح بنبضة موجبة أى من صفر إلى 1 وهى غير موجودة أيضا فى 555 ، لكن من الدائرة التفصيلية نجد أن الطرفين يتصلان بدائرة NAND GATE باللون الأحمر ، و لهذا فالطرف 8 مثلا و المسمى +Trigger ، ولكى يتيح القدح من صفر للواحد أى نبضة صاعدة، يجب أن يكون باقى الأطراف لهذه البوابة بالقيمة "HI " أى الطرف –Trigger فى وضع صفر و العكس بالعكس. فلكى يمكن القدح من "HI " إلى صفر على الطرف –Trigger يجب أن يكون الطرف الآخر +Trigger فى الوضع "HI ". الجدول التالى يشرح كافة التوصيلات لتشغيل الخواص
فى حال Astable يوفر وضع True Gating بمعنى أن تتحكم بالنبضة الموجبة ووضع Complement Gating أى بالنبضة = صفر أى عكس الوضع السابق.
طرف RESET أو الإلغاء يتصل بدائرة القسمة على 2 فهو الخرج المعتمد للمهتز لكن لا تؤثر على خرج المولد باللون الأصفر مباشرة ولكن من خلال أنه يؤثر على مذبذب القسمة على 2 باللون الأخضر والذى بدوره يؤثر من خلال المسار الأخضر على مذبذب الدخول و من ثم المهتز الرئيس باللون الأزرق.
بقى طرف أخير وهو رقم 12 وهو يتصل بدائرة داخلية تسمح بخاصية إعادة القدح فى حال المهتز وحيد الاستقرار أو مولد نبضة، فعند وضع 1 على هذا الطرف، فإن كل نبضة قدح تعيد الزمن للبدء من جديد دون التأثير على الخرج و عند وضع صفر على هذا الطرف فإن النبضة ستنتهى بعد الزمن المقنن لها بالمقاومة و المكثف قبل أن تبدأ الثانية. مثلا لو زمن النبضة ثانية ونصف ثم تأتى نبضة قدح كل ثانية، فعند وضع 1 على هذا الطرف، يجعل الخرج 1 و مستمر طالما هذه النبضات آتية و تعود لصفر بعد نصف ثانية من آخر نبضة أى حتى تنتهى هذه النبضة. أما وضع صفر على هذا الطرف، فإن أول نبضة تجعل الخرج 1 و الثانية ستأتى قبل أن ينتهى الزمن لذا ستهمل و بعد تمام الزمن ثانية و نصف يعود الخرج للصفر و فى تمام الثانية التالية تأتى النبضة الثالثة لتقدح المذبذب فيعود للقيمة 1 و هكذا.
أخر حسنة لها أنها تعطى تردد أعلى من 555 و لكن من عيوبها تيار الخرج محدود فلا تقود ريلاى مباشرة مثل 555
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
المؤقت 4098-4528-4538
من المتكاملات المصممة لتوليد نبضة أى تعمل كمؤقت هذه المجموعة وهى أسهل من 555 الشهيرة و السابقة أيضا و تحتوى زوج من المؤقتات فى كل وحدة ولكنها لا تعمل كمذبذب.
لنفهم كيف تعمل، ننظر للدائرة الداخلية لها
سنجد أنها تحتوى طرف RxCx وهو الطرف الذى يستخدم لتحديد الزمن حيث يتصل خارجيا بمقاومة التوقيت للموجب و مكثف التوقيت للأرضى.
نلاحظ هنا أن المكثف يتصل بالطرف السابق مثلا الطرف 2 مع الطرف 1 و رغم أن الطرف 1 يسمى طرف المكثف إلا أن الداتا شيت تنص على وجوب توصيله من الخارج بالأرضى وهو أيضا متصل من الداخل بالأرضى.
و تكون الدائرة كما بالرسم
لاحظ أن الرقم بين قوسين هو للمؤقت 1 أو 2 داخل المتكاملة وهى مقسومة نصفين طوليا.
الطرف RxCx رقم 2 أيضا متصل داخليا بقادح لتحديد زمن نهاية النبضة و 2 ترانزيستور موسفيت لتفريغ المكثف ، و على هذا نجد أن عادة يكون المكثف مشحونا لجهد التغذية ولا يمر تيار فى المقاومة.
عند حدوث قدح تفرغ الترانزستورات المكثف و تتركه ليشحن من خلال المقاومة مرة أخرى لذا فتكرار القدح يكرر تفريغ المكثف و يعيد بدء زمن النبضة مرة أخرى وهذه خاصية غير موجودة فى مؤقتات أخرى مثل 555 ولكن يمكن التحكم فيها و إلغاؤها.
لهذا أصغر قيمة لمقاومة التوقيت هى 5 ك أوم و أكبر قيمة تعتمد على جودة المكثف المستخدم و أكبر قيمة للمكثف هى 100 ميكرو لأن الموسفيت الداخلى مسئول عن تفريغه و يكون زمن النبضة
ز = 0.5 م س
وبمقاومة 1.2 ميجا مع 100 ميكرو يكون الزمن 60 ثانية أى دقيقة كاملة.
لتحقيق القدح، يجب أن نفهم آليته، فلدينا طرف للقدح الموجب أى نبضة صاعدة و طرف آخر للقدح السالب أو النبضة الهابطة. هنا يجب آن لا ننسى أن طرف القدح الموجب يجب أن يكون دوما على جهد = صفر و أيضا طرف القدح السالب يجب أن يكون عادة على جده =1 أى جهد التغذية. لو عكس جهد أى من الطرفين يتوقف القدح وهذه الحقيقة يمكن استخدامها لتعطيل القدح و تكراره كما بالرسم.
فعندما تريد أن تقدح بنبضة هابطة، يمكنك استخدام النموذج العلوى حيث تصل الخرج Q بالدخل الموجب. عادة يكون الخرج Q = صفر و من ثم القدح الموجب فى وضع = صفر أى فاعل.
تأتى النبضة على الطرف الآخر لتقدح المؤقت ويصبح Q=1 وهذا يجعل طرف القدح الموجب غير فاعل فلا يستقبل المؤقت أى نبضة أخرى حتى ينتهى زمن هذه النبضة
إن شئت القدح بالنبضة الموجبة أو الصاعدة استخدم التوصيلة المبينة بالجزء السفلى حيث توصل Q بالقادح السالب. عادة يكون Q =1 مما يجعل طرف القدح السالب =1 أى متاح و تأتى النبضة على الطرف الآخر كما بالسابق تماما.
لدينا 4098, وهى الأولى و لكنها احتوت على خاصية لا تناسب الوقت الطويل لحاجته لمكثف كبير فتم تعديلها بالأرقام -4528-4538 وهى بدائل فيما عدا أن 4528 تناسب أكثر النبضات الأصغر من 10 ميكرو ثانية.
هذه الخاصية نشرحها فيما يلى:
عند الحاجة لزمن طويل بضع ثوان مثلا ، نضطر لاستخدام مكثف كبير، هذا المكثف يكون مشحونا لجهد التغذية كما شرحنا سابقا عند الوضع العادى فى انتظار القدح ، لو انقطعت التغذية فجأة أو حدث قصر على طرفى التغذية، سيفرغ هذا المكثف شحنته فى المقاومة و داخل المتكاملة أيضا فيتلفها وهنا يكون دور الثنائى باللون الأحمر ليوفر مسارا سريعا للتفريغ بعيدا عن المتكاملة. هذا العيب قد الغى فى 4538
كل مؤقت مزود بطرف RESET أو إلغاء للنبضة وهو يوفر إنهاء للنبضة فوريا كما أنه يمنع القدح و تكراره. فى حال عدم الحاجة إليه يجب توصيله بالأرضى حتى لا يسبب إلغاء عشوائى لحساسية دخول متكاملات CMOS بصورة عامة.
هكذا نجد أن هذه المتكاملات توفر مؤقتات زمن طويل و دقة لا بأس بها و إعادة قدح. الموضوع القادم إن شاء الله نتكلم عن 4046 متعددة المواهب.
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
المتكاملة 4046 متعددة المواهب
4046 هى المتكاملة المسماة PLL أو الدائرة المغلقة متحدة الوجه Phase Locked Loop
هذه التقنية تستخدم عادة لتشغيل مهتز أو مذبذب أو أكثر من واحد بنسبة ثابتة لمرجع محدد قد يكون ثابت التردد أو متغير التردد. كلام غير مفهوم؟ حسنا لو لديك حاجة لأن يكون عندك تردد ما 100ك و آخر 200ك وثالث 500ك مثلا و تريد أن تتابع هذه الترددات بعضها فهذه الدائرة توفر لك الحل حتى لو تغير التردد الأقل ستتبعه البقية فمثلا لو أصبح 110 ك سيكون الثانى 220ك و الثالث 550 أى بنسبة ثابتة 1:2 و 1:5
مثال فى دوائر التلفاز NTSC يتم الحفاظ على اللون بربط وجه المذبذب المحلى مع التردد المرسل من محطة الإرسال بهذه الدائرة.
عموما دائرة PLL لكى تعمل، من اسمها يجب أن تحتوى مذبذب متغير بالفولت Voltage Controlled Oscillator VCO بحيث يمكن تغيير تردده حسب الرغبة بفولت يتحكم فيه، و دائرة كاشف وجه لتميز تطابق أو اختلاف وجه الإشارة القادمة مع إشارة المذبذب المحلى ، ثم مكبر لهذا الفرق بين الإشارتين ليعود فيضبط المذبذب مرة أخرى. الصورة تبين هذه المراحل.
لماذا لا نستخدم التزامن، أليس أسهل ألف مرة من هذا؟
نعم التزامن أسهل لكن
1 – الدائرة تربط وجه المذبذب مع الإشارة القادمة لكن التزامن يقدح المذبذب مما قد يشوه شكل الموجة
2 – التزامن لا ينتج عنه أى جهد لكن PLL ينتج إشارة الخطأ التى تتبع تردد الإشارة القادمة – أى تقوم بعمل كاشف تردد.
3- يمكن باستخدام دائرة قسمة (عداد رقمى) أن تحصل على تردد آخر بأى نسبة قسمة تريد بينما التزامن لا يوفر هذه الخاصية إذ يجب أن يكون الترددين متقاربين حتى نسبة 1:3 أو 1:5 مثلا و التزامن لا يكون دقيقا عندما يكون أحد الترددين بعيدا عن الآخر مثلا بنسبة 1:10 أو 1:100 أو 1:1000 مثلا بينما PLL يصلح لأى نسبة تقسيم. فقط تأخذ منها موجة مربعة .
إذن هذا القيد هو الذى سيلغى هذه الميزة!!!
كلا فأى نسبة تقسيم يمكن عادة أن تحولها إلى نصف القيمة متبوعة بالقسمة ÷2 بواسطة أى مذبذب كما سبق الشرح فى أول الموضوع.
هل هذا خطى أم رقمى؟؟ حسنا لا فرق فالتقنية مطبقة فى المجالين.
لكن كاشف الوجه دائرة خطية!!
ببساطة لتحديد الفرق فى الوجه يجب أن يكون التردد واحد وكم الإشارة بالفولت واحد و إلا سيكون هناك خطأ ناتج من اختلاف التردد و فرق الجهد. هذا يحيل العملية إلى عملية طرح بسيطة و باقى الطرح دلالة على فرق الوجه بين الإشارتين.
الصورة تبين فكرة كاشف الوجه فى الحالتين - فلو طرحنا إشارتين (ألإشارة الحمراء مثلا مطروحا منها الزرقاء و المحصلة باللون الأخضر) و كانتا بنفس الوجه سيكون الناتج صفرا ولو بينهما 180 درجة سيكون ضعف أحدهما تناظريا أو رقميا سيكون دوما قيمة إحداهما و تتغير النسبة بتغير زاوية الطور
مما سبق نجد أن 4046 يجب أن تحتوى هذه الوحدات الثلاث
كاشف وجه و مذبذب متغير VCO و مكبر لإشارة الدخل وهذا موضوع المرة القادمة إن شاء الله
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
كيف تعمل 4046
كما ذكرنا المرة الماضية يجب أن تحتوى على ثلاث مكونات أساسية
مذبذب متغير VCO
مقارن الوجه أو كاشف الوجه
مكبر لإشارة الدخل
من الصورة سنجد كل من هذه المكونات مصنوعة بخصائص متميزة تتيح استخدامها استخداما مستقلا يجعل هذه المتكاملة متعددة المواهب. حسنا عذرا ربما عدا مكبر الدخل الذى يستخدم دوما مع غيره.
مذبذب متغير VCO
الموضح بالرسم باللون الأزرق وله 7 أطراف
طرفين 5،7 بينهما مكثف تحديد التردد
الطرف VCOin رقم 9 وهو دخول ذو معاوقة عالية جدا لتغيير التردد من القيمة الصغرى للقيمة العظمى بتغيير الجهد عليه من صفر إلى قيمة التغذية يتغير تردده من القيمة الصغرى للقيمة العظمى.
تصميم هذا الطرف بمقاومة دخول عالية له هدف وهو أن لا يكون له تأثير على الدائرة الخارجية R3,C2 وهى التى تستخدم فى ترشيح خرج الكاشف شأن أى دائرة كاشف أو تقويم.
إذن محاولة استخدام خرج الكاشف ككاشف تعديل تردد ستقلل من جودته
نعم لذا وضع المصمم داخليا دائرة Source Follower أو تابع مصدر (ارجع لدوائر تابع باعث فى الترانزيستور) لتعطيك هذا الجهد على الطرف رقم 10 و كل ما تحتاجه هو مقاومة للأرضى.
لتحديد تردد المذبذب ، الطرف 11 لتوصيل المقاومة R1 للموجب وهى لتحديد التردد الأقصى له
التردد الأقصى = 1÷ م س عند 15 فولت و كشأن هذه التقنية فالتردد يقل بانخفاض جهد التغذية بنسبة تصل للنصف عند 5 فولت وهذه المنحنيات تبين ذلك
الطرف رقم 12 يمكن أن يوصل به مقاومة أخرى للتغذية و تخضع لنفس القانون أيضا لكنها تحدد التردد الأدنى فلو كانت مالا نهاية سيكون التردد = صفر أى تبدأ من صفر للتردد الأقصى
أما لو أردت أن تجعل النطاق محدود بين ترددين، فأجعل التردد الأعلى مناظر للمقاومة R1على الطرف 11 والتردد الأدنى مناظر للمقاومة R2 على الطرف 12 و بذلك تغير التردد من الحد الأدنى للأقصى بتغيير جهد الطرف 9 كما ذكرنا من صفر لجهد التغذية.
الطرف رقم 5 و اسمه INH أى منع بوضع جهد = 1 عليه يتوقف المذبذب عن العمل
و أخيرا الطرف 4 وهو خرج المذبذب والذى يمكنك استخدامه فى هذه الوظيفة أو لأى غرض مستقل تريد وهو حتى 1 ميجا – فقط مع مراعاة أن خرج هذه الدوائر دوما موجة مربعة وليست جيبية.
الجزء الثانى هو مكبر الدخول.
المتوقع أن يكون الدخل نبضات رقمية صفر-1 وهذا ما يمكن استخدامه فعلا على الطرف 14 مباشرة بالربط المباشر بمصدر النبضات، لكن ماذا لو كانت الإشارة ضعيفة؟ إذن سنحتاج لدائرة تكبير و مقارن لتحويلها للصورة الرقمية.
لو لم يكن المطلوب استخدام مرشحات تردديه أو غيرة و فقط تكبير و تحويل الدخول للصورة الرقمية، و كان الدخول أكبر من 300 مللى فولت أى 0.3 فولت ،إذن يمكنك الربط بين المصدر و طرف الدخول 14 بمكثف لتفعيل المكبر الداخلى و استخدامه فى هذا الدور.
بقى دور مقارن الوجه وهو ما سنبقيه للمرة القادمة إن شاء الله
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]مقارن الوجه فى 4046
من الشكل نجد أن لدينا مقارنين مختلفين ولكل منهما خواص مختلفة و من ثم استخدامات مختلفة، لكن المشترك بينهم هو الدخل من الطرف 3 أعلى اليسار و له وصلتان الأولى مباشرة بطرف 4 خرج VCO و هو يستخدم عندما يراد أن يكون تردد المذبذب VCO مساوى لتردد الدخول وهو غالبا عند استخدامه ككاشف تردد ، أما لو أردت أن يكون هذا المذبذب VCO أعلى بنسبة ثابتة مقدارها N بالنسبة لإشارة الدخل كأن يكون VCO مثلا ضعف تردد الدخول، سنستخدم وحدة قسمة على 2
لو أردنا النسبة 3 يكون قسمة على 3 و هكذا فمثلا يمكنك استخدام وحدة قسمة على 10 لتضبط التردد VCO على 500 بينما الداخل سيكون هنا 50 فقط وهى وسيلة أسرع لضبط و قياس التردد كما يمكن أن نولد أكثر من تردد بينهم نسب محددة تحددها دائرة القسمة هذه.
كلا لا تسألنى ما هى دائرة القسمة هذه – فقط ارجع لدوائر العدادات.
المشترك الثانى الطرف 1 وهو بعد أن تختار أحد المخرجين PC1, أو PC2 ثم تمرره كما بالصورة لدخول مذبذب VCO ستعمل الدائرة ولكن كيف تعلم أنها تضبط ترددها حاليا أو أنها قد أتمت الضبط و “التحمت” بالتردد وهو ما يسمى Locked أو أغلقت؟ هذا دور الطرف 1 ستجد عليه جهد = التغذية أى منطق 1 عند تمام هذه الوظيفة، و عند حدوث خلل لسرعة تغير الدخول يعود صفر. ألا يذكرك هذا بشيء؟؟ مبين التنغيم “المحطات” فى راديو FM .
بقى فقط المختلف وهما المقارنان
الأول و خرجه الطرف 2 هو دائرة أو مطلق XOR و يمكنك الرجوع لشرحها سابقا وهى تعطى خرج فقط عندما يكون الدخلين مختلفين.
إذن لو تطابق الترددين سيكون الخرج صفر ولو انعكسا سيكون 1 أو جهد التغذية و لو بينهما فارق سيكون الخرج قدر الاختلاف. و المهم أن عندما يكون أحدهما فقط موجودا (لا تسأل أيهما فالطبيعى أن يغيب الدخول فالمذبذب VCO دائم العمل) سيكون الخرج موجة مربعة أى 50% من جهد التغذية – لنتذكر هذا حتى ننتهى من الثانى.
الثانى هو مذبذب ثنائى الاستقرار (عدة مراحل)، تقدحه حافة المذبذب و حافة الدخول بصورة معقدة قليلا لتحديد ما إن كان التردد أعلى أم أقل و إن كان فى نفس الوجه أم لا و لهذا فالحال عند غياب الدخول فالخرج دوما صفر.
ماذا يفيدنا هذا؟
حسنا ذكرنا الخرج فى الأول نصف الزمن أى سيتحول بعد المقاومة و المكثف لنصف الفولت و من ثم يغذى لمدخل VCO فيكون تردده هو نصف المدى
لو المقاومة R2 غير موجودة أى = مالا نهاية إذن التردد هو نصف التردد الأعلى
لو المقاومة R2 موجودة أى = المذبذب يتحرك ما بين ترددين ت1 و ت2 سيكون التردد = نصف مجموعهما أى (ت1+ت2) ÷ 2
أما فى الثانى، فعند غياب الدخل سيكون الخرج = صفر وهو الذى بدوره يجعل VCO يعمل عند أقل تردد.
حسنا لو R2 موجودة سيكون هذا هو التردد الأدنى لكن لو تذكر من المرة الماضية لو لم تكن مستخدمة سيتوقف المذبذب عن العمل وهذا ما يجب مراعاته بالنسبة لباقى الدائرة – هل مسموح أن يتوقف هذا المذبذب؟
الجدول التالى يبين بعض الخواص الأخرى و الفروق كما يلى
فرق الوجه بين الدخول ا المذبذب فى الأول 90 درجة بينما صفر فى الثانى
الأول قد يلتحم بمضاعفات التردد الداخل لو قيمتها عالية بينما الثانى لا يلتحم إلا بالتردد الأساس فقط
رفض الأول للضوضاء عالى بينما قليل بالنسبة للكاشف الثانى.
هكذا يمكننا استخدام هذه المتكاملة فى العديد من التطبيقات.
الزينر مجرد زينر يستخدم كأى زينر وهو ليس ذو أهمية خصوصا فى وجود مثبتات الجهد مثل 7812 لذا فى النسخة المطورة 74HC4046 استبدل بكاشف ثالث قريب من الأول.
دوائر خط التأخير موضوعنا القادم إن شاء الله
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]دوائر التأخير Delay lines
تنقسم دوائر التأخير لقسمين، دوائر رقمية و دوائر تماثلية
الرقمية سهلة ولا تستدعى أى مشاكل فقط ذاكرة تحفظ بها البيانات ثم تسترجعها لاحقا
منها ذات البت الواحدة مسجلات الإزاحة السابق شرحها و تكون ذات سعة ثابتة و يعيبها أنها جامدة أى مثلا لو تستخدم 16 بت يعنى انك يجب أن تدخل 16 بت لتحصل على الأولى ولا تستطيع أن تعطى واحدة ثم تأخذها دون أن تعطى باقى العدد
وعلاجها أن تستخدم متكاملات مثل التى سيق شرحها FIFO أول الداخلين أول الخارجين LIFO أخر الداخلين أول الخارجين فهى تبين إن كان بها بيانات أم فارغة.
التماثلية صعبة ولكنها مطلوبة بشدة ، فهى منذ نشأة الرادار كانت ضرورة للتمييز بين الأهداف المتحركة و الثابتة كطائرة فوق مبانى، لاحقا و بفضل حل هذه المشكلة فى الرادار، أمكن إنتاج التلفاز الملون وهو أيضا احتاج لتأخير الإشارة زمن رسم خط كامل 64 ميكرو ثانية.
كانت المشكلة أساسا كيف نحتفظ بالإشارة لفترة ما
قدمت أجهزة التسجيل بالشريط المغناطيسى حلا للفترات الطويلة فيمكنك التسجيل على نقطة و تقرأ من نقطة بعدها و التأخير يعتمد على المسافة بينهما لكن النطاق الترددى و كبر حجم الأجهزة كانا عائقا.
أما فى الفترة القصيرة كالرادار و التلفاز، فكان اللجوء للصوت هو الحل. نولد الصوت بما يشبه السماعة المناسبة للوسط و بعد عبورها وسط ما محسوب بدقة نعيد إنتاج الإشارة مرة أخرى بما يشبه الميكروفون أيضا المناسب للوسط.
المشاكل عديدة مما اضطرنا لاستخدام موجة حاملة للتخلص من الضوضاء الصوتية والاهتزازات الخ مما زاد الأمور سوءا فالترددات الأعلى تحتاج مولدات صوتية مناسبة وخاصة جدا وكانت تعانى من ضيق النطاق الترددى وعدم إمكانية تغيير زمن التأخير.
هل يمكن أن نشحن مكثفات بالقيم اللحظية لجهد الإشارة (الفولت) و نستخدمه لاحقا؟
هذه طرفة بلا شك، فكم ألف مكثف تحتاج و ما هى الدائرة التى تشحن و تقيس و تعيد ترتيب و شحن هذه المكثفات!!!
أتت تقنية CMOS بحل مثالى فهى ذات معاوقة عالية جدا و توفر مكثفات أفضل من أى نوع متوفر حاليا ، فضلا عن أن الترانزيستور CMOS المستخدم كمفتاح هو أصغر الترانزستورات المعروفة و التحكم الرقمى أيضا متفوق هنا. عجبا أحالت تلك الطرفة لواقع ملموس و مستخدم.
لفهم نظرية عملها نأخذ مثال الوحدة ذات 256 مكثف – ما دمنا نتحدث رقميا فالأعداد أيضا ستكون رقمية.
الفكرة ببساطة لدينا 256 مكثف و ننقل الإشارة من الأول للتالى و هكذا حتى تصل للأخير.
التسلسل يشبه وحدة إطفاء الحريق البدائية التى تتبادل الدلاء المملوءة بالماء لنقلها من المصدر للموقع فسميت بنفس الاسم bucket brigade device و اختصارا BBD
كيف تعمل؟
ببساطة أول نبضة على الخط الأخضر ستفتح الترانزستورات الفردية أى المتصلة بالخط الأخضر فيفتح أولها و يحفظ عينة من جهد الدخول على المكثف الأول ثم تنتهى هذه النبضة.
النبضة التالية يجب أن تكون على الخط الأحمر ليفتح الترانزستورات الزوجية المتصلة به فتنتقل هذه العينة من المكثف الأول للثانى
النبضة التالية على الخط الأخضر فتنتقل العينة من الثانى للثالث وفى نفس الوقت يأخذ عينة جديدة على الأول و هكذا تتبادل الشحنات لنقل العينات من المكثفات الفردية للزوجية حتى بعد 256 نبضه (عدد الترانزستورات و هو نفسه عدد المكثفات) تصل العينة للخرج
هذا تغيير الزمن ببساطة بتغيير معدل النبضات
هذه الدائرة بها 4096 مرحلة أى 8 من السابقة
MN3205 4096 stage bucket brigade device BBD
استخدام هذه الدائرة فى الصوتيات كثير خاصة فى دوائر صدى الصوت و رنين الصوت و تأخير الإشارات الصوتية عموما- الدائرة بالداتا شيت
هل يمكن لدوائر المنطق أن تحسب؟ دوائر الجمع موضوعنا القادم إن شاء الله
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
دوائر الجمع Half Adder/ Full Adder
فى بداية الحاسبات الإلكترونية، تم تصنيع دوائر تكبير بالصمامات القديمة نفذت عمليات حسابية هى الجمع الطرح والضرب والقسمة و حساب اللوغاريتمات ، ولهذا سميت مكبر العمليات Operational Amplifier و نفذت بها حاسبات تماثلية متقدمة جدا فى وقتها ولكن تفتقر للبرمجة بالأسلوب المفهوم لنا الآن، وهو ما دفع للطور الحالى. هل تستطيع الدوائر المنطقية الحساب؟
دوائر الجمع هى دوائر تستخدم البوابات لتحقيق وظيفة الجمع الحسابية، بالنسبة لخطين نتخيل مربع له مدخلين و بالطبع سيكون له خرجين، حاصل الجمع و المحمول Carry إن كان هناك باقى نتيجة الجمع. لنرسم أولا جدول التحقق أو الحقيقة لنعلم ما يجب أن يكون فى كل من المخارج مقابل كل دخول.
لو أردنا جمع الرقمين A,B حيث كل منهما واحد أو صفر، نلاحظ أن الخرج سيكون صفر مع كلا المدخلين مساويان للصفر، و لو أى من المدخلين واحد سيكون الخرج مساويا واحد لكن عندما يكون الدخلين مرة أخرى آحاد، يعود الخرج صفر مرة أخرى.
هل نذكر هذه الحالة؟ الم تكن دائرة “أو المطلق” X-OR التى سبق شرحها؟
أيضا نلاحظ أن الخرج Carry دوما صفر إلا عندما يكون المدخلين معا واحد وهنا فقط ينتج Carry، الم نتذكر هذه أيضا؟ دائرة “مع” AND.
حسنا أصبح الأمر سهلا، بوابة XOR مع أخرى AND
حسنا لكن ماذا لو كان المدخل أكثر من بت واحدة؟
سنأخذ خرج الأولى لندخله للثانية، ولكن كيف نوصل Carry من الأولى للثانية؟
لهذا سميت السابقة نصف جمع Half Adder و سيكون ما نريد هو الجمع الكامل Full Adder
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
دائرة الجمع الكامل Full Adder
لنكرر ما فعلناه المرة السابقة هنا فنرسم جدول به خمسة أعمدة ثلاث مداخل A, B, C و مخرج الجمع و Carry.
سنلاحظ من هذا الجدول أن الخرج سيكون واحد طالما عدد المداخل فرديا وهذا يتحقق بدائرتى XOR وسبق شرحهما عندما تحدثنا عن تعريف XOR ، أما المحمول Carry سيكون له حالة من اثنتين. الأولى لو كلا المدخلين واحد وهو ما تحققه دائرة “مع” AND السفلية والأخرى، لو أى مدخل “مع” Carry وهو ما تحققه دائرة “مع” AND العلوية وطبعا بداية قلنا حالتين، كذا “أو” كذا وهو ما يفرض دائرة “أو” OR
هكذا نستطيع أن نجمع مدخلين مع Carry، فكيف نمد هذا لعدد من المداخل؟
الطريقة الأولى هى كما بالعدادات طريقة الموجة أو Ripple وهى لأن ناتج جمع الأولى سيدخل منه Carry الثانية و خرج الثانية سيدخل منه Carry للثالثة وهكذا وهو بالطبع بطيء نوعا ما وهو باعتبار أن الجمع الكامل ممثل بمربع يكون كما بالرسم.
لحسن الحظ، كما أمكن التنبؤ بوقف Carry فى العدادات لنعمل المتزامن وهو أسرع، يمكننا التنبؤ بهذا Carry من الجدول السابق لزيادة السرعة إلا أنها ليست بنفس البساطة و تحتاج دائرة لكشف حالة المحمول Carry لذا أعطيت اسم “المتنبئ” LOOKAHEAD CARRY وهى تعطى خرج بناء على حالة المداخل فتسرع عملية الجمع وهى تبنى بعدد من البوابات و تخضع لعدة تقنيات مختلفة لتحقيق ألسرعة المطلوبة. مثال متكاملة الجمع الكامل 4 بت برقم CD4008
لم يبقى سوى الذاكرة و وحدات المعالجة المركزية للدخول لعالم الحاسبات
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
الذاكرة:
كانت الذاكرة من أكبر المشاكل منذ بدء عصر الكهرباء حتى تم اختراع المفتاح النقال Toggle Switch والذى يستقر بواسطة “نابض” أو “سوسته” أو “ياي” فى وضعين، ثم اخترع الريلاى و تم تطويره ليمثل المفتاح السابق وكان به ملفين أحدهما للنقل لوضع منهما والآخر للعودة للوضع الأصلى، ثم تم تصنيع آخر بملف واحد و عكس اتجاه التيار يعكس وضع الريلاى وكان ذو فائدة كبيرة عند انقطاع التيار إذ يحتفظ “يتذكر” الوضع قبل انقطاع التيار.
لا ينكر دور هذا الريلاى فى عمل السنترالات (المقسمات) فى عالم التليفونات (الهواتف) الأرضية.
عند اختراع الصمام الإلكترونى و اختراع دائرة المذبذب المتعدد، ظهرت الضرورة للسير فى اتجاهين متوازيين، الذاكرة الغير متطايرة والتى سبق شرحها وسميت هكذا لأن البيانات تبقى عند انقطاع التيار الكهربى، والمتطايرة باستخدام المذبذب المتعدد ثنائى الاستقرار والتى تفقد البيانات فور انقطاع التيار الكهربى،و ذلك للفرق الشاسع بين السرعة و الحجم وتقريبا كل شيء.
لكن التطور العلمى لن يتوقف، واستخدمت خرزات من الفرايت لتشكيل أول خلايا الذاكرة الغير متطايرة و التى زادت سرعتها بشكل كبير عن تلك الميكانيكية باستخدام الريلاى، ولكن سرعة الدوائر أيضا تزايدت وهكذا سيظل هذا التقسيم إلى ما شاء الله.
أنواع الذاكرة المتطايرة:
الذاكرة الساكنة:
لدينا ما أسميناه المساكات Latches، ماذا لو جمعنا كمية منها معا؟ كل ما نحتاجه هو وسيلة تحديد أى خانة نريد التعامل معها، وهذا أيضا تعاملنا معه وهو Decoders أو محلل الشفرة.
إذن سيكون لدينا العدد المطلوب من المذبذب الثنائى الاستقرار المعدل بصورة D-Type أو المساكة ودائرة تحليل العنوان.
التركيب السابق يكون مجموعة من الخانات التى تعمل كذاكرة جيدة، و عند التنفيذ العملى بتقنية TTL سنحتاج كمية كبيرة من البوابات التى تكون المذبذبات و كمية أخرى تكون محللات العنوان الخ مما يجعل التكلفة المادية كبيرة، لذا نستطيع استخدامها حيث تكون السرعة أهم من الكلفة.
مع تقدم العلوم و ظهور تقنية الترانزستورات من نوع FETوتطورها و ظهور MOSFET، ظهرت تقنيات مرحلية عديدة منها النوع السالب المسماة NMOS والنوع الموجب و المسماة PMOS و هى تحتاج لعدد أقل كثيرا من الترانزستورات لعمل نفس البوابة مما أتاح تصنيع ذاكرة ذات سعة أكبر بنفس مساحة السليكون وبالتالى كلفة أقل.
هذه الدائرة ببساطة هى المذبذب الثنائى الاستقرار السابق " داخل المستطيل الأصفر" و المكون من 2 ترانزيستور Q1,Q2 من النوع السالب القناة N-MOS إلا انه كما سبق أن شرحنا أن المقاومات تستهلك كثيرا من مساحة السيليكون ، لذ تستبدل بترانزيستورات و هما Q3,Q4 و لزيادة السرعة يستغل خاصية أنهما يوصلان ويفصلان كأى ترانزيستور عادى لذا توصل الإشارة لبوابتيهما أيضا كما بالرسم.
لتحديد الصف، يستخدم الخط العلوى باللون الأحمر و عند وضع 1 عليه يتيح كلا من الترانزيستور Q5,Q6 لهذه الخلية و باقى الخلايا فى نفس الصف.
لتحديد العمود يوضع جهدين متعاكسين 1 على الخط الأحمر الرأسى الأيمن و عكسه صفر على الخط الأيسر الرأسى لحفظ البيان 1 فيه أو العكس بالعكس لحفظ البيان صفر.
سميت هذه الذاكرة بالساكنة عندما اخترعت الذاكرة الديناميكية والتى تحتاج لأقل عدد من الترانزستورات. وهذه الذاكرة تعتبر أسرع ذاكرة ولكنها تحتاج طاقة و ثمنها أغلى و أسهل فى الاستخدام ولذا توضع حيث تتطلب الأمور أسرع استجابة.
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
الذاكرة الديناميكية:
جاءت فكرة هذه الذاكرة عندما تمكن العلماء من تصنيع المكثفات بتقنية الدوائر المتكاملة، عندها أمكن تصنيع الخلية بدلا من مذبذب مكون من عدد من المكونات، صنعت الخلية من ترانزيستور واحد و مكثف كما بالصورة لذاكرة 4×4 لتسهيل التوضيح
كل صف مكون من 4 خلايا وهو يعبر عن عرض الكلمة أو البيان مثلا 4 أو 8 أو 16 حرف الخ حتى 64 حرف حاليا .
عدد الأعمدة والتى تعبر عن سعة الذاكرة 64 كلمة أو 128 أو أكثر حتى وصلنا إلى جيجا الآن.
المكثف هو العنصر الفاعل والذى يحتفظ بالبيان و الترانزيستور هو المفتاح الذى يحدد لنا أى مكثف نتعامل معه الآن.
لكى تضع قيمة ما فى الصف الأخضر، يجب وضع العنوان Address والذى يحدد الصف المطلوب كتابته. لاحظ وجود أسفل الصورة وحدة ثلاثى الحالة Tri-State لكى تحدد ما إن كان اختيارنا لهذه الذاكرة أو وحدة أخرى، ثم ثلاث وحدات سنتحدث عنهم لاحقا وأخيرا طاقم من المفاتيح التى تحدد إما أن تكون الخطوط الزرقاء متصلة مباشرة بالخارج أم ستعبر تلك الوحدات. الآن لو تريد الكتابة فى هذا الصف، تكون المفاتيح على الوضع الأيمن مما يجعل البيانات تأتى من الخارج مباشرة إلى الخط الأزرق والذى ينتهى كل خط بطرف ترانزستور MOSFET والذى نعلم أنه يكون كالقصر عندما يكون متاحا. الصف الأخضر فقط سيكون متاحا بسبب وضع العنوان وبالتالى إن كان الدخل على خط ما صفرا سيفرغ شحنة المكثف المناظر و إن كان واحد سيشحن ذلك المكثف و هكذا بالنسبة للباقى.
للقراءة من ذات الصف، فإن وضع العنوان سيتيحه، و من ثم وضع أمر القراءة بدلا من أمر الكتابة سيقلب هذه المفاتيح للوضع المبين بالرسم والذى يجعل هذه الترانزستورات متصلة بمكبرات التحسس Sense Amplifier والتى تضع القيمة بدورها لطاقم من المساكات Latch لتثبيتها و منها عبر ثلاثى الحالة Tri-State لخارج المتكاملة.
سبق أن ذكرنا أن الجزء الفاعل هو المكثف، هل هناك مكثف مثالى؟ قطعا لا ومن ثم هذه الشحنة ستتسرب فى خلال زمن ما يعتمد على قيمة المكثف. أعلم أنك ستعترض قائلا أن العازل الأفضل سيقلل التسريب ولكن هل لديك أفضل من أكسيد السليكون المستخدم؟ على أى حال إما نجعل المكثف كبيرا فتقل سعة الذاكرة (عدد الخلايا لكل مم2) أو نجعلها صغيرة فيقل الزمن، من هذا اختار العلماء زمن 0.1 ثانية . ولكن ما فائدة 0.1 ثانية؟ حسنا لحسن الحظ أن القراءة يمكن كتابتها مرة أخرى دون عائق مما يجدد القيم بها ومن هنا جاء الاسم “ديناميكية” أى يجب أن تداوم الكتابة فيها أى تجعلها فى حركة دائمة حتى لا تفقد ما بها من معلومات بالمقارنة بالسابقة المسماة الساكنة حيث تكتب مرة واحدة و تظل البيانات باقية مادامت التغذية الكهربية موجودة أو تغيرها عمدا.
كيف نقرأ ونحن نريد الكتابة؟ حسنا هذه مشكلة لن تحتاج أن تعول لها هما، فهذه الذاكرة تستخدم مع الميكرو بروسيسور وهو مجهز ذاتيا بدورة قراءة “عمياء” Dummy Read حوالى 15 مرة بالثانية و على المقابل تكون الذاكرة مجهزة بخط تحكم لها الغرض يفعله الميكرو بروسيسور أثناء هذه الدورة والتى يكون عادة فيها مشغول بتحليل البيانات التى قرأها، و تسمى هذه الدورة باسم دورة التجديد أو الإنعاش Refresh Cycle"". تستجيب الذاكرة لهذا الخط أو المر بأنها تتيح ما يوازى 1/10 من سعتها لهذه العملية التى تهدف فقط لتجديد البيانات ولا يذهب خرجها لأى مكان وهذا دور الجزء الأخير الذى لم نتكلم عنه حتى الآن. هذه الذاكرة هى الذاكرة الرئيسية فى الحاسب الآلى.
الشرح السبق مبسط ليسهل فهمه و هناك شروحا أخرى أكثر تعقيدا و لكن يكفينا كيف نستخدمها و ما يلزم لذلك.
[/size][/font][/b]
[B][FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”]
أنواع الذاكرة غير المتطايرة:
الذاكرة الغير متطايرة هى تلك التى لا تفقد ما بها حتى عند انقطاع التيار، وهذا النوع هام جدا للحفاظ على البيانات الثابتة التى لا تتغير لفترات طويلة و بيانات ضبط الأجهزة و البرامج الواجب تشغيلها ولا حاجة لتحديثها كل فترة.
حسنا، و ماذا لو لم أعلم مسبقا بهذه البيانات و يجب تحديدها فى الموقع؟ .
إذن فالذاكرة الغير متطايرة تنقسم لنوعين رئيسيين نوع ثابت و لذلك تسمى ذاكرة قراءة فقط و اختصارا ROM أى Read Only Memory و أخرى قابلة للبرمجة.
الذاكرة ROM:
يتكون هذا النوع من محلل للعنوان كما توقعت يعطى مجموعة من الخطوط تمثل الأماكن المطلوب التعامل معها وهى باللون الأزرق فى الرسم. و أيضا مجموعة من الخطوط الرأسية التى تكون المخارج والتى تمر عبر معزز و مجموعة تحكم ثلاثى الحالة Tri State أو المجمع المفتوح Open Collector/ Open Drain حسب كونها TTL أو CMOS . من المتوقع أن يكون الخرج على أى خط مساويا للصفر لعدم اتصال المدخل بمصدر تغذية لذا حيث تريد أن يخرج “واحد” يضع المصنع أثناء التصنيع ثنائى كما باللون الأخضر.
هل هذا يعنى أن هذه المتكاملات ليس لها صفحة بيانات؟
على العكس لها صفحة بيانات Data Sheet ولكن يشرح كل شيء ما عدا المحتوى فيحدد لك التقنية المستخدمة و السعة كذا كلمة × كذا خط و جهد التغذية و تيار الخرج الخ، لكن لا تجدها بالسوق و عليك أن تطلبها من الشركة المنتجة و ترسل لها جدول بالمحتوى و يمكنك أيضا أن تطلب الاسم الذى تريد كتابته عليها لأن المحتوى يخضع لقوانين حقوق الملكية ولا يبيع منها لأحد سواك، و طبعا لكى يقوم بصناعتها لآبد أن يصنع قناع Mask خاص بترتيب الثنائيات داخلها وهذا مكلف جدا لذا لا تكون أسعارها عملية سوى للكميات الكبيرة بدء من 100 ألف قطعة.
و ماذا لو لم أحتاج لهذا القدر من الوحدات؟ و ماذا لو حدث خطأ كما هو الحال فى مرحلة التصميم والبناء؟!! هل تذهب الكمية كلها سدى؟!!
[/size][/font][/b]