C tvjnt ybrf. Цифровая схемотехника: основы проектирования электронных схем

alexxlabРазное
Что такое цифровая схемотехника. Какие основные элементы используются в цифровых схемах. Как проектируются цифровые устройства. Какие преимущества имеют цифровые схемы перед аналоговыми.

Содержание

Что такое цифровая схемотехника

Цифровая схемотехника — это область электроники, занимающаяся разработкой электронных устройств и систем, работающих с дискретными цифровыми сигналами. В отличие от аналоговой электроники, где сигналы могут принимать бесконечное множество значений, в цифровых схемах используются только два состояния сигнала — логический 0 и логическая 1.

Основными преимуществами цифровых схем являются:

  • Высокая помехоустойчивость
  • Простота обработки и хранения информации
  • Высокая надежность
  • Возможность создания сложных алгоритмов обработки данных
  • Легкость интеграции с компьютерными системами

Основные элементы цифровых схем

Базовыми элементами цифровых схем являются логические вентили, выполняющие простейшие логические операции:


  • Вентиль И (AND)
  • Вентиль ИЛИ (OR)
  • Вентиль НЕ (NOT)
  • Вентиль И-НЕ (NAND)
  • Вентиль ИЛИ-НЕ (NOR)

На основе этих базовых элементов строятся более сложные функциональные узлы:

  • Триггеры
  • Регистры
  • Счетчики
  • Сумматоры
  • Мультиплексоры/демультиплексоры
  • Шифраторы/дешифраторы

Этапы проектирования цифровых устройств

Процесс разработки цифрового устройства обычно включает следующие этапы:

  1. Разработка технического задания
  2. Разработка функциональной схемы устройства
  3. Выбор элементной базы
  4. Разработка принципиальной электрической схемы
  5. Моделирование и отладка схемы
  6. Разработка печатной платы
  7. Изготовление прототипа
  8. Тестирование и доработка

Инструменты проектирования цифровых схем

Для разработки цифровых устройств используются различные программные средства:

  • САПР электронных схем (OrCAD, Altium Designer, KiCAD)
  • Программы моделирования (LTspice, Proteus)
  • Среды разработки ПЛИС (Quartus, ISE, Vivado)
  • Языки описания аппаратуры (VHDL, Verilog)

Применение цифровых схем

Цифровые схемы находят широкое применение в различных областях:


  • Компьютерная техника
  • Телекоммуникационное оборудование
  • Бытовая электроника
  • Автомобильная электроника
  • Промышленная автоматика
  • Измерительное оборудование
  • Военная и космическая техника

Преимущества цифровых схем перед аналоговыми

Цифровые схемы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с аналоговыми:

  • Высокая помехоустойчивость за счет дискретного представления сигналов
  • Простота обработки и хранения информации в цифровом виде
  • Возможность создания сложных алгоритмов обработки данных
  • Высокая точность и стабильность параметров
  • Легкость тиражирования и масштабирования устройств
  • Простота интеграции с компьютерными системами

Базовые логические элементы

Рассмотрим подробнее основные логические элементы, используемые в цифровых схемах:

Элемент И (AND)

Выполняет операцию логического умножения. Выходной сигнал равен 1 только если все входные сигналы равны 1.

Элемент ИЛИ (OR)

Выполняет операцию логического сложения. Выходной сигнал равен 1, если хотя бы один из входных сигналов равен 1.


Элемент НЕ (NOT)

Выполняет операцию логического отрицания. Инвертирует входной сигнал.

Элемент И-НЕ (NAND)

Комбинация элементов И и НЕ. Является универсальным логическим элементом.

Элемент ИЛИ-НЕ (NOR)

Комбинация элементов ИЛИ и НЕ. Также является универсальным логическим элементом.

Проектирование комбинационных схем

Комбинационные схемы — это схемы, выходные сигналы которых в каждый момент времени однозначно определяются комбинацией входных сигналов. Процесс проектирования комбинационной схемы включает следующие этапы:

  1. Составление таблицы истинности
  2. Запись логической функции
  3. Минимизация логической функции
  4. Выбор элементной базы
  5. Построение логической схемы

Проектирование последовательностных схем

Последовательностные схемы — это схемы, выходные сигналы которых зависят не только от текущих входных сигналов, но и от предыдущих состояний схемы. Основными элементами последовательностных схем являются триггеры. Процесс проектирования включает:

  1. Определение входов, выходов и внутренних состояний
  2. Составление таблицы переходов и выходов
  3. Выбор типа триггеров
  4. Минимизация функций возбуждения триггеров
  5. Построение логической схемы

Современные тенденции в цифровой схемотехнике

Основными тенденциями развития цифровой схемотехники являются:


  • Уменьшение размеров элементов (нанометровые технологии)
  • Повышение степени интеграции (системы на кристалле)
  • Снижение энергопотребления
  • Повышение быстродействия
  • Развитие программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)
  • Применение искусственного интеллекта в проектировании

Цифровая схемотехника продолжает активно развиваться, открывая новые возможности для создания сложных электронных устройств и систем.


Открытое образование — Цифровая схемотехника

Цифровая схемотехника — это курс, посвященный изучению методов и средств построения устройств для автоматической обработки информации представленной в цифровой форме.

В курсе рассматриваются основные принципы и приемы проектирования инвариантные к технологической реализации.

Темы 1. Введение. Краткая история развития цифровой схемотехнической базы различных поколений. Классификация элементной базы. Электрические характеристики элементов.

Тема 2. Представление информации в цифровой форме. Представление логических переменных электрическими сигналами в потенциальной и импульсной системе. Параметры элементов и их связь с характеристиками.

Тема 3. Элементная база. ГОСТы и ЕСКД в цифровой схемотехнике. Условные графические и условные буквенные обозначения. Типы логик и их связь с условными графическими изображениями. Прямые и инверсные входы и выходы.

Тема 4. Логические основы цифровой схемотехники. Функции Алгебры Логики (ФАЛ). Способы задания функций. Понятие Базиса. СДНФ, СКНФ. Переход из одного базиса в другой. Комбинационная Схема. Минимизация ФАЛ методом Квайна Мак-Класски. Графические методы минимизации ФАЛ. Не полностью определенные функции. Минимизация не полностью определенных функций.

Тема 5. Комбинационные схемы.

Постановка задачи, этапы анализа и синтеза комбинационных схем на базе аппарата ФАЛ. Реализация булевых функций на элементах. Синтез и функциональные узлы комбинационных схем: исключающие ИЛИ, мультиплексор, дешифратор, Использование мультиплексоров и дешифраторов для реализации логических функций. Увеличение разрядности комбинационных схем. Классификация сумматоров. Построение комбинационных сумматоров, быстродействие сумматора. Увеличение разрядности сумматора, организация цепей ускоренного переноса.

Тема 6. Временные параметры. Модель логического элемента. Временные параметры. Построение временных диаграмм комбинационных схем методом ранжирования. Построение временных диаграмм схем с памятью событийным методом. Анализ критического пути.

Тема 7. Состязания сигналов. Состязания сигналов в цифровых схемах: причины появления состязаний, переходные процессы в цифровых схемах. Классификация состязаний сигналов: примеры статических и динамических состязаний. Анализ цифровых схем на состязания. Устранение состязаний сигналов в комбинационных схемах. Способы синтеза цифровых схем, свободных от состязаний.

Тема 8. Схемы с памятью. Элементарные триггерные схемы на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Классификация триггерных схем. Таблицы внешних переходов. Асинхронные и синхронные триггерные схемы. Триггерные схемы со статическим и динамическим управлением записью, двухступенчатые триггерные схемы. Примеры двухступенчатых триггеров типа RS, JK, DV, D, T. Примеры триггеров с прямым и инверсным динамическим управлением записью типов RS, JK, DV, D, T.

Тема 9. Проектирование триггера. Проектирование триггера с заданной таблицей перехода. Построение временных диаграмм работы триггера, определение динамических параметров: время переключения, время предварительной установки, время удержания, длительность импульса.

Тема 10. Разработка произвольного счетчика.

Классификация счетчиков. Синхронные и асинхронные счетчики. Двоично-десятичные счетчики. Реверсивные счетчики. Увеличение разрядности счетчиков и организация цепей переноса, динамические параметры. Счетчики по модулю М. Проектирование счетчиков с заданным модулем пересчета.

Тема 11. Проектирование многофункционального регистра. Классификация регистров. Регистры хранения и сдвига. Многофункциональные регистры. Организация цепей ввода и вывода информации. Основные принципы проектирования регистров. Примеры регистров. Динамические параметры регистров. Распределители сигналов, формирователи импульсов.

Тема 12. Запоминающие устройства. Схемотехника запоминающих устройств: параметры и классификация ЗУ, временные диаграммы работы и динамические параметры; статические, динамические и постоянные ЗУ. Двух портовая память. Организация буферной (FIFO) и стековой (LIFO) памяти.

Тема 13. Особенности передачи сигналов в цифровых схемах.

Типы выходных каскадов: логический выход, элементы с тремя состояниями, выход с открытым коллектором. Элементы индикации, оптоэлектронные развязки, генераторы импульсов, элементы задержки. Организация цепей питания: фильтрация питающих напряжений. Линии передачи сигналов, длинные линии, отражения, согласованная нагрузка.

Тема 14. Программируемая логика. ПЛМ и ПЛИС FPGA. Программируемые логические матрицы (ПЛМ), программируемая матричная логика (ПМК), базовые матричные кристаллы (БМК): базовые структуры, схемные и конструктивные особенности, примеры реализации функций. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Классификация ПЛИС (FPGA, CPLD, FLEX, SOC и др.). Архитектура и топология ПЛИС. Основные элементы: конфигурируемые логические элементы (логическая таблица, триггер, мультиплексор, схемы ускоренного переноса), блоки ввода-вывода, блоки линий межсоединений, «теневое ЗУ». ОЗУ в ПЛИС, шины с тремя состояниями, система синхронизации. Конфигурация ПЛИС. Примеры реализации функций и типовых цифровых узлов.

Тема 15. Средства автоматизации проектирования и отладки цифровых устройств. Этапы проектирования цифровых устройств. Методика и средства автоматизированного проектирования. Использование языков высокого уровня для описания цифровых устройств: проблемно-ориентированный язык VHDL. Примеры проектирования цифровых элементов с применением языка VHDL: описание проекта, компиляция, тестирование и реализация на кристалле FPGA. Тема 16. Заключение. Перспективы развития цифровой схемотехники

Схемотехника — это… Что такое Схемотехника?

        научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем (См. Схема) электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники. Основная задача С. — синтез (определение структуры) электронных схем, обеспечивающих выполнение определённых функций, и расчёт параметров входящих в них элементов. Термин «С.» появился в 60-х гг. 20 в. в связи с разработкой унифицированных схем, пригодных одновременно для многих применений.

         На основе электронной схемы создают соответствующее устройство (входящее в состав некоторой технической системы). К устройству предъявляется требование надёжной работы в течение заданного времени в реальных условиях производственного разброса параметров элементов и их старения, влияния внешней среды и возмущающих воздействий. Поэтому при разработке схем наряду с расчётом номинальных значений параметров элементов необходимо рассчитывать эксплуатационные допуски на них, предусматривать в схеме средства, повышающие надёжность устройства (обеспечивающие устойчивую работу схемы при внешних воздействиях), а также позволяющие контролировать его исправность.

         Элементной базой для создания электронных устройств служат дискретные электро- и радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т. д.) и интегральные микросхемы (ИС, см. Интегральная схема). Если электронная схема реализуется в виде ИС либо нескольких ИС, то говорят о «микросхемотехнике», под которой понимают область микроэлектроники (См. Микроэлектроника), связанную с проектированием ИС. Помимо синтеза и расчёта электронных схем, микросхемотехника решает задачу разработки на основе электронных схем структуры (топологии) ИС. Основные этапы разработки: расчёт геометрических размеров элементов ИС; рациональное размещение элементов на поверхности или в объёме подложки ИС; нахождение оптимальных соединений элементов (возможные критерии оптимальности — обеспечение минимальных длин проводников, либо числа их пересечений, либо взаимного влияния и т. д.). Так как создание новой ИС — комплексная проблема, то её решают совместно специалисты по микросхемотехнике, физики, технологи, конструкторы, используя комплексные опытно-теоретические методы, в том числе моделирование на ЭВМ как самой схемы, так и условий её работы.          Теоретической базой С. (в том числе микросхемотехники) служат теория линейных и нелинейных электрических цепей, электродинамика, математическое программирование, теория автоматов и др. При создании электронных схем перспективно использование методов проектирования с применением ЭВМ (см. в ст. Проектирование). По мере развития микроэлектроники, разработки больших ИС (БИС) — функциональных устройств, представляющих собой целые системы, С. по ряду аспектов сливается с системотехникой. (См. Системотехника)

        

         Лит.: Алексенко А. Г., Основы микросхемотехники, М., 1971; Поспелов Д. А., Логические методы анализа и синтеза схем, 3 изд., М., 1974.

         Г. И. Веселов.

Электроника и схемотехника

Курс «Электроника и схемотехника» направлен на изучение основ получения и использования электроэнергии. Программа рассчитана на обучение учеников по возрастным категориям младше 10 лет, от 10 до 13 лет и старше 14 лет, от простейших схем электроники и до передачи шифрованной информации до построения систем автоматики и робототехники на примере платформы Arduino, а также Интернет вещей и Smart grid.

Краткое описание направлений курса
Направление для детей младше 10 лет

Вводный модуль посвящен знакомству с основными электронными элементами и областями их применения и включен в программу каждого направления..

  

     

Тема

 Время на рассмотрение темы

     

Ключевые слова в теме

Введение в основы энергетики      2 ч. Энергетика родного города, России, мира
Знакомство с электричеством      2 ч. Заряд. Электрический ток.
Электрическая цепь.
Способы хранения электроэнергии      2 ч. Конденсатор, аккумуляторная батарея
Способы получения электроэнергии      2 ч. Химические источники тока, солнечная панель

Модуль: простейшие схемы электроники

В данном модуле на достаточно простом уровне рассматриваются некоторые наиболее распространенные электронные схемы. Под простым уровнем понимается максимальная визуализация происходящих процессов. Например, создание аналоговых схем логических элементов на основе кнопок и лампочек. 

 Направление курса для детей от 10 до 13 лет

Вводный модуль, о котором уже шла речь выше является в определенной степени универсальным

Тут лишь примеры остальных модулей и проектов, через которые могут проходить обучающиеся в процессе своего участия в работе кружка.

Модуль: основные схемы электроники

В данном модуле рассматриваются наиболее распространенные и показательные электронные схемы, активно используемые в современных устройствах. Рассматриваются правила построения и основные особенности работы с усилителями, мультивибраторами, таймерами, генераторами сигналов, осцилляторами, аудиосхемами и применения разнообразных реле.

Модуль: цифровая логика.

В данном модуле рассматриваются основы обработки цифровой информации с помощью логических элементов. Именно на такого рода элементах построены микросхемы и как следствие работают цифровые устройства. Этим обстоятельством определяется актуальность данного модуля. В рамках занятий обучающиеся смогут собрать модели основных микросхем для выполнения простых логических операций. Пример проекта: создание цифровых часов.

Направление курса для детей старше 14 лет

Модуль: углубление школьных знаний в области физики

 Модуль «углубление школьных знаний в области физики» призван визуализировать часть физический явлений и закономерностей школьного курса физики, которые во время занятий, к сожалению, обсуждаются лишь чисто теоретически. В рамках данного модуля учащиеся выполнят расширенный набор лабораторных работ и кейсов по физике, что позволит им повторить, дополнить, расширить и углубить понимание явлений и закономерностей, обсуждаемых в школе на уроках физики.

 Модуль: DIY (do it yourself) MHz

Данный модуль посвящен созданию своих элементов, работающих в мегагерцовом диапазоне. В ходе его прохождения учащиеся знакомятся с такими радиоэлектронными устройствами, как фильтр, разветвитель, адаптер, смеситель, аттенюатор, и другими. Учащиеся узнают принцип работы, конструкцию и основные применения описанных выше устройств. В конце модуля учащиеся готовят проект в области радиоэлектроники. 

Дистанционный курс «Цифровая схемотехника. Базовый курс»

АктуальностьПриостановлено
СтоимостьПо запросу
Продолжительность180 часов
Группавозможно индивидуальное обучение
Начало занятийИдёт набор