Electronics The eleventh Lecture

1. إلكترونياتالمحاضرة الحادية عشر Electronics The eleventhLecture الاسبوع الرابعة عشر 12/ 7/ 1435 هـ 13/7/ 1435 هـ أ / سمر السلمي

2. Outline for today • الالكترونيات الرقمية • مقدمة • المنطق الرقمي • الارقام الثنائية والمستويان المنطقيان • عمليات في الاشارات المنطقية و جدول الحقيقة • قوانين المنطق • أنواع البوابات المنطقية • العائلات الرقمية • القلابات

3. الالكترونيات الرقمية • Digital Electronics • مقدمة : • معظم الانظمة الرقمية مثل الحاسبات وأجهزة معالجة البيانات و اجهزة التحكم وأجهزة القياس وغيرها تعامل مع الالكترونات الرقمية والتي تسمي بلغة الحاسوب وما هو معروف في الدوائر الالكترونية وبالأخص الدوائر الالكترونية المتكاملة Integrated circuits (IC) والتي تنقسم الى قسمين دوائر متكاملة تناظرية Analogue, IC ( نتعامل مع اشارات جيبه ) ودوائر متكاملة رقمية Digital , IC (نتعامل مع اشارات رقمية او المنطق الرقمي ) وقبل الدخول الى الدوائر المتكاملة الرقمية سوف نتعرف على المنطق الرقمي والأبواب المنطقية =

4. المنطق الرقمي(Digital logic): • الارقام الثنائية والمستويان المنطقيان (binary numbers & logic levels) • تعمل البوابات المنطقية على السماح بمرور البيانات او عدم مرورها وفي كلتا الحالتين يعطي كجهد خرج لها output وهذه المستويان المنطقيان نعبر عنهما • أما بصفر 0 و واحد 1 • أو منخفض low و مرتفع high • أو صحيح true (T) و خطأ false (F) • أو OFF و ON أو مغلق close ومفتوح open. • وأما في النظام الفيزيائي • في حالة الجهد يكون صفر اذا كان 0 V ويكون 1 اذا كان الجهد اما 5V او 3V ( وفي بعض الحالات اقل من 2.5 V يكون 0 وأكثر يكون 1) • في حالة الاشارات أو الموجات الجيبية تكون قيمته صفر لبعض الترددات وقيمة 1 للترددات الاخري • في حالة التيار تكون 0 اذا كان 4 mAوتكون 1 اذا كانت 20 mA =

5. عمليات في الاشارات المنطقية (Operations on logic signal): • عند افتراض أننا عندنا اشارتين لمدخلين two inputs(A, B) وأنهما يدخلنا الى نوع من الدائرة الإلكترونية ( هنا الدوائر المنطقية) بالتالي يخرج اشارة منطقية اخرى من المخرج output(C) تعتمد على اشارة المدخلين وعلى الدائرة الإلكترونية او المنطقية كما في الشكل: • والبوابات او الدوائر ذات المدخلين أو أكثر ومخرج واحد تسمي بالعمليات الثنائية Binary operations • ولأنها تحتاج الى متغيرين على الاقل وتستطيع أن يكون لها اكثر من مدخل ولكن فقط مخرج واحد • وذلك لا ينطبق على الدائرة او البوابة المنطقية NOT فلها مدخل واحد ومخرج واحد - كما سنري لاحقا -ولذلك تسمي بالعملية الاحادية Unary operation. • جدول الحقيقة (True table): • الجدول الحقيقة هو جدول رياضي يستخدم في المنطق وخاصة الجبر البوولى(Boolean algebra) • والجدول يحتوي على جميع حالات المداخل inputsالمحتملة وحالة المخرج output المقابل لكل احتمال =

6. قوانين المنطق (Logic law): • قوانين المنطق تعتمد على قوانين الجبر البوولى وهي • 1- قانون الانفراد (Uniqueness) • if X≠ 0 then X=1 , if if X≠ 1 then X=0 • 2- عمليات الصفر • X·0 = 0 , X+0 = X • 3- عمليات الواحد • X·1 = X , X+1 = 1 • ومن هذا القوانين نحصل على • 0·0 = 0 , 1·0 = 0 , 0·1 = 0 , 1·1 = 1 • 0+0 = 0 , 1+0 = 1 , 0+1 = 1 , 1+1 = 1 =

7. قوانين المنطق (Logic law): • قوانين المنطق تعتمد على قوانين الجبر البوولى وهي • 4 -قانون التماثل Idempotent law)) • X·X = X , X+X = X • 5- قانون التكملة (Complementation) • 6-قانون النفي المزدوج (Double Negation) • 7- قانون الاختزال (Absorption law) • X + XY = X , X (X + Y) = X • 8- قانون التبديل (Commutative law) • X + Y = Y + X , X . Y = Y . X =

8. قوانين المنطق (Logic law): • قوانين المنطق تعتمد على قوانين الجبر البوولى وهي • 9 -قانون الاقتران (Associative law ) • X + Y + Z = X + (Y + Z) = (X +Y) + Z • X . Y . Z = X . (Y . Z) = (X . Y) .Z • 10- قانون التوزيع (Distributive law) • X (Y + Z) = XY + XZ • (X + Y) (X + Z) = X + YZ • 11-قانون • (سؤال مشاركة اثبات قانون 11 من جدول الحقيقة) • 12- قانون • (سؤال مشاركة اثبات قانون 12 من جدول الحقيقة) • 13- قانون ديمورجان(De Morgan Laws) =

9. أنواع البوابات المنطقية (Logic gates types): • البوابات المنطقية الاساسية • 1- بوابة AND • 2- بوابة OR • 3- بوابة NOT • البواباتالمنطقيةالمشتقة • 1- بوابة NAND • 2- بوابة NOR • 3- بوابة XOR • 4- بوابة XNOR =

10. (AND gate): • بوابة AND وهي تعتمد على دالة AND وتعبر بالعلاقة • وهي كالتالي في حالة اذا كان أي من المتغيرات inputs تساوي صفر يكون output صفر • الحالة الوحيد لـ output يكون 1 عندما يكون جميع المتغيرات في inputs تكون 1 • رمز الدائرة • جدول الحقيقة المخطط الزمني =

11. (OR gate): • بوابة OR وهي تعتمد على دالة OR وتعبر بالعلاقة • وهي كالتالي في حالة اذا كان أي من المتغيرات inputs تساوي 1 يكون output 1 • الحالة الوحيد لـ output يكون 0 عندما يكون جميع المتغيرات في inputs تكون 0 • رمز الدائرة • جدول الحقيقة المخطط الزمني =

13. (NOT gate): • بوابة NOT وتسمي بالعاكسInverter لأنها قيمة المخرج عكس قيمة المدخل وتعبر بالعلاقة • ونلاحظ انها البوابة لها مدخل واحد ومقابلها مخرج واحد بعكس البوابات الاخري اللذين لهم اكثر من مدخل • رمز الدائرة • جدول الحقيقة المخطط الزمني • وهناك بوابة عكس هذه البوابة تسمي بوابة Yes او العازل Buffer وهنا اذا كان المدخل يساوي 1 فان المخرج يساوي 1 ونفس الشيء لصفر • رمز الدائرة =

14. (NANDgate): • وهي مكونة من بوابتين بوابة AND وبوابة NOT بالتالي فأن قيم المخارج تكون عكس قيم المخارج في بوابة AND فالحالة الوحيد للمخرج ان تساوي صفر عندما يكون المدخلين قيمتهم واحد . تعبر بالعلاقة التالية • رمز الدائرة • جدول الحقيقة المخطط الزمني =

15. (NOR gate): • وهي مكونة من بوابتين بوابة OR وبوابة NOT بالتالي فأن قيم المخارج تكون عكس قيم المخارج في بوابة OR فالحالة الوحيد للمخرج ان تساوي واحد عندما يكون المدخلين قيمتهم صفر. تعبر بالعلاقة التالية • رمز الدائرة • جدول الحقيقة المخطط الزمني =

16. (XOR gate): • هي بوابة تعطي ناتجاً في الحالة الصحيحة إذا كان مدخلاها مختلفين، وتعطي ناتجا في الحالة الخاطئة إذا كان المدخلان متشابهين، والرمز الرياضي لها هو دائرة صغيرة بداخلها علامة الزائد • رمز الدائرة • جدول الحقيقة المخطط الزمني =

17. (XNOR gate): • وهي تعمل عكس عمل بوابة XOR، وهي عبارة عن بوابة XOR تليها بوابة NOT • رمز الدائرة • جدول الحقيقة المخطط الزمني =

18. سؤال مشاركة اوجدي الحلول النهائية لبوابات المنطقية في الشكل التالي

19. العائلات الرقمية (Logic families): • تنقسم الدوائر المتكاملة الرقمية IC إلى مجموعة من العائلات تبعا لنوع العناصر المستخدمة في بنائها • 1- عائلة RTL: وهي دائرة منطقية من مقاومة وترانزستور Resistor–transistor logic • 2- عائلة DTL:وهي دائرة منطقية من دايود وترانزستور Diode–transistor logic • 3- عائلة TTL:وهي دائرة منطقية من اثنين من ترانزستور ويستخدم ترانزستورات ثنائية القطبية (BJT)transistor–transistor logic • 4- عائلة ECL:وهي دائرة منطقية من 2 ترانزستور BJT وهنا الباعث مضاعفemitter-coupled logic • 5- عائلة CMOS :وهي دائرة منطقية تستخدم ترانزستورات MOSFET بقناة N وبقناة P في بناء complementary metal–oxide–semiconductor logic • اكثر العائلات استخداما في الوقت الراهن عائلة TTL ثم عائلة CMOS =

20. تابع العائلات الرقمية (Logic families): • عائلة TTL: • وهي دائرة منطقية من اثنين • من ترانزستور ويستخدم • ترانزستورات ثنائية القطبية • تنقسم هذه العائلة الى عدة سلاسل اكثرها انتشارا • السلسلة 54 وتستخدم في الاستخدامات العسكرية والسلسلة 74 • وتستخدم في الاستخدامات العامة وهذه امثال على بعض انواع • سلسلة 74 وأنواع البوابات المنطقية في داخلها =

21. العائلات الرقمية (Logic families): • عائلة CMOS :وهي دائرة منطقية تستخدام ترانزستورات MOSFET بقناة N وبقناة P في بناء complementary metal–oxide–semiconductor logic • وتمتاز هذه الدوائر بمدى كبير لجهد الدخل وباستهلاكها الصغير جدا للطاقة والمدى الحراري الكبير وحيث أن CMOS استهلاكه للطاقة قليل جدا تقريبا أقل بـ 100000 مرة من MOSFET ولذلك يستخدم CMOSفي عدد من تطبيقات المتعمدة على البطاريات مثل الكبيوتر المحمول والساعات الرقمية . • وأيضا تحتها تنقسم عدة سلسلالمثل السلسلة C54 والسلسلة C74 ونلاحظ أن مثل سلسلة 74C تتشابه في سلسلة 74 لعائلة TTL في ترتيب الأرجل وفي وظائف جميع الدوائر المتكاملة لهذه السلسلة. =

22. القلابات(Flip fiops): • تسمى بالعناصر الثنائية الاستقرار ولهذه العناصر حالتان إما عالية 1 أو منخفضة 0 .وتمثل نوعا بسيطا من أنواع الذاكرة فهي تمثل اكثر الدوائر شيوعا في عمليات العد والتخزين. وذلك لان حالة خرجها في أي لحظة يتجدد بحالة اخر إشارة دخل وصلت لها. • أهم القلابات انتشاراً: • 1-قلابR S flip flop • 2- قلابD flip flop • 3- قلابJK flip flop • 4- قلابToggle flip flop =

23. قالب R S flip flop : له خطين دخل هما الخط R (مدخل التحرير Reset) والخط S (مدخل الضبط set) وخطين خرج هما الخرج العادي Q وخرج المتمم او معكوسه. يكون القلاب في حالة ضبط set عندما يكون Q =1 , = 0 يكون القلاب في حالة اعادة ضبط reset عندما يكون Q =0 , = 1 ويمكن بناء قلابRS باستخدام بوابتين NOR(قلابRS) او بوابتين NANAD(قلاب) وهنا هو معكوس مدخل Sو هو معكوس مدخل R =

24. تابع قالب R S flip flop : ويمكن شرح قلابRSووضع الجدول الحقيقة له في البداية في حالة الضبط يكون مدخل S واحد بالتالي يكون Q مساوية واحد ومخرج يساوي صفر ويبقي الوضع في المخارج هكذا الى ان تصبح مدخل S صفر و مدخل R مساوي لواحد أي حالة اعادة ضبط بالتالي تنعكس قيم المخارج .اخيرا هناك حالة تستبعد لان جميع المداخل قيمها واحد =

25. قالب D flip flop : صمم هذا النوع للتغلب على المشكلة التي ظهرت في القلابRSعندكا تكون جميع المداخل مساوية لواحد وبالتالي قيم المخارج غير محدود وبالتالي فان عمل هذا القلاب يجعل كلا من R و S معكوس لأخر بالتالي فقلابD يتكون من قلابRS وبوابتين AND وبوابة NOT وبالتالي له مدخلين D وهو مدخل البيانات dataومدخل نبضات الساعة clock وله مخرجان Q و ومن جدول الحقيقة نلاحظ انه عندما يكون قيمة نبضة الساعة منخفضة واي حالة لمدخل D سواء صفر او واحد فإن المخارج تكون مثل قالب RS ولكن عندما تكون قيمة نبضة الساعة مرتفعة فان إذا كان واحد قيمة مدخل البيانات واحد تكون قيمة مدخل Q واحد والأخر صفر والعكس عندما تكون قيمة مدخل Dهو صفر =

26. قالب JKflip flop : وهو يشبه القلاب السابق D ولكن الفرق وجود ثلاث مدخل J و K بالإضافة الى مدخل clock وعدم وجود بوابة NOT و المخرجان كما هو Qو . ومن جدول الحقيقة نلاحظ انه عندما يكون قيمة نبضة الساعة منخفضة وان المدخلين JKسواء صفر او واحد فإن المخارج تكون مثل قالب RS ولكن عندما تكون قيمة نبضة الساعة مرتفعة فان قيمة Q تكون قيمة مدخل Jو قيمة هي قيمة مدخل K وعندما تكون قيمة JK واحد فان هذه الحالة تسمي Toggle وهي تنصف تردد الموجة =

27. قالب Tflip flop : وهو يشبه القلاب السابق D ولكن الفرق وعدم وجود بوابة NOT و المخرجان كما هو Q و ويشبه قالب JK ولكن هنا فقط مدخلين نبضة الساعة clock ومدخل T (مدخل Toggle) والقلابT هو عبارة عن القلابJK إذا وصل مدخلاه بصورة دائمة على القيمة(1) (أي تكون J=K=T) حيث يعمل القلاب عندها على عكس الحالة السابقة للمخرج (Q). فعندما تكون Q=1)) فإن Qn+1=0).)والعكس صحيح ويكون ذلك مع كل نبضة ساعة. =