ما هو التصميم الرقمي، التصميم الرقمي Digital Design هو علم يختص بالدوائر الالكترونية وتستخدم هذه الدوائر في تصميم النظم في كثير من الأجهزة مثل الحاسب الرقمي Digital Computers والالآت الحاسبة الالكترونية Electronic Calculators وأيضا تستخدم في معدات الاتصال الرقمية وغيرهم من التطبيقات الكثيرة.
المكونات المستخدمة في الدوائر الالكترونية
كما ذكرنا فان اغلب الاجهزة تتعامل مع الاشارات الرقمية. يتم استخدام كثير من المكونات الكهربية والالكترونية في الدوائر الالكترونية مثل المقاومات Resistors والمكثفات Capacitors وغيرهم من المكونات الاخري.
1- المقاومات الكهربية Resistors
تتواجد المقاومات الكهربية فى أشكال متعددة منها المقاومات الثابتة القيمة والمتغيرة القيمة. توجد المقاومات الثابتة فى أحجام كثيرة على حسب القدرة الكهربية لكل مقاومة. يقصد بالقدرة الكهربية انها حاصل ضرب التيار المار فى المقاومة فى فرق الجهد الموجود على المقاومة. تقاس المقاومة الكهربية بوحدة الأوم.
المقاومة هي خاصية فيزيائية تعمل علي اعاقة مرور الشحنات الكهربائية من خلالها. وتحدث المقاومة عندما تصطدم الإلكترونات المتحركة في المادة بالذرات. ينتج نتيجة لذلك طاقة علي شكل حرارة ( نتيجة لتغير الطاقة الكهربائية الي طاقة حرارية ).
قانون المقاومة الكهربائية
المقاومة = فرق الجهد / التيار الكهربي
R = U / I
Ohm = Volt / Ampere
الأوم = الفولت / الأمبير
2- المكثفات Capacitors
توجد المكثفات الكهربية فى الكثير من الأشكال ومنها الثابت القيمة والمتغير ويتم تصنيفها بطرق عديدة، فهى إما أن تصنف على حسب فرق الجهد الذى يمكن أن تتحمله، أو على حسب طريقة التصنيع.
المكثف من العناصر الالكترونية التي يتم استخدامها في الدوائر الكهربائية والالكترونية. ووظيفة المكثف هي التحكم في تدفق الشحنات الكهربائية في الدائرة الالكترونية.
سبب تسمية المكثف بهذا الاسم انه يقوم بتكثيف والاحتفاظ بالشحنات داخله مثل البطارية اللحظية.
مكونات المكثف
- سطحين موصلين
- عازل
العوامل الأساسية التي تؤثر على سعة المكثف :
-
حجم المساحة السطحية لألواح المكثف
-
المسافة بين اللوحين
-
الوسط العازل
3- الدوائر التكاملية Integrated Circuits, ICs
الشرائح الالكترونية تستخدم في أغلب الدوائر الالكترونية وذلك لانها تمتاز بانها صغيرة الحجم ورخيصة الثمن ويمكن الاعتماد عليها فى الكثير من الظروف وأيضا من مميزات معظم هذه الشرائح انها تستهلك القليل من القدرة الكهربية.
أنواع الشرائح الالكترونية:-
- الشرائح ذات الأطراف النافذة أو الخارمة.
- الشرائح السطحية أو غير النافذة.
- الشرائح ذات الأرجل السلكية Plastic Leaded Chip Carrier PLCC.
الإشارات التناظرية والإشارات الرقمية
توجد الإشارات الكهربية فى واحدة من صورتين، إما الصورة التناظرية كما يطلق عليها أحيانا( أو الصورة الرقمية). الإشارة التناظرية هى الإشارة التى تتغير قيمتها بصورة انسيابية من قيمة إلى قيمة مارة بجميع القيم الممكنة بين القيمتين لذلك تسمي الاشارات التناظرية بالاشارات الانسيابية. كمثال على ذلك درجة حرارة الجو التى تتغير قمتها بين قيمة صغرى 20 درجة مثلا وقيمة كبرى 35 درجة مثلا. عندما تتغير درجة الحرارة من 20 إلى 35 درجة فإنها تمر بجميع القيم الممكنة بين هاتين القيمتين.
عند أخذ درجة الحرارة عند فترات زمنية متساوية ومحددة، كل نصف ساعة مثلا. كما أننا سنقرأ درجة الحرارة عند كل زمن فى صورة رقم صحيح وخانة عشرية واحدة فقط.
التصميم الرقمي يتعامل مع الإشارات الرقمية وهي اشارات متقطعة مع الزمن Discrete ذات قيم محدده ولا يمكن تجاوز هذه القيم فمثلاً في النظام الثنائي تمثل فقط من خلال الرمزين 0 و 1 عند اي لحظة زمنية.
الفرق الاساسى بين الاشارات التناظرية والاشارات الرقمية هو مدى تأثر كل منهما للتشويش Noise فالتشويش يؤثر اكثر علي الاشارات التناظرية ويصعب فصله عن الاشارة مما يؤدي الي تشوه الاشارة عكس الاشارات الرقمية فانها تمتاز بقوتها وجودتها العالية حيث ان نسبة التشويش فيها صغيرة ومن أمثلتها: التلفزيون الرقمي, اتصالات الأقمار الصناعية, معلومات الكمبيوتر.
الأجهزة المستخدمة لاختبار الدوائر الرقمية
- مبين الذبذبات ( الأوسولوسكوب ) Oscilloscope
- المحلل المنطقي Logic analyzer
- المبين المنطقي Logic Prob
- حاقن النبضات pulse injector
- جهاز القياس متعدد الأغراض Multimeter
- مولد ذبذبات Function generator
- مصدر قدرة Power supply
أنظمة العد
1- النظام العشري Decimal system
فى النظام العشرى نستخدم عشرة أرقام من صفر حتى تسعة للتعبير عن
الكميات من صفر حتى تسعة. عندما نعبر عن كميات أكبر من التسعة نستخدم عددا مركبا من نفس
الأرقام من صفر حتى تسعة ولكن فى هذه الحالة فإن موضع الرقم داخل العدد يكون له وزنا معينا.
مثال
51=5 x10+1×1
2- نظام العد الثنائي Binary system
فى النظام الثنائى يوجد رقمان فقط وهما الصفر 0 والواحد 1. معنى ذلك
أن أى كمية أكبر من الواحد سنعبر عنها بعدد مركب من الأصفار
والوحايد ولكن موضع كل صفر أو واحد سيكون له قيمة معينة هنا.
يوجد امكانية التحويل من النظام الثنائي الي النظام العشري والعكس.
3- نظام العد الثماني Octal system
يتكون النظام من ثماني أرقام هي 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
أى رقم أكبر من 7 يكتب فى أكثر من خانة كما يلى:
6, 7, 10, 11, 12, … , 15, 16, 17, 20, 21, … , 25, 26, 27, 30, 31 , …
يوجد أيضا امكانية التحويل من النظام الثماني الي النظام العشري والعكس من النظام العشري الي النظام الثماني. وأيضا التحويل من النظام الثماني الي النظام الثنائي والعكس التحويل من النظام الثنائي الي النظام الثماني.
4- نظام العد الستعشري Hexadecimal system
فى النظام الستعشرى يوجد 16 رقما وهى كالتالى:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F
فى هذا النظام نجد أن أشكال الأرقام حتى 9 نفدت، لذلك تم
استخدام باقى الأشكال الستة عشرة فى صورة حروف وهى
يبدأ استخدام F بعد الرقم .F و E و D و C و B و A الحروف
خانات إضافية لتمثيل الأعداد حيث كل خانة يكون لها وزن وهذا
الوزن هو قوى العدد 16.
5- الأرقام العشرية المكودة ثنائيا Binary coded Decimal (BCD)Numbers
الأرقام العشرية المكودة ثنائياً هى طريقة لتمثيل الأرقام العشرية من صفر حتى تسعة فى صورة أكواد ثنائية. لكى يتم ذلك فإننا سنحتاج لأربعة بتات حتى يمكن تمثيل هذه الأرقام.
يمكن التحويل من النظام العشري الي النظام العشري المكود والعكس.
البوابات المنطقية logic Gates and Its Chips
البوابات المنطقية تعتبر أحجار البناء لأى نظام رقمى.
أنواع البوابات المنطقية الأساسية
- بوابة النفي NOT gate
- بوابة الآند AND gate
- بوابة الأور OR gate
- بوابة الناند NAND gate
- بوابةالنور NOR gate
- بوابة الإكس أور XOR gate
1- بوابة النفي NOT gate
بوابة النفى أو العاكس تقوم بعكس الدخل ووضعه على الخرج. لذلك فإنه إذا كان الدخل يساوى واحد فإن الخرج يكون صفرا، وإذا كان الدخل يساوى صفر فالخرج يكون واحد.
2- بوابة الآند AND gate
بوابة الآند واحدة من البوابات الأساسية التى تستخدم فى بناء الكثير من الدوال والأنظمة الرقمية. بوابة الآند يكون لها دخلان أو أكثر وهى تقوم بعملية الضرب المنطقى على هذه المداخل ووضعها على الخرج الوحيد. لذلك فإن خرج هذه البوابة يكون واحد فى حالة واحدة فقط وهى عندما تكون كل المداخل تساوى وحايد، ويكون الخرج صفر فى كل الحالات الأخرى التى يكون فيها أى واحد من المداخل أو كل المداخل تساوى أصفارا.
3- بوابة أور OR gate
بوابة الأور أيضا واحدة من البوابات الأساسية التى تستخدم فى بناء الكثير من الدوال والأنظمة الرقمية. بوابة الأور يكون لها دخلان أو أكثر وهى تقوم بعملية الجمع المنطقى على هذه المداخل ووضعها على الخرج الوحيد. لذلك فإن خرج هذه البوابة يكون صفرا فى حالة واحدة فقط وهى عندما تكون كل المداخل تساوى أصفار، ويكون الخرج واحد فى كل الحالات الأخرى التى يكون فيها أى واحد من المداخل أو كل المداخل تساوى وحايد.
4- البوابة ناند NAND gate
يمكن بناء النظامبالكامل باستخدام هذه البوابة. يمكن الحصول علي كل من بوابات الآند والأور والعاكس باستخدام بوابة الناند. بوابة الناند يكون لها دخلان أو أكثر وهى تقوم بعملية الضرب المنطقى على هذه المداخل ثم عكسها ووضعها على الخرج الوحيد، اي انها بوابة آند متبوعة بعاكس.خرج هذه البوابة يكون صفر فى حالة واحدة فقط وهى عندما تكون كل المداخل تساوى وحايد، ويكون الخرج واحد فى كل الحالات الأخرى التى يكون فيها أى واحد من المداخل أو كل المداخل تساوى أصفار.
5- البوابة نور NOR gate
بوابة النور واحدة من البوابات التى تستخدم بكثرة فى بناء
الكثير من الدوال والأنظمة الرقمية. يمكن بناء النظام بالكامل باستخدام هذه البوابة، ويمكن الحصول علي كل من بوابات الآند والأور والعاكس باستخدام بوابة النور.بوابة النور يكون لها دخلان أو أكثر وهى تقوم بعملية الجمع المنطقى على هذه المداخل ثم عكسها ووضعها على الخرج الوحيد. إن ذلك يعنى أنها عبارة عن بوابة أور متبوعة بعاكس. لذلك فإن خرج هذه البوابة يكون واحد فى حالة واحدة فقط وهى عندما تكون كل المداخل تساوى أصفار، ويكون الخرج صفر فى كل الحالات الأخرى التى يكون فيها أى واحد من المداخل أو كل المداخل تساوى وحايد.
7- بواية إكس أور XOR gate
البوابة إكس أور عبارة عن تركيبة من البوابات الأساسية السابقة. هذه البوابة ليس لها إلا دخلان فقط ويكون خرجها واحد إذا كان الدخلان مختلفان، ويكون خرجها صفر إذا كان الدخلان متساويان.
8- البوابة إكس نور XNOR gate
هذه البوابة تعمل بطريقة عكسية للبوابة إكس أور. أى أن الخرج يكون واحد إذا كان الدخلان متساويان ويكون الخرج صفر إذا كان الدخلان مختلفان.
