Sirkuit Digital / Digital Elektronik

Elektronik digital, atau digital (elektronik) sirkuit, mewakili sinyal oleh band-band diskrit analog tingkat , bukan oleh kisaran yang kontinyu. Semua tingkatan dalam sebuah band mewakili negara sinyal yang sama. Perubahan yang relatif kecil untuk tingkat sinyal analog karena toleransi manufaktur , redaman sinyal atau noise parasit tidak meninggalkan amplop diskrit, dan sebagai hasilnya diabaikan oleh sirkuit penginderaan sinyal negara.

Dalam kebanyakan kasus jumlah negara-negara ini adalah dua, dan mereka diwakili oleh dua band tegangan: satu di dekat nilai referensi (biasanya disebut sebagai "tanah" atau nol volt) dan nilai yang dekat tegangan suplai, sesuai dengan "false" ("0") dan "benar" ("1") nilai-nilai domain Boolean masing-masing.

Teknik digital berguna karena lebih mudah untuk mendapatkan perangkat elektronik untuk beralih ke salah satu dari sejumlah negara dikenal daripada untuk secara akurat mereproduksi berbagai berkesinambungan nilai.

Sirkuit elektronik digital biasanya terbuat dari majelis besar gerbang logika , representasi elektronik sederhana dari fungsi logika Boolean

Keuntungan

Keuntungan dari sirkuit digital bila dibandingkan dengan sirkuit analog adalah bahwa sinyal diwakili digital dapat ditransmisikan tanpa degradasi akibat kebisingan .  Sebagai contoh, sebuah sinyal audio terus menerus ditransmisikan sebagai urutan 1 dan 0, dapat direkonstruksi tanpa kesalahan, disediakan kebisingan dijemput di transmisi tidak cukup untuk mencegah identifikasi 1s dan 0s. Satu jam musik dapat disimpan pada compact disc menggunakan sekitar 6 miliar digit biner.

Dalam sistem digital, representasi yang lebih tepat dari sinyal dapat diperoleh dengan menggunakan lebih digit biner untuk mewakilinya. Sementara ini membutuhkan sirkuit yang lebih digital untuk memproses sinyal, setiap digit ditangani oleh jenis yang sama hardware. Dalam sistem analog, resolusi tambahan memerlukan perbaikan mendasar dalam linearitas dan kebisingan karakteristik dari setiap langkah dari rantai sinyal .

Sistem digital komputer yang dikendalikan dapat dikendalikan oleh perangkat lunak, yang memungkinkan fungsi-fungsi baru yang akan ditambahkan tanpa mengubah hardware. Seringkali hal ini dapat dilakukan di luar pabrik dengan memperbarui perangkat lunak produk. Jadi, kesalahan desain produk dapat diperbaiki setelah produk di tangan pelanggan.

Penyimpanan informasi dapat lebih mudah dalam sistem digital dibandingkan analog yang. Suara-kekebalan sistem digital memungkinkan data yang akan disimpan dan diambil tanpa degradasi. Dalam sistem analog, suara dari penuaan dan memakai menurunkan informasi yang tersimpan. Dalam sistem digital, asalkan total kebisingan di bawah tingkat tertentu, informasi tersebut dapat dipulihkan dengan sempurna.

Komponen

Sebuah rangkaian digital sering dibangun dari sirkuit elektronik kecil yang disebut gerbang logika yang dapat digunakan untuk membuat logika kombinasional . Setiap gerbang logika merupakan fungsi logika boolean . Sebuah gerbang logika adalah pengaturan switch dikendalikan secara elektrik, yang lebih dikenal sebagai transistor .

Setiap simbol logika diwakili oleh bentuk yang berbeda. Set sebenarnya bentuk diperkenalkan pada tahun 1984 di bawah IEEE \ ANSI standar 91-1984. "Simbol logika yang diberikan di bawah standar ini sedang semakin digunakan sekarang dan bahkan mulai muncul dalam literatur yang diterbitkan oleh produsen sirkuit terpadu digital."

Output dari gerbang logika adalah listrik arus atau tegangan, yang dapat, pada gilirannya, mengontrol lebih gerbang logika.

Gerbang logika sering menggunakan jumlah paling sedikit transistor untuk mengurangi ukuran mereka, konsumsi daya dan biaya, dan meningkatkan kehandalan mereka.

Sirkuit terpadu adalah cara yang paling murah untuk membuat gerbang logika dalam volume besar. Sirkuit terpadu biasanya dirancang oleh para insinyur menggunakan otomatisasi elektronik desain perangkat lunak 

Bentuk lain dari rangkaian digital dibangun dari tabel lookup, (banyak dijual sebagai " programmable logic perangkat ", meskipun jenis lain dari PLDs ada). Tabel Lookup dapat melakukan fungsi yang sama seperti mesin berdasarkan gerbang logika, tetapi dapat dengan mudah memprogram tanpa mengubah kabel. Ini berarti bahwa desainer sering dapat memperbaiki kesalahan desain tanpa mengubah susunan kabel. Oleh karena itu, dalam produk volume kecil, perangkat programmable logic seringkali solusi disukai. Mereka biasanya dirancang oleh para insinyur menggunakan software desain otomatisasi elektronik.

Ketika volume yang menengah sampai besar, dan logika bisa lambat, atau melibatkan algoritma kompleks atau urutan, sering kecil mikrokontroler yang diprogram untuk membuat sistem embedded . Ini biasanya diprogram oleh insinyur perangkat lunak .

Bila hanya satu sirkuit digital diperlukan, dan desain yang benar-benar disesuaikan, seperti untuk controller lini produksi pabrik, solusi konvensional adalah programmable logic controller atau PLC. Ini biasanya diprogram oleh listrik, menggunakan logika tangga .

Struktur sistem digital

Insinyur menggunakan berbagai metode untuk meminimalkan fungsi logika, untuk mengurangi kompleksitas sirkuit. Ketika kompleksitas kurang, sirkuit ini juga memiliki kesalahan lebih sedikit dan kurang elektronik, dan karena itu lebih murah.

Penyederhanaan yang paling banyak digunakan adalah algoritma minimisasi seperti Espresso heuristic logika minimizer dalam CAD sistem, meskipun secara historis, diagram biner keputusan , sebuah otomatis algoritma Quine-McCluskey , tabel kebenaran , peta Karnaugh , dan aljabar Boolean telah digunakan.

Representasi sangat penting untuk desain seorang insinyur sirkuit digital. Beberapa metode analisis hanya bekerja dengan representasi tertentu.

Cara klasik untuk mewakili sirkuit digital dengan seperangkat setara dengan gerbang logika . Cara lain, seringkali dengan sedikit elektronik, adalah untuk membangun sebuah sistem yang setara sakelar elektronik (biasanya transistor ). Salah satu cara termudah adalah dengan hanya memiliki memori yang berisi tabel kebenaran. Input dimasukkan ke alamat memori, dan output data memori menjadi output.

Untuk analisis otomatis, representasi ini memiliki format file digital yang dapat diproses oleh program komputer. Kebanyakan insinyur digital sangat berhati-hati untuk memilih program komputer ("tools") dengan format file yang kompatibel.

Untuk memilih representasi, insinyur mempertimbangkan jenis sistem digital. Kebanyakan sistem digital dibagi menjadi "sistem kombinasional" dan "sistem sekuensial." Sebuah sistem kombinasional selalu menyajikan output yang sama ketika diberi input yang sama. Hal ini pada dasarnya merupakan representasi dari satu set fungsi logika, sebagaimana telah dibahas.

Sebuah sistem sekuensial adalah sistem kombinasional dengan beberapa output makan kembali sebagai masukan. Hal ini membuat mesin digital melakukan "urutan" operasi. Sistem sekuensial yang paling sederhana adalah mungkin flip flop , mekanisme yang mewakili biner digit atau " bit ".

Sistem sekuensial sering dirancang sebagai mesin negara . Dengan cara ini, insinyur dapat merancang perilaku kotor sistem, dan bahkan mengujinya dalam simulasi, tanpa mempertimbangkan semua rincian fungsi logika.

Sistem Sequential membagi menjadi dua subkategori lebih lanjut. "Synchronous" sistem sekuensial mengubah keadaan sekaligus, ketika sebuah "jam" sinyal perubahan negara. "Asynchronous" sistem sekuensial menyebarkan perubahan setiap kali input berubah. Sistem sekuensial sinkron terbuat dari baik ditandai sirkuit asynchronous seperti sandal jepit, bahwa perubahan hanya ketika perubahan jam, dan yang telah hati-hati dirancang margin timing.

Cara biasa untuk menerapkan mesin negara sekuensial sinkron adalah untuk membaginya menjadi bagian dari logika kombinasional dan satu set sandal jepit disebut "register negara." Setiap kali sinyal clock kutu, daftar negara menangkap umpan balik yang dihasilkan dari keadaan sebelumnya logika kombinasional, dan feed kembali sebagai input berubah ke bagian kombinasional dari mesin negara. Tingkat tercepat dari jam ditentukan oleh memakan waktu paling logika perhitungan dalam logika kombinasional.

Register negara hanyalah representasi dari bilangan biner. Jika negara-negara dalam mesin negara diberi nomor (mudah untuk mengatur), fungsi logika adalah beberapa logika kombinasional yang menghasilkan jumlah negara berikutnya.

Sebagai perbandingan, sistem asynchronous sangat sulit untuk merancang karena semua negara yang mungkin, di semua timing yang mungkin harus dipertimbangkan. Metode yang biasa digunakan adalah untuk membangun sebuah tabel waktu minimum dan maksimum yang masing-masing negara tersebut bisa ada, dan kemudian menyesuaikan sirkuit untuk meminimalkan jumlah negara tersebut, dan memaksa sirkuit menunggu berkala untuk semua bagian untuk memasukkan kompatibel negara (ini disebut "self-resynchronization"). Tanpa desain yang cermat seperti itu, mudah untuk sengaja menghasilkan logika asynchronous yang "tidak stabil", yaitu, elektronik nyata akan memiliki hasil yang tak terduga karena penundaan kumulatif yang disebabkan oleh variasi kecil dalam nilai-nilai dari komponen elektronik. Sirkuit tertentu (seperti sinkronisasi sandal jepit, switch debouncers , arbiter , dan sejenisnya yang memungkinkan sinyal sinkron eksternal untuk masuk sinkron sirkuit logika) secara inheren asynchronous dalam desain mereka dan harus dianalisis seperti itu.

Pada tahun 2005, hampir semua mesin digital adalah desain sinkron karena jauh lebih mudah untuk menciptakan dan memverifikasi sinkron desain-perangkat lunak yang saat ini digunakan untuk mensimulasikan mesin digital belum menangani desain asynchronous. Namun, logika asynchronous dianggap unggul, jika dapat dibuat untuk bekerja, karena kecepatannya tidak dibatasi oleh jam sewenang-wenang, melainkan berjalan pada kecepatan maksimum gerbang logikanya. Membangun sirkuit asynchronous menggunakan bagian yang lebih cepat membuat sirkuit lebih cepat.

Banyak sistem digital adalah mesin aliran data. Ini biasanya dirancang dengan menggunakan sinkron logika transfer register , menggunakan bahasa deskripsi hardware seperti VHDL atau Verilog .

Dalam mentransfer logika register, biner nomor disimpan dalam kelompok sandal jepit yang disebut register . Output dari masing-masing register adalah bundel kabel yang disebut " bus "yang membawa jumlah itu perhitungan lain. Perhitungan hanyalah sepotong logika kombinasional. Setiap perhitungan juga memiliki bus output, dan ini dapat dihubungkan ke input dari beberapa register. Terkadang register akan memiliki multiplexer pada input, sehingga dapat menyimpan nomor dari salah satu dari beberapa bus. Atau, output dari beberapa item dapat dihubungkan ke bus melalui buffer yang dapat mematikan output dari semua perangkat kecuali satu. Sebuah mesin negara sekuensial kontrol ketika masing-masing register menerima data baru dari input.

Pada 1980-an, beberapa peneliti menemukan bahwa hampir semua mesin sinkron daftar transfer dapat dikonversi menjadi desain asynchronous dengan menggunakan logika sinkronisasi pertama-in-first-out. Dalam skema ini, mesin digital ditandai sebagai seperangkat arus data. Dalam setiap langkah aliran, asynchronous "sirkuit sinkronisasi" menentukan kapan output dari langkah yang valid, dan menyajikan sinyal yang mengatakan, "ambil data" untuk tahapan yang menggunakan input yang panggung. Ternyata hanya beberapa sirkuit sinkronisasi relatif sederhana diperlukan.

Yang paling umum register tujuan transfer mesin logika adalah komputer . Ini pada dasarnya adalah otomatis biner sempoa . The Unit kontrol dari komputer biasanya dirancang sebagai microprogram dijalankan oleh microsequencer . Sebuah microprogram jauh seperti pemain-piano roll. Setiap entri tabel atau "kata" dari microprogram perintah keadaan setiap bit yang mengontrol komputer. Sequencer kemudian menghitung, dan menghitung alamat memori atau combinational mesin logika yang berisi microprogram. Bit dari microprogram mengontrol Unit aritmatika logika , memori dan bagian lain dari komputer, termasuk microsequencer sendiri.

Dengan cara ini, tugas kompleks merancang kontrol dari komputer direduksi menjadi tugas sederhana pemrograman koleksi lebih sederhana mesin logika.

Arsitektur komputer adalah kegiatan rekayasa khusus yang mencoba untuk mengatur register, logika perhitungan, bus dan bagian lain dari komputer dengan cara yang terbaik untuk beberapa tujuan. Arsitek komputer telah menerapkan sejumlah besar kecerdikan untuk desain komputer untuk mengurangi biaya dan meningkatkan kecepatan dan kekebalan terhadap kesalahan pemrograman komputer. Sebuah gol semakin umum adalah untuk mengurangi daya yang digunakan dalam sistem komputer bertenaga baterai, seperti telepon seluler. Banyak arsitek komputer melayani magang diperpanjang sebagai microprogrammers.

"Komputer khusus" biasanya komputer konvensional dengan microprogram tujuan khusus.

Perkembangan terakhir

Pada tahun 2009, peneliti menemukan bahwa memristors dapat menerapkan penyimpanan negara boolean (mirip dengan flip flop , implikasi logis dan inversi , memberikan keluarga logika lengkap dengan jumlah yang sangat kecil ruang dan kekuasaan, menggunakan proses CMOS akrab semikonduktor. 

Penemuan superkonduktivitas telah memungkinkan pengembangan yang cepat kuantum fluks tunggal (RSFQ) teknologi sirkuit, yang menggunakan sambungan Josephson bukan transistor. Baru-baru ini, upaya yang dilakukan untuk membangun murni komputasi optik sistem mampu memproses informasi digital menggunakan nonlinear elemen optik.