تقنية رقمية

تهتم التقنية الرقمية (إنجليزي: Digital electronics) بتحويل الإشارات التناظرية (قيم متصلة) إلى رقمية (قيم متقطعة) والعكس (محول رقمي تناظري\محول تناظري رقمي)، كما تهتم بمعالجة الاشارات الرقمية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 بنية

على عكس التقنية التناظرية تشتغل التقنية الرقمية بإشارات متقطعة بدلا من إشارات متصلة. بالاضافة إلى ذلك تتوفر الإشارات غالبا على رصيد قليل فقط من القيم وفي العادة على قيمتين. هذه القيم هي في الغالب 1 و 0 أو H (مرتفع) وL (منخفض) والتي تمثل الثوابت المنطقية صحيح وخطأ. اذا كان المستوى المرتفع ممثلا ب 1 والمستوى المنخفض ممثلا ب 0 فإننا نتكلم عندها عن منطق موجب، أما في الوضع المعاكس فإننا نتكلم عن منطق سالب. زيادة على ذلك يجب الأخذ بعين الإعتبار حالات أخرى للدوائر على أرض الواقع. نأخذ على سبيل المثال الحالة المجهولة والحالة ذات المقاومة العالية. تتكون الدارات الرقمية أساسا من عناصر المنطق، مثل بوبات ليس، و، ليس و، أو، ليس أو، أو استثنائية، ليس أو استثنائية وأخريات، والتي يتم بواسطتها ربط المعلومات الرقمية المتكونة من نعم/لا، مثلا في إطار العدادات والقلابات، وتأتي المعالجات كمثال للاستعمالات المعقدة. نظريا يكفي نوع واحد من البوبات ("ليس و" أو "ليس أو")، التي تأخذ في هذه الحالة اسم "أساس"، لبناء كل الوظائف المنطقية الأخرى. في التقنية الرقمية يؤخذ النظام الثنائي غالبا كأساس حين استخدام جبر الربط (حسب التمييز فوقه لنعم/لا). وهكذا فإنه يمكن إنشاء دالة ربط لكل عنصر منطقي تصف طريقة عمله. في المجال التطبقي يستخدم عادة فقط بوابات ليس ونظرا لتمكينها تقليد وظائف البوابات الأخرى. يمكن أن تتضمن الدارات الرقمية إضافة إلى الوظائف المنطقية أيضا عناصر متعلقة بالوقت، فضلا عن ذلك يمكن أن تشتغل تبعا لساعة أو لأحوال (متزامن\غير متزامن). إذا تضمنت الدائرة الرقمية فقط عناصر منطقية دون إقران انحداري للمخارج على المداخل فإننا نتكلم عن دائرة توافقية. أما إذا تم استعمال الذاكرة أو إقران مخرج على الأقل بمدخل فإن الأمر يتعلق حينها بدائرة تتابعية أو أيضا آلة مجردة. يتكون المتحكم الدقيق أو المعالج أساسا من هذه العناصر المنطقية والذي يطور عبر ناقل للبيانات بالذاكرة والأنواع الأخرى من المكونات الرقمية. يكون تنفيذ الترابطات المنطقية بشكل متصاعد زمنيا ممكنا. ويمكن أن تكون هذه ملتصقة بأسلاك أو مبرمجه.

 بوابات منطقية

كما أشرنا إلى ذلك سابقا فإن البوابات المنطقية تشكل عناصر البناء الأساسية للدوائر الرقمية. فيما يلى سيتم الحديث بعجالة عن أهم البوابات المنطقية. للمزيد من التفاصيل عن طريقة عمل مختلف البوابات يمكنك زيارة المقالات تحت الرابط. ولشرح وظيفة مختلف البوابات المنطقية سنستخدم دالة ربطها وجدول الحقيقة.

 بوابة النفي (ليس) (انجليزي: NOT)

بوابة النفي (أيضا بوابة ليس) هي أبسط وظيفة منطقية رقمية. وتتوفر على مدخل واحد فقط. المخرج يقلب الحال المنطقي للمدخل.

$y=\neg {x}$ (نقرأ: y ليست x)

جدول الحقيقة

x	y
0	1
1	0

بهذا فالمخرج هو تكملة المدخل.

 بوابة و (انجليزي: AND)

بوابة و (الربط بين الأسلاك يتم عن طريق "بوابة و" و يطلق على ذلك اسم العطف) هي أيضا من العناصر الهامة في منطق الدوائر. خلافا لبوابة ليس تتوفر بوابة العطف على الأقل على مدخلين تقوم بمقارنتهما. وهكذا فإن دالة الربط تختلف عن دالة ربط بوابة ليس:

$y=x_{1}\land x_{0}$

جدول الحقيقة

x1	x0	y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

للحصول على القيمة المنطقية 1 في المخرج y يجب أن يكون المدخلين كلاهما تحت القيمة المنطقية 1.

 بوابة أو (انجليزي: OR)

تتوفر بوابة أو أيضا على الأقل على مدخلين تقوم بمقارنتهما (ربط الأسلاك عن طريق بوابة أو يطلق عليه اسم الفصل). وعلى خلاف بوابة و تعقب القيمة المنطقية 1 في المدخل تلقائيا القيمة المنطقية 1 في المخرج.

$y=x_{1}\lor x_{0}$

جدول الحقيقة

x1	x0	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

للحصول على القيمة المنطقية 1 في المخرج y يجب أن يكون أحد المدخلين أو كلاهما تحت القيمة المنطقية 1.

 بوابة أو الإستثنائية (انجليزي: XOR)

على عكس بوابة أو يجب أن تتوفر بوابة أو الإستثنائية على مدخل واحد فقط تحت القيمة المنطقية 1 لكي يشير المخرج إلى القيمة المنطقية 1.

$y=x_{1}\,+x_{0}$

جدول الحقيقة

x1	x0	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

 ليس و - ليس أو - ليس أو استثنائية (انجليزي: NAND - NOR - XNOR)

بوابة ليس و تتكون من "بوابة و" تليها "بوابة ليس". بموجب ذلك فإن بوابة ليس أو هي بوابة أو وتليها بوابة ليس، وبوابة ليس أو استثنائية هي بوابة أو استثنائية وتليها بوابة ليس. بواسطة بوابة ليس و و بوابة ليس أو وبالربط المناسب فإنه يمكننا تقليد كل البوابات المنطقية الأخرى.

 مزايا الأنظمة الرقمية

• الوضوح
• لايوجد امتداد للأخطاء، وهكذا فإنه يمكن تحقيق أنظمة معقدة جدا، إضافة إلى إمكانية إرسال إشارات على مسافات بعيدة دون ضياع للبيانات
• سهولة الوصف بواسطة الجبر منطقي الشيء الذي يسمح بسهولة التصميم
• بساطة الإختبار

تتجلى مزايا معالجة الإشارة الرقمية مقارنة بالتكنولوجيا التناظرية، إلى جانب التكاليف المنخفضة لعناصر البناء بفضل مستوى التجميع المرتفع والتطوير المبسط، خصوصا في المرونة العالية. بمساعدة معالجات خاصة للإشارة أو حواسيب فإن تحقيق الدوائر على البرامج يصبح ممكنا، هذا ما يمكن تغيير الوظائف بسرعة حسب الإحتياجات. إضافة إلى ذلك فإن استعمال خوارزميات معقدة يكون بسيطا، الشيء الذي لا يمكن تحقيقه تناظريا إلا بجهد كبير وذلك إن أمكن. هناك أدوات تطوير خاصة (CAE) ولغات وصف مثل VHDL أو Verilog تسهل مأمورية المهندسين في التطوير السريع للتطبيقات والدوائر.

 مساوئ الأنظمة الرقمية

• عدد المكونات المتطلبة في الدائرة يشكل أضعافه مقارنة بالأنظمة التناظرية (يُعوَض بمستوى تجميع عالي على الرقائق المناسبة)
• ضباع المعلومات أثناء تحويل إشارة تناظرية إلى إشارة رقمية
• يستطيع الإنسان إدراك القيم التناظرية بشكل أسرع (مثال: قراءة الوقت من الساعة) إلا أن الساعة الرقمية تمكن في نظرة واحدة من إعطاء الوقت بشكل موضوعي

 استعمالات

• الخصائص الوراثية مشفَّرة بقيم متقطعة
• لغة الانسان تتألف من رموز متقطعة
• المال ذو قيم متقطعة، بحيث لا يتم وزن الذهب
• نقيس الوقت (أيضا على الساعات التناظرية) بعدة قيم متقطعة: الساعات والدقائق والثواني، وهكذا رقميا رغم ان الوقت متصل (تناظري)
• تنقل الهواتف ارقام الهواتف بطريقة متقطعة
  • تشتغل التيليغرافات أيضا خلال الاتصال بطريقة متقطعة
  • تاريخيا كان الاتصال اللاسلكي يعمل متقطعا وهذا ما كان يتلقاه عامل اللاسلكي منذ فترة طويلة أثناء التدريب

 انظر أيضا

• محول تناظري رقمي
• بوابة منطقية
• الترقيم
• إشارة رقمية

 مجالات متعلقة

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المصدر

الصفحة الألمانية