تحلیل و بررسی مدارهای منطقی بخش اول: معرفی

مدارهای منطقی یکی از اجزای بسیار مهم در طراحی سیستم های دیجیتال به شمار می روند. به عبارت دیگر این مدارها اساس و پایه میکروکنترلرها را تشکیل می دهند. در کنار این، در بسیاری از پروژه ها، اطلاع از نحوه کار مدار منطقی و سیستم های دیجیتال بسیار ضروری خواهد بود. در سلسله آموزش های مدار های منطقی، به تشریح و بررسی نحوه عملکرد سیستم های دیجیتال می پردازیم. در کنار این، به صورت قسمت به قسمت به آی سی های دیجیتال پرداخته و نقش آن ها در مدارات دیجیتال و عملکرد آن ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد. در ادامه با مرجع تخصصی الکترونیک به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.

مدار منطقی تعریف و کاربرد

مدار منطقی اساس کاری سیستم های دیجیتال را تشکیل می دهند. پیش از ادامه موضوع، ابتدا کمی در رابطه با مفهوم مدارهای دیجیتال صحبت می کنیم. در یک مدار دیجیتال، ورودی ها و خروجی بر مبنای صفر و یک تعریف می شوند.  به عبارت دیگر، تنها سیگنال هایی که صفر و یک هستند، قابلیت پردازش و ورود به سیستم را دارند.

در مدارهای منطقی، مهم ترین اصل، بحث ولتاژ است. در این مدارها، سیگنال ۵ ولت به عنوان یک منطقی و سیگنال ۰ به عنوان صفر منطقی در نظر گرفته می شود. البته در سیستم های دیگر این ولتاژ ها تغییر پیدا می کند؛ اما در اینجا برای سادگی ۰ ولت به عنوان ۰ منطقی و ۵ ولت به عنوان ۵ منطقی در نظر می گیریم. توجه داشته باشید که هر ولتاژی که بین ۰ و ۵ داشته باشیم، به عنوان سیگنال غیر معتبر در نظر می گیریم. در ادامه این موضوع، به بحث ارتباط سیگنال ۰ و ۱ با ولتاژ می پردازیم. جهت روشن شدن این موضوع، قسمت بعدی را مطالعه نمایید.

ارتباط سیگنال های ۰ و ۱ با ولتاژ

در قسمت قبل دیدیم که سیگنال های منطقی، ارتباط مستقیمی با ولتاژ دارند. به طوریکه سیگنال ۵ ولت یک منطقی و سیگنال ۰ ولت، صفر منطقی می سازد. برای روشن تر شدن موضوع، مدار ساده زیر را در نظر بگیرید.

در مدار فوق، با بستن کلید، جریان الکتریکی جاری شده و لامپ روشن می شود. به طور مشابه، زمانیکه کلید را باز کنیم، لامپ خاموش می شود. در اینجا می توانیم روشن شدن لامپ را سیگنال یک منطقی و خاموش شدن آن را سیگنال صفر منطقی در نظر بگیریم. نکته مهم اینکه در سیستم های میکروکنترلری و دیجیتال، ورودی و خروجی دقیقا به همین نحو تعریف می شوند. سیگنال های ۵ ولت به عنوان یک منطقی(لامپ روشن) و سیگنال های صفر ولت به عنوان صفر منطقی(۰ ولت) تعریف می شوند. به همین ترتیب، دامنه ای از ۰ و ۱ ها( ۰ ولت و ۵ ولت) می توانند داده ها را بسازند. این موضوع را در قسمت بعدی مشاهده می کنیم.

ارتباط ۰ و ۱ با داده ها

در قسمت های قبل دیدیم که ۰ و ۱، یکی از مباحث فوق العاده مهم در سیستم های دیجیتال است. در این قسمت به ارتباط بین ۰ و ۱ ها و داده ها می پردازیم. برای روشن تر شدن موضوع، فرض کنید که می خواهیم بر روی کیبورد کاراکتر A را تایپ کنیم. در اینجا با فشردن دکمه A، این کاراکتر به پردازنده جهت پردازش و تشخیص ارسال می شود. هر کاراکتر، دارای کد مخصوص به خود است. این کد تحت عنوان کد ASCII شناخته می شود. به عبارت دیگر، هر کاراکتری که روی کیبورد مشاهده می کنید، از حروف علائم و حتی عددها، دارای کد مخصوص به خود هستند. کد کاراکتر A نیز برابر با عدد ۴۱ است. از طرفی، همانطور که پیشتر گفتیم، در سیستم های دیجیتال تنها با ۰ و ۱ کار داریم. بنابراین معادل باینری کاراکتر A برابر با ۱۰۱۰۱۰  است. بدین ترتیب، زمانیکه شما عبارت A را روی کیبورد فشار می دهید، کیبورد کد باینری ۱۰۱۰۱۰ را به صورت پشت سر هم به CPU ارسال می کند. در این جا ارقام از سمت چپ به راست به ترتیب به CPU ارسال می شوند. بدین ترتیب CPU با دریافت این ۰ و ۱ ها، کاراکتر A را تشخیص می دهد. البته در نظر داشته باشید که تغییرات ولتاژ، یعنی  پنج ولت به ازای یک منطقی و صفر ولت به ازای صفر منطقی، این کاراکتر را می سازد.

تا اینجا در رابطه با سیگنال های ۰ و ۱ و ارتباط آن ولتاژ و ساخت داده صحبت کردیم. در قسمت های بعدی به روابط ریاضی حاکم بر مدارهای منطقی و مفاهیم پایه آن خواهیم پرداخت. برای تمرین و تسلط، مطالعه اعداد باینری معادل مقدار دهدهی آن و سیستم اعداد باینری، پیشنهاد می شود. چراکه در این سلسله آموزش ها قصد داریم تا عمق خاک باینری!!!!!!!!!!!، پیش رویم.

جمع بندی

در این آموزش به تعریف مفاهیم پایه مدار منطقی پرداختیم. مدارهای منطقی و گیت های دیجیتال از مفاهیم اساسی در طراحی سیستم های دیجیتال به شمار می روند. در سلسله آموزشی قصد داریم تا به تشریح مدارهای منطقی، مفاهیم، گیت ها و آی سی های آن ها بپردازیم. در این آموزش که آموزش نخست از این سلسله آموزش است، به تعریف مفاهیم پایه های، منطق باینری و ارتباط آن با ولتاژ پرداختیم. در بخش بعدی به روابط ریاضی و قوانین حاکم بر جبر منطقی(جبر بول) و گیت های منطقی خواهیم پرداخت.

چنانچه مطالب این آموزش را گنک یافتید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در مطالب درج شده وجود دارد می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.