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构建数字电路的综合指南

  • 发表时间:2021-09-14 08:11:03
  • 来源:本站
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数字电路或数字电子设备是使用数字信号的电子设备。它们与模拟电路的不同之处在于,模拟电路对模拟信号进行操作,模拟信号的操作通常更容易受到信号衰减、制造公差和噪声的影响,设计人员通常在集成电路上使用大型逻辑门组件来制作数字电路。

在这个友好的指南中,我们让您了解有关数字电路的一切 请继续阅读以了解更多信息。

数字电路简史

1705 年,戈特弗里德·威廉·莱布尼茨 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 改进了二进制数系统。莱布尼茨确定通过使用二进制系统,可以将算术和逻辑原理结合起来。在 19 世纪中叶,乔治·布尔构思了我们今天所知的数字哲学。后来,在 1886 年,查尔斯·桑德斯·皮尔斯 (Charles Sanders Peirce) 解释了科学家如何通过切换电气开关电路来执行逻辑运算。然后,设计人员开始使用真空管,而不是用于逻辑运算的继电器。

随着二战后数字计算机的发展,数字计算取代了模拟计算。很快,纯电子电路元件取代了它们的机械和机电元件。 

1959 年,Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 发明了 MOSFET 晶体管,极大地改变了电子行业。从 20 世纪后期开始,MOSFET 晶体管在数字电路的构建中发挥了不可或缺的作用。目前,它是全球最受欢迎的半导体器件。 

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最初,每个集成电路芯片只有几个晶体管。随着技术的进步,在单个芯片中放置数百万个 MOSFET 晶体管成为可能。今天,设计人员可以在单个芯片中放置数十亿个 MOSFET 晶体管。这证明了数字电路自早期以来已经取得了多大的进步。

2. 数字电路的特性

正如我们前面提到的,数字电路具有高度可访问性的最大原因之一是很容易以数字方式表示它们而不会降低噪声。例如,只要在传输过程中拾取的声音不足以阻止识别路线,就可以按照 1 s 和 0 s 的顺序重建连续的音频信号而不会出现任何错误。

为了在数字系统中获得更精确的表示,您可以使用更多的二进制数字来表示信号。当然,这需要更多的数字电路,但由于相同类型的硬件处理每个数字,系统很容易扩展。模拟系统则不同,它需要从根本上改进噪声特性和线性度以产生新的分辨率。 

在您使用计算机控制的数字系统的地方,可以使用软件修订来添加更多功能。换句话说,您不需要任何硬件更改。此外,您只需更新软件即可在工厂外对数字系统进行任何改进。

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数字电路的另一个特性是它们允许更容易地存储信息。这是因为数字系统不受干扰,可以在不降低性能的情况下存储和检索数据。

许多最新的数字系统通常将连续模拟系统转换为数字信号。这可能会导致量化错误。为了将这些误差保持在最低限度,请确保数字系统可以存储足够的数字数据来以理想的保真度表示信号。 

3. 数字电路的构建

工程师使用各种方法来构建逻辑门。我们将在下面调查其中的一些。

3.1 使用逻辑门构建

数字电路制造商通常使用称为逻辑门的小型电子电路来创建数字课程。使用这些逻辑门,可以创建组合逻辑。每个逻辑门作用于逻辑信号以执行布尔逻辑的功能。通常,设计人员使用电子控制开关来创建逻辑门。通常,这些开关是晶体管。热离子阀也可以帮助完成同样的工作。一个逻辑门的输出可以馈入其他逻辑门或控制它们。

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3.2 使用查找表构建

第二种数字电路的特点是从查找表构造。通常,查找表执行与基于逻辑门的数字电路类似的功能。基于查找表的数字通道的一个显着优势是设计人员可以轻松地对其重新编程,而无需对接线进行任何更改。换句话说,无需更改电线的排列即可轻松修复设计错误。在处理小体积产品时,设计人员因此更喜欢可编程逻辑器件而不是其他类型的数字电路。在设计这些可编程逻辑器件时,工程师通常使用设计自动化软件。

3.3 集成电路 

在构建集成电路时,工程师在一个硅芯片上使用多个晶体管。这是创建大量互连逻辑门的最实惠的方式。通常,设计人员在印刷电路板 (PCB) 上互连集成电路,PCB 是一块容纳各种电子元件并用铜迹线将它们连接起来的板。 

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4. 数字电路设计

在设计数字电路时,工程师使用各种方法来减少逻辑冗余,从而将电路复杂度降至最低。但是为什么必须保持低电路复杂度呢?好吧,最小的复杂性减少了组件数量并避免了潜在的错误,从而降低了成本。一些减少逻辑冗余的最常用技术包括布尔代数、二元决策图、Quine-McCluskey 算法、卡诺图和启发式计算机方法。软件工程师通常使用启发式计算机方法来执行这些操作。 

4.1 代表

当涉及到数字电路的设计时,表示是必不可少的部分 经典工程师表示数字电路使用一组等效的逻辑门,其中设计人员使用不同的形状来表示每个逻辑符号。工程师还可以构建一个等效的电子开关系统来表示数字电路。表示通常具有用于自动分析的数字文件格式。

4.1.1 组合与顺序

在选择图像时,设计人员通常会考虑各种类型的数字系统。两组常见的数字系统是组合系统和顺序系统。组合系统对于相同的输入呈现相同的输出。另一方面,顺序系统是将某些输出作为输入进行反馈的组合系统。

时序系统还有另外两个子类别:同时改变状态的同步时序系统和每次输入改变时都改变的异步时序系统。

4.1.2 计算机设计

计算机是最普通的通用寄存器传输逻辑设备。本机为自动二元算盘。微定序器运行网络的控制单元,它本身就是一个微程序。尽管市场上也有异步计算机,但绝大多数计算机都是同步的。 

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4.2 数字电路中的设计问题

当工程师在数字电子电路中使用模拟组件时,这些组件的模拟特性会干扰所需的数字行为。因此,数字通道的设计需要管理诸如时序余量、噪声、电容和寄生电感等主题。  

4.3 数字电路设计工具

多年来,工程师们设计了相当大的逻辑机器,旨在最大限度地减少昂贵的工程工作。目前,存在用于此目的的称为电子设计自动化工具 (EDA) 的计算机程序。例如,有一个可制造性软件可为数字电路设计人员提供出色的帮助。 

4.4 测试逻辑电路

工程师测试逻辑电路的主要原因是为了验证设计是否符合时序和功能规范。检查数字通道的每个副本以确定制造过程没有引入缺陷至关重要。

5. 数字电路设计注意事项

数字电路设计的进展缓慢但稳定。我们通过查看下面的各种逻辑系列来追溯这段旅程。

5.1 继电器

数字频道的第一个设计以继电器逻辑为特色。这种设计既可靠又便宜。然而,它很慢,偶尔会出现机械故障。通常有十个扇出在触点上形成弧形。 

5.2 真空

真空逻辑紧随继电器逻辑。真空吸尘器的主要好处是它们很快。但是,真空会产生大量热量,灯丝会经常烧坏。1950 年代计算机管的发展是对空隙的重大改进,因为这些计算机管可以运行数十万小时。

5.3 电阻-晶体管逻辑

这是第一个半导体逻辑系列。电阻晶体管逻辑比电子管可靠数千倍。它使用更少的功率并且运行温度更低。然而,它的扇出非常低:总共 3 个。后来二极管晶体管逻辑将扇出提高到 7 并进一步降低了功率。 

5.4 晶体管-晶体管逻辑

与以前的逻辑相比,晶体管-晶体管逻辑的扇出为 10,这是一个显着的改进。后来,扇出改进为 20。这种逻辑也非常快。该逻辑今天仍在特定数字电路设计中使用。

5.5 发射极耦合逻辑 

发射极耦合模型非常快。然而,这个逻辑使用了很多权力。具有中等规模组件的高性能计算机广泛使用此逻辑。

5.6 CMOS 逻辑

CMOS 逻辑是目前集成电路中最流行的逻辑。逻辑速度快,每个逻辑门提供高电路密度和低功耗。即使是大型快速计算机也使用这种逻辑。

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数字电路领域的最新发展

数字电路领域的研究人员最近取得了重大进展。下面是一些例子: 

6.1 忆阻器的使用

例如,2009 年,研究人员发现忆阻器可以帮助实现布尔状态存储。这提供了一个完整的逻辑系列,其特点是使用简单的 CMOS 工艺而具有少量的功率和空间。 

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6.2 RSFQ 的发现

研究人员还发现了超导性。这一发现使工程师能够开发利用约瑟夫森结而不是晶体管的快速单通量量子 (RSFQ) 电路技术。工程师最近一直在尝试构建可以使用非线性视觉元素处理数字信息的纯光学计算系统。

概括

数字电路是当今数字电子和计算机处理的核心。由于它们对噪声和质量下降的低敏感性,这些电路比模拟电路更可取。随着工程师和研究人员致力于数字通道领域的进步,这些设备的设计和性能只会变得更好。 

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