مقدمه ای بر سیگنال های دیجیتال و گیت های منطقی

الکترونیک دیجیتال ستون فقرات سیستم های محاسباتی، مخابراتی و اتوماسیون مدرن را تشکیل می دهد. الکترونیک دیجیتال در هسته خود با سیگنال ها و مدارهایی سر و کار دارد که با استفاده از مقادیر گسسته و باینری (0 و 1) برای نمایش اطلاعات عمل می کنند. در این مقاله، معنای دیجیتال در زمینه الکترونیک را بررسی خواهیم کرد و برخی از اجزای اساسی که به نام گیت های منطقی شناخته می شوند را معرفی خواهیم کرد.

دیجیتال چیست؟

در قلمرو الکترونیک، اصطلاح «دیجیتال» به نمایش و تغییر اطلاعات با استفاده از مقادیر گسسته و کوانتیزه اشاره دارد. برخلاف سیگنال‌های آنالوگ که به‌طور پیوسته در محدوده‌ای از مقادیر تغییر می‌کنند، سیگنال‌های دیجیتال با سطوح یا حالت‌های گسسته مشخص می‌شوند که معمولاً با ارقام دودویی (بیت‌ها) نشان داده می‌شوند: صفر و یک . به عبارتی یک سیگنال دیجیتال یا یک است و یا صفر

ویژگی های سیگنال های دیجیتال:

سطوح گسسته:

سیگنال های دیجیتال دارای سطوح یا حالت های گسسته هستند، مانند بالا (1) و پایین (0)، روشن (1) و خاموش (0)، یا درست (1) و نادرست (0).

ایمنی در برابر نویز:

سیگنال های دیجیتال در مقایسه با سیگنال های آنالوگ کمتر در معرض نویز و تداخل هستند، زیرا فقط باید بین دو سطح گسسته تمایز قائل شوند.

سهولت پردازش:

سیگنال های دیجیتال را می توان به راحتی با استفاده از مدارها و الگوریتم های منطقی دیجیتال پردازش، تغییر و انتقال داد و عملیات و محاسبات پیچیده را ممکن می سازد.

مقدمه ای بر Logic Gates:

گیت های منطقی پایه و بنیان اساسی در مدارهای دیجیتال هستند که وظیفه اجرای عملیات منطقی روی سیگنال های دیجیتال ورودی را برای تولید سیگنال های خروجی بر اساس قوانین از پیش تعریف شده دارند. انواع مختلفی از گیت های منطقی وجود دارد که هر کدام عملکرد و جدول حقیقی منحصر به فرد خود را دارند. برخی از گیت های منطقی رایج عبارتند از:

گیت BUFFER :
بافر  نوعی گیت منطقی دیجیتال است که برای تقویت و جداسازی سیگنال های دیجیتال عمل می کند. برخلاف گیت های منطقی دیگر مانند AND، OR و NOT که عملیات منطقی خاصی را روی سیگنال های ورودی انجام می دهند، یک بافر به سادگی سیگنال ورودی را بدون هیچ تغییری به خروجی می دهد.

گیت AND:

AND تنها زمانی خروجی بالایی (1) تولید می کند که همه ورودی های آن بالا (1) باشند.

گیت OR:

OR خروجی بالایی (1) تولید می کند که هر یک از ورودی های آن بالا (1) باشد.

گیت NOT (اینورتر):

NOT یک خروجی معکوس تولید می کند، که در آن خروجی یک است (1) اگر ورودی صفر باشد (0) و بالعکس.

گیت NAND:

NAND خروجی صفر (0) را تنها زمانی تولید می کند که همه ورودی های آن یگ (1) باشند و به عنوان معکوس گیت AND عمل می کند.

گیت NOR:

NOR در صورتی که هر یک از ورودی های آن یک (1) باشد خروجی صفر (0) تولید می کند که به عنوان معکوس گیت OR عمل می کند.

گیت XOR (Exclusive OR):

XOR در صورتی که ورودی های آن متفاوت باشد خروجی یک (1) و اگر ورودی های آن یکسان باشد خروجی صفر (0) تولید می کند.

گیت XNOR:
گیت XNOR، مخفف «NOR انحصاری»، یک گیت منطقی دیجیتال است که تنها زمانی خروجی یک (1) تولید می کند که هر دو ورودی آن یکسان باشند (هر دو یک یا هر دو صفر). به عبارتی دیگر، این گیت مکمل منطقی  XOR (Exclusive OR) را انجام می دهد.

کاربردهای عملی گیت های منطقی:

گیت های منطقی کاربرد گسترده ای در مدارها و سیستم های دیجیتال پیدا می کنند، از جمله:

رایانه ها و ریزپردازنده ها:

گیت های منطقی را اساس و پایه اصلی ساختار  CPU های کامپیوترها ،  میکروکنترلرها و مدارهای منطقی دیجیتال در رایانه ها هستند که عملکردهای حسابی، منطقی و کنترلی را انجام می دهند.

پردازش سیگنال دیجیتال:

گیت های منطقی در برنامه های پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) برای فیلتر کردن، مدولاسیون، دمدولاسیون و سایر کارهای دستکاری سیگنال استفاده می شوند.

سیستم های ارتباطی:

گیت های منطقی در سیستم های ارتباطی برای فرآیندهای رمزگذاری، رمزگشایی و تصحیح خطا در انتقال داده ها استفاده می شوند.

سیستم‌های کنترل:

گیت‌های منطقی نقش مهمی در سیستم‌های کنترل دارند، جایی که مکانیسم‌های تصمیم‌گیری و بازخورد را برای تنظیم فرآیندها و دستگاه‌ها اجرا می‌کنند.

الکترونیک دیجیتال با امکان پردازش، ذخیره سازی و انتقال اطلاعات به شکل دودویی، جهان را متحول کرد. با درک اصول سیگنال های دیجیتال و گیت های منطقی، مهندسان و علاقه مندان می توانند سیستم های دیجیتال پیچیده ای را طراحی و بسازند که قادر به انجام طیف گسترده ای از عملکردها با دقت و قابلیت اطمینان هستند. الکترونیک دیجیتال را میتوان  پایه و اساس فناوری و نوآوری مدرن در جهان امروزی ارزیابی کرد و نامید .