ما هو التصميم الرقمي، التصميم الرقمي Digital Design هو علم يختص بالدوائر الإلكترونية وتستخدم هذه الدوائر في تصميم النظم في كثير من الأجهزة مثل الحاسب الرقمي Digital Computers والألآت الحاسبة الإلكترونية Electronic Calculators وأيضا تستخدم في معدات الإتصال الرقمية وغيرهم من التطبيقات الكثيرة.

ماهو التصميم الرقمي

المكونات المستخدمة في الدوائر الإلكترونية

كما ذكرنا فإن أغلب الأجهزة تتعامل مع الإشارات الرقمية. يتم إستخدام كثير من المكونات الكهربائية والإلكترونية في الدوائر الإلكترونية مثل المقاومات Resistors و المكثفات Capacitors وغيرهم من المكونات الاخرى.

1- المقاومات الكهربائية Resistors

تتواجد المقاومات الكهربائية فى أشكال متعددة منها المقاومات الثابتة القيمة والمتغيرة القيمة. توجد المقاومات الثابتة فى أحجام كثيرة على حسب القدرة الكهربائية لكل مقاومة. يقصد بالقدرة الكهربائية أنها حاصل ضرب التيار المار فى المقاومة فى فرق الجهد الموجود على المقاومة. تقاس المقاومة الكهربائية بوحدة الأوم.

المقاومة هي خاصية فيزيائية تعمل على إعاقة مرور الشحنات الكهربائية من خلالها. وتحدث المقاومة عندما تصطدم الإلكترونات المتحركة في المادة بالذرات. ينتج نتيجة لذلك طاقة على شكل حرارة ( نتيجة لتغير الطاقة الكهربائية الى طاقة حرارية ).

ماهو التصميم الرقمي

قانون المقاومة الكهربائية

المقاومة = فرق الجهد / التيار الكهربائي
R = U / I

Ohm = Volt / Ampere
الأوم = الفولت / الأمبير

2- المكثفات Capacitors

توجد المكثفات الكهربائية فى الكثير من الأشكال ومنها الثابت القيمة والمتغير ويتم تصنيفها بطرق عديدة، فهي إما أن تصنف على حسب فرق الجهد الذى يمكن أن تتحمله، أو على حسب طريقة التصنيع.

المكثف من العناصر الإلكترونية التي يتم إستخدامها في الدوائر الكهربائية والإلكترونية. ووظيفة المكثف هي التحكم في تدفق الشحنات الكهربائية في الدائرة الإلكترونية.

سبب تسمية المكثف بهذا الإسم أنه يقوم بتكثيف والإحتفاظ بالشحنات داخله مثل البطارية اللحظية.

ماهو التصميم الرقمي

مكونات المكثف

• سطحين موصلين
• عازل

العوامل الأساسية التي تؤثر على سعة المكثف :

• حجم المساحة السطحية لألواح المكثف

• المسافة بين اللوحين

• الوسط العازل

3- الدوائر التكاملية Integrated Circuits, ICs

الشرائح الإلكترونية تستخدم في أغلب الدوائر الإلكترونية وذلك لأنها تمتاز بأنها صغيرة الحجم ورخيصة الثمن ويمكن الإعتماد عليها فى الكثير من الظروف وأيضا من مميزات معظم هذه الشرائح أنها تستهلك القليل من القدرة الكهربائية.

ماهو التصميم الرقمي

قد يهمك : لأي مهندس شبكات 7 نصائح لايمكن تجاهلها

أنواع الشرائح الإلكترونية:-

• الشرائح ذات الأطراف النافذة أو الخارمة.
• الشرائح السطحية أو غير النافذة.
• الشرائح ذات الأرجل السلكية Plastic Leaded Chip Carrier PLCC.

ماهو التصميم الرقمي

الإشارات التناظرية والإشارات الرقمية

توجد الإشارات الكهربائية فى واحدة من صورتين، إما الصورة التناظرية كما يطلق عليها أحيانا( أو الصورة الرقمية). الإشارة التناظرية هى الإشارة التي تتغير قيمتها بصورة إنسيابية من قيمة إلى قيمة مارة بجميع القيم الممكنة بين القيمتين لذلك تسمى الإشارات التناظرية بالإشارات الإنسيابية. كمثال على ذلك درجة حرارة الجو التي تتغير قيمتها بين قيمة صغرى 20 درجة مثلا وقيمة كبرى 35 درجة مثلا. عندما تتغير  درجة الحرارة من 20 إلى 35 درجة فإنها تمر بجميع القيم الممكنة بين هاتين القيمتين.

عند أخذ درجة الحرارة عند فترات زمنية متساوية ومحددة، كل نصف ساعة مثلا. كما أننا سنقرأ درجة الحرارة عند كل زمن فى صورة رقم صحيح وخانة عشرية واحدة فقط.

التصميم الرقمي يتعامل مع الإشارات الرقمية وهي إشارات متقطعة مع الزمن Discrete ذات قيم محددة ولا يمكن تجاوز هذه القيم فمثلاً في النظام الثنائي تمثل فقط من خلال الرمزين 0 و 1 عند أي لحظة زمنية.

الفرق الأساسى بين الإشارات التناظرية والإشارات الرقمية هو مدى تأثر كل منهما للتشويش Noise فالتشويش يؤثر أكثر على الإشارات التناظرية ويصعب فصله عن الإشارة مما يؤدي الي تشوه الإشارة عكس الإشارات الرقمية فإنها تمتاز بقوتها وجودتها العالية حيث أن نسبة التشويش فيها صغيرة ومن أمثلتها: التلفزيون الرقمي, إاتصالات الأقمار الصناعية, معلومات الكمبيوتر.

الأجهزة المستخدمة لإختبار الدوائر الرقمية

• مبين الذبذبات ( الأوسيولوسكوب ) Oscilloscope
• المحلل المنطقي Logic analyzer
• المبين المنطقي Logic Probe
• حاقن النبضات pulse injector
• جهاز القياس متعدد الأغراض Multimeter
• مولد ذبذبات Function generator
• مصدر قدرة Power supply

أنظمة العد

1- النظام العشري Decimal system

فى النظام العشرى نستخدم عشرة أرقام من صفر حتى تسعة للتعبير عن
الكميات من صفر حتى تسعة. عندما نعبر عن كميات أكبر من التسعة نستخدم عددا مركبا من نفس
الأرقام من صفر حتى تسعة ولكن فى هذه الحالة فإن موضع الرقم داخل العدد يكون له وزنا معينا.

مثال

 51=5 x10+1×1

2- نظام العد الثنائي Binary system

فى النظام الثنائى يوجد رقمان فقط وهما الصفر 0 والواحد 1. معنى ذلك
أن أي كمية أكبر من الواحد سنعبر عنها بعدد مركب من الأصفار
والوحايد ولكن موضع كل صفر أو واحد سيكون له قيمة معينة هنا.

يوجدإمكانية التحويل من النظام الثنائي إلى النظام العشري والعكس.

3- نظام العد الثماني Octal system

يتكون النظام من ثماني أرقام هي 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

أى رقم أكبر من 7 يكتب فى أكثر من خانة كما يلى:
6, 7, 10, 11, 12, … , 15, 16, 17, 20, 21, … , 25, 26, 27, 30, 31 , …

يوجد أيضا إمكانية التحويل من النظام الثماني إلى النظام العشري والعكس من النظام العشري إلى النظام الثماني. وأيضا التحويل من النظام الثماني إلى النظام الثنائي والعكس التحويل من النظام الثنائي إلى النظام الثماني.

4- نظام العد الست عشري Hexadecimal system

فى النظام الست عشري يوجد 16 رقما وهى كالتالى:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F
فى هذا النظام نجد أن أشكال الأرقام حتى 9 نفدت، لذلك تم
استخدام باقى الأشكال الستة عشرة فى صورة حروف وهى
يبدأ استخدام F بعد الرقم .F و E و D و C و B و A الحروف
خانات إضافية لتمثيل الأعداد حيث كل خانة يكون لها وزن وهذا
الوزن هو قوى العدد 16.

5- الأرقام العشرية المكودة ثنائيا Binary coded Decimal (BCD)Numbers

الأرقام العشرية المكودة ثنائياً هى طريقة لتمثيل الأرقام العشرية من صفر حتى تسعة فى صورة أكواد ثنائية. لكي يتم ذلك فإننا سنحتاج لأربعة بتات حتى يمكن تمثيل هذه الأرقام.

يمكن التحويل من النظام العشري إلى النظام العشري المكود والعكس.

البوابات المنطقية logic Gates and Its Chips

البوابات المنطقية تعتبر أحجار البناء لأي نظام رقمى.

أنواع البوابات المنطقية الأساسية

• بوابة النفي NOT gate
• بوابة الآند AND gate
• بوابة الأور OR gate
• بوابة الناند NAND gate
• بوابةالنور NOR gate
• بوابة الإكس أور XOR gate

1- بوابة النفي NOT gate

بوابة النفى أو العاكس تقوم بعكس الدخل و وضعه على الخرج. لذلك فإنه إذا كان الدخل يساوي واحد فإن الخرج يكون صفرا، وإذا كان الدخل يساوي صفر فالخرج يكون واحد.

2- بوابة الآند AND gate

بوابة الآند واحدة من البوابات الأساسية التي تستخدم فى بناء الكثير من الدوال والأنظمة الرقمية. بوابة الآند يكون لها دخلان أو أكثر وهي تقوم بعملية الضرب المنطقي على هذه المداخل ووضعها على الخرج الوحيد. لذلك فإن خرج هذه البوابة يكون واحد فى حالة واحدة فقط وهي عندما تكون كل المداخل تساوى وحايد، ويكون الخرج صفر فى كل الحالات الأخرى التي يكون فيها أي واحد من المداخل أو كل المداخل تساوي أصفارا.

3- بوابة أور OR gate

بوابة الأور أيضا واحدة من البوابات الأساسية التي تستخدم فى بناء الكثير من الدوال والأنظمة الرقمية. بوابة الأور يكون لها دخلان أو أكثر وهي تقوم بعملية الجمع المنطقي على هذه المداخل ووضعها على الخرج الوحيد. لذلك فإن خرج هذه البوابة يكون صفرا فى حالة واحدة فقط وهى عندما تكون كل المداخل تساوي أصفار، ويكون الخرج واحد فى كل الحالات الأخرى التى يكون فيها أي واحد من المداخل أو كل المداخل تساوي وحايد.

4- البوابة ناند NAND gate

يمكن بناء النظام بالكامل بإستخدام هذه البوابة. يمكن الحصول على كل من بوابات الآند والأور والعاكس بإستخدام بوابة الناند. بوابة الناند يكون لها دخلان أو أكثر وهي تقوم بعملية الضرب المنطقي على هذه المداخل ثم عكسها ووضعها على الخرج الوحيد، اي أنها بوابة آند متبوعة بعاكس.خرج هذه البوابة يكون صفر فى حالة واحدة فقط وهي عندما تكون كل المداخل تساوي وحايد، ويكون الخرج واحد فى كل الحالات الأخرى التى يكون فيها أي واحد من المداخل أو كل المداخل تساوى أصفار.

5- البوابة نور NOR gate

بوابة النور واحدة من البوابات التي تستخدم بكثرة فى بناء
الكثير من الدوال والأنظمة الرقمية. يمكن بناء النظام بالكامل بإستخدام هذه البوابة، ويمكن الحصول على كل من بوابات الآند والأور والعاكس بإستخدام بوابة النور.بوابة النور يكون لها دخلان أو أكثر وهى تقوم بعملية الجمع المنطقي على هذه المداخل ثم عكسها ووضعها على الخرج الوحيد. إن ذلك يعني أنها عبارة عن بوابة أور متبوعة بعاكس. لذلك فإن خرج هذه البوابة يكون واحد فى حالة واحدة فقط وهي عندما تكون كل المداخل تساوي أصفار، ويكون الخرج صفر فى كل الحالات الأخرى التى يكون فيها أي واحد من المداخل أو كل المداخل تساوي وحايد.

7- بواية إكس أور XOR gate

البوابة إكس أور عبارة عن تركيبة من البوابات الأساسية السابقة. هذه البوابة ليس لها إلا دخلان فقط ويكون خرجها واحد إذا كان الدخلان مختلفان، ويكون خرجها صفر إذا كان الدخلان متساويان.

8- البوابة إكس نور XNOR gate

هذه البوابة تعمل بطريقة عكسية للبوابة إكس أور. أي أن الخرج يكون واحد إذا كان الدخلان متساويان ويكون الخرج صفر إذا كان الدخلان مختلفان.

يمكنكم التعرف بالتفاصيل على دوراتنا التدريبية ومحتوى كل كورس ومدته والأسعار والعروض الخاصة وتخفيضات الأسعار على هذا الرابط دورات تدريبية

لا يفوتك : تعلم البرمجة وأهم الأجوبة اللازمة لتتمكن من تعلم البرمجة

إلى هنا انتهى مقالنا عن ماهو التصميم الرقمي نرجو أن نكون قد قدمنا كل ما يفيدكم في مجال تعلمها والاستفادة منها ، ونرجو أن لا تبخلوا علينا بتعليق يضيف للمقال ويفيد باقي القراء.