الدارات المتكاملة في لوحة الام

الدارات الالكترونية:
هي تشكيلة من العناصر الالكترونية ترانزستورات و ديودات ... الخ وعناصر كهربائية مقاومات و مكثفات ... الخ و التي وصل فيما بينها لتنفيذ وظيفة أو أكثر تحقق غاية المستخدم
الوظائف التي يمكن للدارة الالكترونية أن تنفذها :
تستطيع أن تنفذ وظائف متعددة أهمها التضخيم ,المقارنة ,العمليات الحسابية ,العمليات المنطقية ,عمليات العد والتوقيت .
ملاحظة : للدارات الالكترونية نوعين من الوصلات
1. وصلات داخلية فيما بين عناصر لتشكيل الوظيفة المطلوبة
2. وصلات خارجية يتم بواسطتها تبادل المعلومات ما بين الدارة و الوسط المحيط , ونميز نوعين من الوصلات خارجية :
1. وصلات الدخل و تسمى مداخل الدارة ومع مداخل الدارة يتم وصل الحساسات و مفاتيح المختلفة لنقل المعلومات عما يجري في الوسط المحيط حيث أن أي معلومة سواء كانت حرارة أو سرعة أو صوت أو سرعة ... الخ ترد إلى مدخل الدارة على شكل إشارة كهربائية تعبر عن هذه المعلومة .
2. وصلات الخرج و تسمى مخارج الدارة ومع مخارج الدارة يتم وصل عناصر ذات رد فعل تنفيذي مثال عنها الفاصل الواصل كهربائي (contactor) ,لوحات الإظهار ,السماعات ... الخ
دارات الكترونية الرقمية : هذه الدارات لا تفهم إلا قيمتين إما الصفر المنطقي أو الواحد المنطقي ومن الدارات المنطقية (البوابات المنطقية ,قلابات ,فاكات شفرة .. الخ
دارات الالكترونية تماثلية : هي دارات التي يمكن أن تتعامل مع عدد لا نهائي من القيم مثل دارات التضخيم , دارات حسابية .. الخ .
ملاحظة : في الوقت الحالي تستخدم دارات الكترونية تعالج القيم التماثلية بطريقة رقمية وذلك باستخدام مفهوم التشفير حيث يمكن تحويل القيمة إلى مجموعة من الأصفار و الواحدات .
بناء دارات الإلكترونية : يمكن أن تبنى الدارات الإلكترونية بطريقتين :
1. باستخدام عناصر منفصلة حيث يقوم المستخدم بتوصيل الترانزستورات والديودات والمقاومات والمكثفات اللازمة للدارة لتحقيق الوظيفة المطلوبة
2. باستخدام الدارات المتكاملة والمادة المتكاملة عبارة عن شريحة من مادة نصف ناقلة وضع عليها عناصر كهر بائية وتم الوصل الكهربائي بين العناصر على الشريحة لتؤدي وظيفة معينة قد تكون منطقية أو حسابية أو وظيفة تضخيم تغلف بعد أدائها الوظيفة بغلاف بلاستكي وتزود بنوا قل معدنية يتم بواسطتها اتصال الدارة المتكاملة وهذه الأرجل معروفة باسم الـ Pin
تتشابه الدارات من حيث الشكل الخارجي ويقصد بالشكل الخارجي شكل الغلاف وتوضع الأرجل على الغلاف تختلف من حيث المضمون بالوظيفة التي تؤديها هذه الدارة المتكاملة وللتميز بين دارة المتكاملة وأخرى يوجد على أي دارة متكاملة مجموعة من الرموز يتبعها عدد من الأرقام هذا الرقم مميز لكل دارة متكاملة وبواسطته يمكن معرفة عمل الدارة المتكاملة وتوزيع الأرجل وبالنسبة لتوزيع الأرجل هناك أرجل للدارة تتصل على التغذية الكهربائية وأرجل تعمل كمداخل أو كمخارج .. .الخ
يستخدم كتاب يسمى كتاب المكافئات أوData sheet وذلك للتعرف على الدارات المتكاملة بواسطة رقمها المميز وبسبب تطور التقنية المعلوماتية أصبحت Data sheet لملايين العناصر الإلكترونية موجودة على CDحيث بمجرد إعطاء الرقم للكمبيوتر أو دارة متكاملة وطلب البحث يتم إعطاء بيانات مفصلة عن العناصر الكترونية أو العنصر المطلوب أكثر من ذلك يمكن إعطاء نوع الوظيفة التي تريد من الدارة المتكاملة تحقيقها حتى نحصل على أرقام دارات متكاملة بنفس الوظيفة مع شرح مفصل عن الدارة المتكاملة .


استخدام الدارات المتكاملة في بناء الدارات الإلكترونية
سلبيات استخدام العناصر المنفصلة في بناء الدارات الإلكترونية
1. الحاجة إلى عناصر كثيرة
2. تعقّد الدارة واحتمالات كبيرة لحدوث الخطأ عند بناء دارة الكترونية تحقق غاية ما باستخدام أكثر من بوابة
3. ضعف إمكانية وصل مخرج الدارة مع ما يليها سواء كان ذلك دخل لدارة أخرى أو حمل نريد التحكم بعمله بواسطة هذه البوابة وهذا ما يسمى بخاصية التحميل (Fan out)
وغير ذلك من السلبيات والتي يكون منها الحجم الكبير والكلفة العالية والزمن اللازم للإنجاز وهذا ما دفع إلى بناء دارات الكترونية باستخدام الدارات المتكاملة والتي سبق الحديث عنها .
عندما نستخدم الدارات المتكاملة في بناء الدارات المنطقية لا بد من التعرف على تصنيف الدارات المتكاملة الرقمية أو ما يسمى بعائلات الدارات الرقمية :
1. الدارات المتكاملة التي تنتمي للعائلة TTL :
عندما نريد التعامل مع دارة رقمية متكاملة نوع TTL فإننا نستخدم الرقم المميز لهذه العائلة والمسبوق بحرفين أو أكثر للدلالة على الشركة المصنعة للدارة المتكاملة ويوجد نموذجان للدارات المتكاملة TTL
النموذج الأول : يبدأ بالرقم 74 ويستخدم للعمل في بيئة درجة حرارتها من 0 إلى 70 ْ مئوية وتعتبر كلفة التصنيع لهذا النموذج منخفضة
النموذج الثاني : يبدأ بالرقم 54 وهو مشابه للنموذج الأول إلا أنه يستخدم في المجالات العسكرية والصناعية التي تتطلب وثوقية عالية وتتطلب العمل في درجات حرارة مرتفعة ما بين 55 إلى 125 ْ مئوية ولذلك فإن كلفة التصنيع لهذا النموذج مرتفعة
مثال: على دارة متكاملة نوع TTL :
ليكن لدينا الدارة المتكاملة التي تحمل الرقم SN 7432 هذه الدارة تحوي أربع بوابات OR كل بوابة لها مدخلين الأحرف SN تدل على الشركة المصنعة هذين الرمزين خاصين بشركة تكساس
74: أي هي دارة متكاملة من نوع TTL ' نموذج أول '
32: هو الرقم الخاص بالشريحة حيث أن محتويا هذه الشريحة هي بوابات OR
أيضاً يوجد ضمن النموذج الواحد عدة أصناف كل صنف يتميز عن الآخر بالسرعة واستهلاك الطاقة والجدول التالي يبين هذه الأصناف :
الصنف المواصفات
54 3/74 LS سريع , منخفض استهلاك الطاقة
54 L/74 L عادي السرعة , منخفض استهلاك الطاقة
54 S/74 S سريع , عادي استهلاك الطاقة
54 /74 عادي السرعة , عادي استهلاك الطاقة
54 H/74 H عادي السرعة , عالي استهلاك الطاقة

هذه الدارات المتكاملة تصنّع باستخدام الترانزستورات ثنائية القطبية
هذه الدارات المتكاملة تصنّع باستخدام الترانزستورات ثنائية القطبية
مواصفات العائلة TTL:
1. التغذية حصرياً 5V (+ - 5 %)
2. مقاومة الخرج صغيرة نسبياً وهذا يفيد في إعطاء إمكانية تحميل عالية نسبياً ويقصد بالتحميل التيار المستجر (المسحوب) من مخرج الدارة ويجب أن نحرص عند بناء الدارات الإلكترونية على أن لا يؤدي التحميل إلى انخفاض جهد الخرج بنسبة أكثر من 5%
3. مقاومة الدخل صغيرة نسبياً وهذا يعطي استجرار كبير من مخرج الدارة التي توصّل مع مداخل TTL
4. سرعة الانتقال في المخرج من '0' منطقي إلى '1' منطقي أو العكس عالية نسبياً
2. عائلة الدارات المتكاملة CMOS :
تصنّع هذه الدارات المتكاملة باستخدام الترانزستورات الحلقية
مواصفات العائلة CMOS:
1. مجال التغذية من 5 V إلى 24 V
2. مقاومة الخرج كبيرة نسبياً وهذا يؤدي إلى ضعف إمكانية التحميل
3. مقاومة الدخل كبيرة جداً وهذا يسمح بربط عدد كبير من مداخل الدارات CMOS إلى مخرج دارة دون أن يؤدي ذلك إلى تحميل الخرج
4. سرعة الانتقال من '0' منطقي إلى '1' منطقي إلى المخرج أو بالعكس بطيئة نسبياً
يمكن التعامل معها بنفس المنهجية التي تعاملنا بها مع TTL يستخدم لهذه العائلات الأرقام التي تبدأ ب40 و45 وهي عدة أصناف وذلك تبعاً للسرعة واستهلاك الطاقة وقيمة جهود التغذية بالإضافة لإمكانية الوصل مع دارت نوع TTL
ملاحظة : هذه الدارات سرعتها بطيئة تقريباً واستهلاكها للطاقة ضعيف نسبياً ومقاومة دخلها كبيرة
تصنيف الدارات المتكاملة من حيث مستوى التجميع:
يقصد بمستوى التجميع عدد البوابات النطقية المستخدمة في شريحة الدارة المتكاملة لتحقيق وظيفة معينة وهذه الأصناف هي:
1. دارات متكاملة قليلة التكامل (SSI) لا يزيد عدد البوابات في الشريحة عن 12 بوابة
2. دارات متكاملة متوسطة التكامل (MSI) حيث يتراوح عدد البوابات ضمن الشريحة بين (13) إلى (99) بوابة وكمثال على هذا النوع العدادات ,المسجلات ,المشفرات وغير ذلك
3. دارات متكاملة عالية التكامل (LSI) حيث يزيد عدد البوابات المنطقية في هذه الشريحة عن 100 بوابة ويمكن استخدام هذا النوع في الذواكر أو العناصر المنطقية القابلة للبرمجة PLA
4. دارات متكاملة عالية التكامل جداً (VLSI) حيث يصل عدد البوابات المنطقية إلى 100 ألف بوابة كمثال عليها المعالجات الميكروية (Micro processor)
أهم المواصفات للدارات الالكترونية :
مقاومة خرج الدارة الالكترونية هي المقاومة التي يمر عبرها التيار إلى الحمل الموصول مع الخرج وذلك عندما يكون هذا الخرج في حالة '1' منطقي وكلما كانت هذه المقاومة صغيرة كلما كان ذلك أفضل لأن مرور التيار إلى الحمل عبر هذه المقاومة سيؤدي إلى هبوط جهد على هذه المقاومة وبالتالي كلما كبرت هذه المقاومة كان الجهد الهابط عليها أكبر وبالتالي ستنخفض قيمة الجهد على الخرج مما قد يسبب مشاكل
مقاومة دخل دارة الكترونية وهي قيمة المقاومة بين نقطة الدخل ونقطة الأرضي (نقطة مشتركة) وكلما كانت هذه المقاومة كبيرة كان ذلك أفضل .
بناء الدارات الالكترونية باستخدام عناصر منفصلة
تحقيق بوابة And باستخدام المقاومات والديودات
يكون الديود منحازاً أمامياً عندما يكون الجهد على المصعد اكبر من الجهد على المهبط بمقدار 0.7v للديودات المصنوعة من السيلكون أو 0.3v للديودات المصنوعة من الجرمانيوم .
وعندما يكون الديود منحازاً أمامياً سيمر تيار وسيثبت الجهد بين طرفي الديود على 0.7v أو 0.3v حسب المادة المصنوع منها الديود .
أما في حال الانزياح العكسي فان الجهد على المصعد اصغر أو يساوي الجهد على المهبط و بالتالي لن يمر تيار في الديود
حالة الديودات 1و2و3 في حالة واحد منطقي
الجهد المطبق على المصعد يساوي الجهد على المهبط ويساوي '1' فالديودات منحازة عكسيا
بتطبيق كيرشوف :
Vcc = Vr + Vo Vo = Vcc - I.R
I =0 Vo = Vcc = '1'
حالة احد الدويودات على الاقل '0'
يصبح الديود الذي في حالة'0' منطقي محيز أمامياً فيمر تيار في هذا الديود و يكون هبوط الجهد عليه 0.7 v نلاحظ أن مصعد الديود هو نفسه نقطة الخرج Vo
فيكون جهد الخرج هو
Vo = Vo1 = 0.7 v = '0'
(0.7 v على الديود و البقية 9.3 v على المقاومة
تحقيق دارة OR باستخدام المقاومات و ديودات
حتى نحصل على VO = '1'
احد الديودات على الاقل في حالة انزياح أمامي و ذلك لتامين مرور تيار إلى الخرج
و الشكل التالي يوضح لنا هذه الدارة
أما حالة [1] = [2] = [3] = '0'
هذا يكافئ أن الديودات الثلاثة في حالة انحياز عكسي ( لأن الجهد على المهبط يساوي الجهد على المخرج ) و بالتالي لا يمر تيار في الديودات أي الجهد الهابط عليها هو Vo = '0'
تحقيق دارة Not باستخدام مقاومات و ترانزستورات RTL
إذا وصلنا المفتاح [1] إلى الواحد منطقي عندها يصبح الديود قاعدة - باعث في حالة انحياز أمامي أي الترانزستور يصبح في حالة توصيل (on) و كأنه مفتاح مغلق (سلك)
أي يوصل المجمع مع الباعث و بالتالي Vo = '0'
إذا وصلنا المفتاح إلى الصفر منطقي فيصبح الديود قاعدة - باعث في حالة انحياز عكسي أي الترانزستور في حالة قطع (off) و كأنه قاطعة مفتوحة
بتطبيق قانون كيرشوف
Vo = Vcc - Vr Vo = Vcc - I.R
وبما أن الجهد المطبق على القاعدة يساوي الصفر فالترانزستور في حالة قطع أي
I = O Vo = Vcc = '1'
تحقيق دارة OR باستخدام ترانزستورات ومقاومات RTL
حتى نحصل على خرج Vo = '0'
يجب أن يكون T1 بحالة وصل (ON) وهذا يكافئ أن يكون T2 بحالة قطع (OFF) وهذا يكافئ حالة وحيدة فقط وهي المداخل '0'
أي[1] = [2] = [3] = '0'
حتى نحصل على Vo = '1'
يجب أن يكون T1 بحالة قطع OFF وحتى يكون T1 بحالة قطع يجب أن يكون T2 بحالة وصل ON
و هذا يكافئ أن يكون أحد المداخل على الاقل بحالة '1' ليؤمن مرور للتيار إلى T1و بالتالي يعمل (ON) .
أهم الوظائف التي يمكن للدارة الالكترونية تحقيقها
ذكرنا سابقا أن الدارة الالكترونية لها مجموعة من المداخل ترد اليا المعلومات التي نرغب في معالجتها وتظهر نتائج المعالجة على مخارج الدارة الالكترونية
إن الأسلوب الذي تعالج به الدارة الالكترونية المعلومات على المداخل يسمى بالوظيفة function وفي ما يلي أهم الوظائف :


وظيفة التوقيت :
هي دارة الكترونية تقوم بمعالجة المعلومات على المداخل على أساس الزمن,يستخدم المؤقت في عمليات التحكم المختلفة (سواء عمليات التحكم التي تتم داخل المعالج المصغر أو عملية التحكم بالأجهزة
مدخل التحكم : يطبق عليه إشارة رقمية ('1','0') للتحكم ببدء عمل المؤقت
مدخل التصفير : وهو مدخل إضافي لزيادة إمكانيات التحكم ويطبق عليه إشارة رقمية ('1','0') لتصفير المخرج و إعادة التوقيت إلى البداية.
قد يكون للمؤقت عدة مخارج لكن أهمها هو المخرج الذي تظهر عليه نتيجة المعالجة ويأخذ المخرج إما صفر أو واحد .
المبادئ الأساسية لعمل المؤقت :
المبدأ الأول : مبدأ يقوم على استخدام دارات R-C (مقاومة مع مكثفة على التسلسل) في هذا المبدأ نستفيد من طبيعة عمل المكثف في الشحن و التفريغ و أن فترة الشحن والتفريغ تعتمد على مقدار تيار الشحن و تيار التفريغ أي تعتمد على قيمة المقاومة الموصولة مع المكثف بالإضافة إلى ارتباط الفترة بسعة المكثف وقيمة الجهد الذي سيشحن أو يفرغ له المكثف.
تعطى الفترة الزمنية اللازمة للشحن أو التفريغ بالعلاقة :T=R.C
المبدأ الثاني:مبدأ العد:حيث يتألف المؤقت من مولد نبضات مربعة ذات تردد ثابت قيمته F و بالتالي زمن النبضة الواحدة و يسمى بالدور T=1/F و عداد يقوم بعد زمن النبضات حيث أن الفترة الزمنية التي تستغرقها (nنبضة) T=t*n وعداد يقوم بعد النبضات حيث أن القيمة التي يعدها العداد يتم إدخالها إلى مقارن يقارنها مع قيمة مرجعية ونتيجة المقارن تظهر على مخرج المقارن إما '0' أو '1' يتم إدخالها إلى دارة منطقية تسمى دارة تحديد نوع المؤقت .


أنواع المؤقتات
1. مؤقت تأخير الوصل on-delay)):
هذا المؤقت له مدخل تحكم و مخرج وآلية العمل كما يلي:
عندما يرد المدخل' 1' سيبدأ المؤقت بالتوقيت وبعد فترة T قابلة للتعيير(يكون خلال هذه الفترة المخرج بحالة' 0') سيصبح المخرج بحالة'1' و يستمر على هذه الحالة طالما أن المدخل'1' ويصبح المخرج '0' عندما يصبح الدخل '0' ويبدأ المؤقت بالعمل من جديد عندما يرد '1' إلى المدخل.
و لفهم آلية عمل المؤقتات سنلجأ إلى المخططات الزمنية:
بناء دارة مؤقت تأخير الوصل (on delay) باستخدام دارات R-C و البوابات :
عندما يكون المفتاح S بحالة Off فإن جهد المدخل In والذي يمثل مدخل التحكم للمؤقت سيكون صفراً وهذا الصفر سينتقل بواسطة المقاومة R2 إلى مدخل البوابة AND ذات المدخلين الموصولين مع بعضهما وبالتالي سيكون مخرج البوابة والذي يمثل خرج المؤقت صفراً
عندما نغلق المفتاح S ( يصبح بحالة On ) سيصبح جهد المدخل In = Vccوسيتم شحن المكثف C بواسطة المقاومة R2 اعتباراً من لحظة إغلاق المفتاح S سيبدأ الجهد على المكثف بالتزايد وكون الجهد على المكثف هو نفسه جهد دخل البوابة فإن تزايد الجهد على المكثف هو نفسه تزايد الجهد على مدخل البوابة وعندما يصل الجهد على المكثف إلى قيمة تعتبرها البوابة '1' منطقي سيصبح مخرج البوابة بالحالة '1' منطقي ويستمر الحال على ما هو عليه حتى نعيد فتح المفتاح S
إن الفترة الزمنية التي يستغرقها المكثف للوصول إلى قيمة جهد يعتبر '1' لمدخل البوابة يسمى بالفترة T وهي الفترة المسماة بفترة التوقيت القابلة للضبط وترتبط بقيمة كم من المكثف C والمقاومة R2
س : ما الذي يحدث عند فتح المفتاح S ؟
سيصبح جهد المخرج '0' منطقي وذلك لأن المكثف سيفرغ شحنته بسرعة من خلال الديود والمقاومة R1
يطلب تحديد كل من وظيفة المقاومةR1 و الديود D
2. مؤقت تأخير الفصل ((off delay:
له مدخل تحكم و مخرج و آلية العمل كما يلي:
عندما يرد إلى المدخل '1' يصبح المخرج مباشرة '1' و يستمر المخرج على هذه الحالة طالما أن الدخل '1' أما عندما يصبح الدخل '0' فإن الخرج يحافظ على '1' لفترة T قابلة للتعيير يصبح بعدها '0' و المخططات الزمنية:
بناء دارة مؤقت تأخير الفصل (off delay) باستخدام دارات R-C و البوابات :
قبل إغلاق المفتاح S سيكون جهد الدخل للمؤقت In = '0' وبالتالي مدخل البوابة '0' منطقي عند إغلاق المفتاح S سيصبح الجهد للمدخل In = Vcc وسيتم شحن المكثف بسرعة من خلال الديود وهذا يتم خلال فترة زمنية قصيرة جدا ً وبوجود جهد '1' منطقي على مدخل البوابة AND ذات المدخلين الموصولين مع بعضهما البعض مما يؤدي إلى وجود '1' منطقي على مخرج البوابة والذي هو مخرج المؤقت ويستمر الحال على ما هو عليه حتى لحظة إعادة فتح المفتاح S مما يؤدي إلى تفريغ المكثف عبر المقاومة R2 ونتيجة التفريغ سيتناقص الجهد على المكثف (حيث الجهد على المكثف هو نفسه الجهد على مدخلي بوابة AND ) حتى يصل إلى قيمة تعتبرها البوابة '0' منطقي وهذا يؤدي إلى انتقال المخرج إلى الحالة '0' منطقي
فترة التفريغ تسمى T وهي التي يقصد بها فترة توقيت المؤقت القابلة للضبط تعتمد هذه الفترة T على قيمة كل من R2 وR1 والمكثف C حسب العلاقة :
T = (R1+R2) .C
يطلب تحديد وظيفة كل من المقاومة R1 و الديود D
3. مؤقت أحادي النبضة (one pulse) :
1. النمط الأول : هو نمط العمل في الجبهة و آلية عمل المؤقت كما يلي:
عندما يرد إلى مدخل المؤقت جبهة صاعدة فإن المخرج يصبح في حالة '1' لفترة T قابلة للتعيير ينتقل بعدها المخرج إلى الحالة '0' و تعاد العملية من جديد إلى ورود جبهة صاعدة على مدخل المؤقت.
بناء دارة مؤقت أحادي النبضة نمط الجبهة باستخدام دارات R-C و البوابات :
قبل إغلاق المفتاحS سيكون دخل المؤقت In والذي هو أحد مداخل البوابة OR في الدارة في حالة '0' منطقي وسيكون جهد دخل البوابة '0' منطقي بواسطة المقاومة R2 وبالتالي مخرج البوابة والذي هو مخرج المؤقت سيكون '0' منطقي
من لحظة إغلاق المفتاح S سيصبح مخرج البوابة OR '1' منطقي وهنا تسلك الدارة نفس سلوك المؤقت أحادي الاستقرار الذي يعمل بالمستوى وسينتقل جهد خرج البوابة الذي أصبح '1' منطقي إلى المدخل الثاني للبوابة OR مما يحافظ على جهد خرج '1' منطقي للبوابة OR حتى لو أصبح المفتاح S مفتوحاً وبالتالي ستستمر عملية شحن المكثف حتى اللحظة التي يصبح فيها الخرج'0' منطقي عندئذٍ سيفرغ المكثف شحنته من خلال مخرج البوابة OR و الديود وتبدأ دورة عمل جديدة بضغط المفتاح S ولو لحظياً
2. النمط الثاني : هو نمط العمل في المستوى و آلية عمل المؤقت كما يلي:
عندما ينتقل المدخل من'0' إلى '1' فإن المخرج يصبح بحالة '1' لفترة T قابلة للتعيير و يشترط أن يبقى المخرج في الفترة T في حالة '1' أن يستمر الدخل بحالة '1' للفترة أكبر منT .
بناء دارة مؤقت أحادي النبضة نمط المستوى باستخدام دارات R-C و البوابات :
قبل إغلاق المفتاح S سيكون دخل المؤقت In = '0' بواسطة المقاومة R1 وسيكون دخل البوابة AND ذات المدخلين الموصولين مع بعضهما '0' منطقي بواسطة المقاومة R2 وبالتالي فإن خرج البوابة ( والذي يمثل خرج المؤقت سيكون '0'منطقي ) من لحظة إغلاق المفتاح S سيصبح جهد مدخل المؤقت Vcc سيتوزع هذا الجهد على كل من المكثف C والمقاومة R2 حيث الجهد المطبق على R2 هو نفسه الجهد على مدخل البوابة وكما نعلم فإن المكثف في بداية الشحن يكون صغيراً جداً ويبدأ بالتزايد ونتيجة لذلك فإن الجهد على المقاومة R2 سيكون كبيراً في البداية ويبدأ بالتناقص ولذلك من لحظة إغلاق المفتاحS سيكون جهد دخل البوابة '1' منطقي وخلال فترة الشحن للمكثف سيتناقص حتى يصل على القيمة المعتبرة من قبل البوابة '0' منطقي وتستقر الحالة على ما هي عليه مادام المفتاح مغلقاً
عندما يعاد فتح المفتاح S فإن المكثف سيفرغ شحنته من خلال المقاومة R1 و الديود وتعاد دورة عمل جديدة بإغلاق المفتاح S
فترة التوقيت T لهذا المؤقت ترتبط بقيمة كل من R2 و S
يطلب تحديد وظيفة كل من المقاومات R1, R2 و الديود D
ملاحظة : في هذا النمط إذا أصبح المفتاح S بحالة '0'منطقي قبل انتهاء فترة التوقيت T فإن جهد الخرج يصبح مباشرة '0' منطقي
4. المؤقت الوماض flasher) ):
آلية العمل كما يلي : عندما ترد إشارة '1' على المدخل سيظهر على الخرج قطار من النبضات كل نبضة له دور T وهذا الدور عبارة عن جزأين :'1'لفترةT/2 و'0' لفترة T/2 المتبقية وستتكرر النبضات مادام الدخل '1' فإذا أصبح الدخل '0' فإن الخرج يستقر على الحالة '0' .
بناء دارة مؤقت الوماض باستخدام دارات R-C و البوابات :
سنعتمد في مهمة عمل الدارة على المفاهيم التالية :
• عندما يكون خرج البوابة '0' فإن الخرج يكون موصول مع الأرض
• عندما يكون خرج البوابة '1' فإن الخرج يكون موصول مع Vcc
• نقيد البوابة Nand ب'0' و يكون خرجها '1' وآلية عمل الدارة كما يلي:
عندما يكون مدخل البوابة G1 و الذي يسمى ب (I) (وهذا المدخل يشمل أيضا مدخل التحكم للمؤقت ) '0' فإن مخرجه سيكون '1' بغض النظر عن المدخل الآخر للبوابة I0 وكون Q0 موصول مع دخل البوابة G2 (الذي يمثل مخرج المؤقت ويرمز له V0سيكون '0' وسيستقر الخرج V0 لهذه الحالة طالما أن I هو '0' .
عندما يصبح المدخل I بحالة '1' ستتحرك البوابة G1 وسيعتمد خرجها على الحالة المنطقية ل I0 ومن هذه الحالة سيبدأ المؤقت بالعمل كما يلي:
خلال الفترة التي كان فيها المدخل I0 كان المخرج Q0 '1' والخرج V0كان '0' لذلك يشحن المكثف بواسطة المقاومة R بالاتجاه Q0إلى V0 و سيزاد الجهد على المكثف حتى يصل إلى قيمة تعتبر بالنسبة للمدخل I0 '1' في هذه الحالة ستصبح مداخل البوابة G1 بحالة '1' و بالتالي سيصبح خرج البوابة G1 '0' و المخرج V0سيصبح '1' و سيعاد شحن المكثف من جديد لكن باتجاه معاكس منV0 إلى Q0 لذلك يسبب وجود جهد كبير على المقاومة R في بداية هذه المرحلة تتناقص بعدها قيمة الجهد على المقاومة R بشكل تدريجي حتى تصل قيمة الجهد على المقاومة إلى قيمة صغيرة تعتبر بالنسبة للمدخل I0 كصفر منطقي عندها يتحول خرج البوابة G1 إلى '1' ومخرج البوابة G2 إلى '0' و ستعاد دورة الشحن للمكثف من Q0 إلى V0 وتتكرر العملية وفي النتيجة سنحصل في الخرج V0 على تأرجح ما بين '0' و '1' يتكرر بشكل دوري لكل فترة T قابلة للتعيير بواسطة المقاومة R والمكثف C.
يُعني التصميم الرقمي ( digital design ) بتصميم الدوائر الإلكترونية الرقمية..
ولهذا الموضوع أسماء أخـرى أيضــاً مثل التصــميم المنطقي ( logic design ) ودوائـر التشغيل (switching circuits ) والمنطق الرقمي (digital logic) والنظم الرقمية (digital systems) نُستخدم الدوائر الرقمية في تصميم نظم كالحواسيب الرقمية ( digital computers) والآلات الحاسبة الإلكترونيـة ( electronic calculators ) ونبائـــط] أو أجــهزة [ التحكــم الرقمــية (digital control devices ) ومعدات الاتصال الرقمية وتطبيقات أخرى عديدة تتطلب معدات رقمية إلكترونية. يعرض هذا الكتاب الأدوات الأساسية المستخدمة في تصميم الدوائر الرقمية ويقدم عدداً من الطرق والأساليب المناسبة لطائفة من تطبيقات التصميم الرقمي.
المكونات المستخدمة في بناء النظم الرقمية تكون محتواة داخل مغلفات دوائر متكاملة؛ فدوائر التكامل ذي النطاق الصغير ( small scale integration ) أو اختصاراً ( SSI ) تحتـــوي على عدة بوابات ( gates ) أو قلابات ( flip - flops ) في مغلفة واحـدة، أما نبائط التكامـل ذي النطـاق المتوسـط ( medium scale integration ) أو ( MSI ) فتتيح وظــائف رقمية معيّنة.. بينما تضــم نبائط التكامل واسع النطاق ( large scale integration ) أو ( LSI ) وحــدات قياسية حاسوبية ( computer modules ) كاملة. من المهم أن يكون مصمم الدوائر الرقمية ملماً بالمكونات الرقمية المتنوعة الموجودة في شكل دائرة متكاملة، ولذلك فإن هذا الكتاب يقدم مكونات MSI و LSI المستخدمة بكثرة مع شروح لخواصها المنطقية. استخدام الدوائر المتكاملة في تصميم الدوائر الرقمية موضح بأمثلة في الكتاب وفي المسائل الواردة في نهاية كل فصل وفي مجموعة من 15 تجربة مختبرية مقترحة.
يضم الكتــــاب 11 فصلاً، الفصـــــول من الأول إلى الخـــامس تتنــــاول الــدوائـــر التــوافقية ( combinational circuits)، أما الفصلين السادس والســابع فيغطيان الدوائــر التتابعية المتزامنة ( synchronous sequential circuits). هذه الفصول السبعة والفصل العاشر، الذي يتناول الدوائر المتكامـلة الرقـمية، مأخــوذة من كتـــــــاب المـــؤلف (( المنطق الرقمــي وتصــميم الحـاسوب)) ( Digital Logic & Computer Design) الذي نشرته دار ( Prentice - Hall ) في عام 1979. أما الفصول الثامن والتاسع والحادي عشر فهي تتناول – على الترتيب – (( آلات الحالة الخوارزمية)) ( algorithmic state machines )، أو ( ASM )، والدوائر التتابعية غير المتزامنة وتجارب مختبرية بدوائر متكاملة. تقدم الفصول الإحدى عشر معاً مجموعة مترابطة من الموضوعات المناسبة لمنهج دراسي أو في مجال التصميم الرقمي.
يعرض الفصل الأول مختلف النظم الثنائية التي تناسب تمثيل المعلومات في النظم الرقمية. أما الفصل الثاني فيقدم الجبر البوولي ( Boolean algebra ) مع مختلف البوابات المنطقية المستخدمة في بناء الدوائر الرقمية. يستعرض الفصل الثالث أساليب تبسيط الدوائر الرقمية باستخدام الخرائط والجداول.. كما يقدم طريقة منظمة لتنفيذ الدوال البوولية بمنطق نفي (( و)) ( NAND ) ومنطـق نفي (( أو )) ( NOR ). هذه الفصول الثلاثة الأولى توفر الخلفية الأساسية اللازمة لفهم بقية الكتاب.
يستعرض الفصل الرابع طريقة منهجية لتحليل وتصميم الدوائر التوافقية. يتناول الفصل الخامس مكونات دوائر MSI و LSI التوافيقية؛ فيشرح النبائط المستخدمة بكثرة، مثل الجـامعات ( adders ) والمقــارنات ( comparators ) ومفككـــات الشفرة ( decoders ) ومجمعـــات الإشـارة ( multiplexers) ويبين، بالأمثلة استعمالها في تصميم الدوار الرقمية. يقدم هذا الفصل أيضاً ذاكرة القـراءة فقـط ( ROM) ومنظـومة المنطق القـــابلة لبرمجة ( programable logic array ) أو ( PLA ) ويشرح فائدتهما في تصميم الدوائر التوافيقية المعقدة. يستعرض الفصل السادس طرقاً منهجية متنوعة لتحليل وتصميم الدوائر التتابعية المزامنة بالساعة. يقدم الفصل السابع مكونان MSI تتابعية متنوعة كالمسجلات والعــــــدادات ومسجــــلات الإزاحـــة ودائـرة الــوصول العشوائي (RAM).
يقدم الفصل الثامن أسلوب (( آلات الحالة الخوارزمية)) المستخدم في التصميم الرقمي. خارطة آلات الحالة الخوارزمية عبارة عن خارطة خاصة لسير العمليات ( flowchart ) تناسب وصف العمليات التي تتم على التوالي وعلى التوازي كليهما في المعدات الرقمية. يضم الفصل عدداً من أمثلة التصميم لشرح تطبيق خارطة آلات الحالة الخوارزمية في تصميم منطق التحكم الخاص بالنظم الرقمية. يقدم الفصل التاسع طرقاً تبين كيف يمكن تنفيذ دائرة تتابعية غير متزامنة كدائرة توافيقية ذات تغذية مرتدة ( feedback ) أو كدائرة تستخدم سقاطات SR. يتناول الفصل العاشر إلكترونيات الدوائر الرقمية ويقدم أشهر عائلات المنطق الرقمي التي تستخدم الدوائر المتكاملة ( IC digital logic families ). يتطلب هذا الفصل شيئاً من المعرفة بالإلكترونيات الأساسية ولكن ليس هنالك شرط مسبق معيّن لفهم باقي الكتاب.
يبين الفصل الحادي عشر بإيجاز خمس عشرة تجربة يمكن إجراؤها في المختبر باستعمال معدات متوفرة بأسعار زهيدة. تستخدم هذه التجــارب دوائر متكاملة قياسية من نوع منطق ترانزيستور – ترانزيسـتور ( TTL )، ولتوضيح عمل الدوائر المتكاملة يُطلب الرجوع إلى مخططات ( diagrams) في الفصول السابقة حيث وردت لأول مرة مكونات مشابهة. كل تجربة من هذه التجارب معروضة بطريقة غير منهجية، بدلاً من طريقة خطوة فخطوة، وذلك توقعاً لقيام الطالب بعمل تفاصيل مخطط الدائرة ووضع طريقة ما لمراقبة تشغيل الدائرة في المختبر.
يضم كل فصل مجموعة من المسائل وقائمة بالمراجع. يحتوي الملحق على حلول لمسائل مختارة بقصـد مساعدة الطالب والقارئ المستقل، وهنالك مرشد خاص بالحلول متاح للمدرسين من قِبل الناشر.
Logic families العائلات المنطقية
تنقسم الدارات الرقمية إلى عائلات . كل عائلة فيها تختلف عن الأخرى من حيث تركيبها وجهود الدخل المناسبة لها والتى تمثل المستويان المنطقيان) وسرعة أدائها ومقدار القدرة التى يمكن أن تدعمها فى خرجها والقدرة التى تستهلكها.
الخصائص التى تتميز بها البوابات المنطقية
وكل العناصر فى العائلة الواحدة تكون متوافقة مع بعضها البعض (أى يمكن ربطهم سويا فى دارات مشتركة بتغذية واحدة ومستويات دخل واحدة) . أما العناصر التى تنتمى إلى عائلات مختلفة فتعتبر بصورة عامة غير متوافقة ويلزم إضافة بعض الدارات لضبط توافقها مع بعضها البعض.
وأكبر العائلات المنطقية تحتوى على 250 دارة متكاملة مختلفة وأصغرها تحتوى على 50 دارة متكاملة مختلفة.
وسنستعرض فى موضوعنا الحالى أشهر ستة عائلات منطقية وهى :
1- عائلة منطق مقاومة-ترانزستور RTL
2- عائلة منطق دايود-ترانزستور DTL
3- عائلة منطق العتبة العليا HTL - High Threshold Logic
4- عائلة منطق الترانزستور-ترانزستور TTL- Transistor Transistor Logic
5- عائلة منطق ربط الباعث ECL - Emitter Coupled Transistor
6- عائلة منطق ال CMOS
ولا توجد عائلة تحتوى على كل المميزات حيث لا يمكننا أن نقول أن هذه العائلة أو تلك هى الأفضل فكل عائلة تكون أفضل فى بعض الخصائص وأسوء فى خصائص أخرى . ويلاحظ أنه بتحسين أحد الخواص تسوء خاصية أخرى . فإذا حسنا السرعة فسنزيد من إستهلاك الدارة للقدرة . لذا فإن على المصنعين الموازنة بين الخصائص المختلفة بحسب التطبيق المطروح لاستخدام تلك الدارات .أولا : عائلة منطق مقاومة- ترانزستور RTL :
==============================
وهى أول عائلة تم أختراعها لتكون قياسية فى خطوط الإنتاج . ولكنها نادرا ما تستخدم الآن فى التصاميم الحديثة .
والبوابة الرئيسية فى هذه العائلة هى بوابة NOR (أنظر الشكل التالى) . وتضمن هذه العائلة زمن تأخير أقل من 12 نانوثانية وهى أقتصادية فى إهدار القدرة حيث تصل القدرة المهدرة فى البوابة الواحدة إلى 10 مللى واط فى البوابة الواحدة.
ومن أحد مشاكل هذه العائلة أن فرق الجهد بين الحالتين المنطقيتين صغير مما يجعلها عرضة للتأثير الضار للضوضاء .



ثانيا : عائلة منطق دايود-ترانزستور DTL :
============================
تعتبر أيضا واحدة من أقدم العائلات ولكنها لم تشتهر مثل ال RTL وهى متوافقة مع عائلة TTL لذا يمكن أستخدامهما فى نفس الدارة دون مشاكل .
والدارة التالية تمثل بوابة NAND فى هذه العائلة .
ثالثا : عائلة منطق العتبة العليا HTL - High Threshold Logic :
==============================================
من أهم مميزاتها مقاومتها للضوضاء ( الفرق بين الحالتين المنطقيتين يصل إلى 15 فولت) لذا فهى تستخدم فى البيئات الصناعية حيث تصدر الألات الكهربية ضوضاء ذات جهود كبيرة ولكن زمن التأخير لها أبطأ من أى عائلة أخرى (150 نانو ثانية لليوابة)



رابعا: عائلة منطق الترانزستور-ترانزستور TTL- Transistor Transistor Logic
وهى العائلة الأكثر إستخداما و تتضمن عائلات فرعية هى :
- العائلة القياسية Standered TTL
- العائلة المنخفضة القدرة Low power TTL
- العائلة عالية السرعة High speed TTL
- عائلة Shottky clamped TTL
- عائلة الشوتكى مخفضة القدرة Low power Shottky
1- العائلة القياسية Standered TTL :
الشكل التالى يوضح دارة بوابة NAND منفذة بتقنية عائلة TTL القياسية
- لمن أراد الشرح بالتفصيل فاليحاول فهمها بنفسه أولا ثم يطرح علينا أفكاره قبل طلب الشرح المفصل -
- تعمل الدارة بتغذية مصدر قدرة +5 فولت
- هذه الدارة لها زمن تأخير 10 نانو ثانية
- الفقد فى القدرة للبوابة = 10 مللى واط
- أقصى تردد للعمل هو 35 ميجا هرتز.


2- العائلة منخفضة القدرة Low power TTL :

ودارة نفس البوابة (NAND) فى هذه العائلة (المنخفضة القدرة) مشابهة لمثيلتها فى العائلة السابقة (العائلة القياسية) ولكنها مختلفة فى عدم وجود الثنائى CR1 كما أن قيم المقاومات بها مختلفة وهى كالتالى :
R1=40K
R2=20K
R3=12K
R4=500
ويكون ناتجا من هذا الإختلاف أن التيار المار أقل وفقد القدرة أقل.
وهذه العائلة الفرعية لها زمن تأخير 33 نانوثانية
والفقد فى القدرة للبوابة هو 1 مللى واط
وأقصى تردد هو 3 ميجا هرتز

3- العائلة العالية السرعة High Speed TTL:
==============================
وتم بناء هذه العائلة بإضافة زوج دارلينجتون Darlington - Q3/Q4 وتقليل قيم المقاومات مما يسرع الإنتقال من حالة منطقية إلى أخرى.
وفى هذه العائلة الفرعية لها زمن تأخير = 6 نانوثانية وقدرة مفقودة بمقدار 22 مللى واط فى البوابة الواحدة وأقصى تردد يمكن العمل عليه هو 50 ميجا هرتز.
4- عائلة الربط بالشوتكى SCHOTTKY-Clamped TTL :
وهى أخر العائلات الفرعية (تحت الTTL) ظهورا وهى أسرع من أى عائلة TTL أخرى وتختلف هذه العائلة الفرعية عن أى عائلة أخرى فى الTTL فى أنها تستخدم ترانزستور معدل حيث توصل قاعدة الترانزستور بمجمعه عن طريق موحد شوتكى (كما هو موضح بالشكل) ويعمل الدايود على تحويل تيار القاعدة عندما يكون الترانزستور فى حالة غلق ON وذلك حتى يمنعه من تخزين الشحنات التى تبطىء من سرعته عندما يتحول من الحالة ON إلى الحالة OFF . وهذا يسرع الأداء العام للدارة مما يعطي للبوابة زمن انتقال يساوى 3 نانوثانية ومعدل إستهلاك للقدرة = 19 مللى واط وأقصى تردد يمكن العمل عليه هو 125 ميجا هرتز.

خامسا : عائلة منطق ربط الباعث ECL - Emitter Coupled Transistor
وهى أعلى العائلات المنطقية سرعة وتضم أربعة فئات (مسماه بزمن النقل لها) :
1- فئة 8 نانو ثانية - وتعمل على ترددات 30 ميجا هرتز
2- فئة 4 نانو ثانية - وتعمل على ترددات 75 ميجا هرتز
3- فئة 2 نانو ثانية - وتعمل على ترددات 125 ميجا هرتز
4- فئة 1 نانو ثانية - وتعمل على ترددات 400 ميجا هرتز
وتعتبر أحسنها هى الفئة 2 نانو ثانية لأنها تجمع بين السرعة فى الأداء والمحافظة على القدرة.
والدارة التالية من تلك العائلة تستطيع العمل كأحد البوابتين NOR أو OR
وفى هذه الدارة يمثل المستويان المنطقيان 1 و 0 بالجهود -0.5 فولت و -1.7 فولت
ورغم أن هذه العائلة هى أسرع العائلات (تستخدم فى الحاسبات الكبيرة و نظم الإتصالات) إلا أنها تستهلك القدرة أكثر من عائلة ال TTL . وفى بعض الأحيان تسبب سرعتها تلك الكثير من المشاكل ومنها الإنبعاثات والتداخلات الغير مرغوب فيها . كما أنها لا تناسب النظم الرقمية البطيئة.

سادسا : عائلة منطق ال CMOS :
كيف يعمل ترانزستور التأثير المجالى والمصنوع من أشباه الموصلات والأكسيد والمعدن
ولاحظ أن عائلة الCMOS تختلف عن عائلات الbipolar فى :
1- إستهلاكها القليل للقدرة :
تستهلك فقط 0.01 مللى واط (فى حالة الثبات على حالة منطقية) و ترتفع إلى 10 مللى واط (أثناء التغير من حالة لأخرى فى الترددات العالية من 5 ميجا هرتز إلى 10 ميجا هرتز). لذلك فهى تستخدم بكثرة فى الأجهزة التى تعمل على بطاريات مما يطيل من عمر البطارية كما تستخدم فى دارات الأقمار الصناعية.
2- إمكان إستعمال جهد متغير لمنبع التغذية
يمكن أن تغذى بجهود تتراوح من 3 إلى 18 فولت دون أن يؤثر ذلك على عملها . (ولكن كلما زاد جهد منبع التغذية زادت سرعة البوابة).
3- مقاومتها للضوضاء.