Ψηφιακά ηλεκτρονικά

Τα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι ηλεκτρονικά συστήματα που επεξεργάζονται ψηφιακά σήματα, δηλαδή σήματα με διακριτά επίπεδα τάσης. Στις εφαρμογές αυτές κυριαρχεί το ψηφιακό σήμα που εναλλάσσεται μεταξύ δύο επιπέδων τάσης, μίας ελάχιστης (low) και μίας μέγιστης (high). Τα δύο επίπεδα τάσης αντιστοιχίζονται με τα δυαδικά ψηφία "1" (για το επίπεδο high) και "0" (για το επίπεδο low) κάτι που επιτρέπει την μελέτη του ψηφιακού σήματος με την χρήση του δυαδικού αριθμητικού συστήματος.

Κύρια δομικά στοιχεία των ψηφιακών ηλεκτρονικών είναι ηλεκτρονικά κυκλώματα που αποκαλούνται λογικές πύλες ή ηλεκτρονικές πύλες. Αυτές πραγματοποιούν τις πράξεις της άλγεβρας λογικής ή άλγεβρας Boole από το όνομα του δημιουργού της. Η επεξεργασία του ψηφιακού σήματος γίνεται με συνδυασμένα τέτοια κυκλώματα που αποκαλούνται ψηφιακά κυκλώματα ή λογικά κυκλώματα.

Πλεονεκτήματα των ψηφιακών συστημάτων

Σημαντικό πλεονέκτημα των ψηφιακών συστημάτων είναι η μικρή αλλοίωση που προκαλεί στα ψηφιακά σήματα ο ηλεκτρονικός θόρυβος. Αυτό καθιστά τα ψηφιακά σήματα κατάλληλα για μετάδοση καθώς μπορούν να αναπαραχθούν πλήρως ακόμα και αν έχουν υποστεί μεγάλη εξασθένιση.

Τα ψηφιακά ηλεκτρονικά έχουν την δυνατότητα να μεταβάλλουν την λειτουργία τους χωρίς να απαιτείται αλλαγή στην κατασκευή του κυκλώματος. Αυτό δίνει την δυνατότητα προγραμματισμού για καθορισμό της λειτουργίας ενός ψηφιακού κυκλώματος, γεγονός που σημαίνει ότι μπορεί το ίδιο κύκλωμα κατασκευαστικά να χρησιμοποιείται σε πολυάριθμες διαφορετικές εφαρμογές μεταβάλλοντας προγραμματίζοντας απλά την λειτουργία του.

Μειονεκτήματα των ψηφιακών ηλεκτρονικών

Τα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι λιγότερο αξιόπιστα στην περίπτωση κατασκευής επιστημονικών οργάνων μετρήσεων. Τα περισσότερα σήματα, που προέρχονται από μετατροπή σε ηλεκτρικό σήμα κάποιου φυσικού μεγέθους (π.χ. θερμοκρασία, ήχος, ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ άλλων), είναι σε αναλογική μορφή. Για την ψηφιακή επεξεργασία αυτών των σημάτων απαιτούνται επιπλέον κυκλώματα μετατροπής των αναλογικών αυτών σημάτων σε ψηφιακά σήματα και το αντίθετο, κάτι που αυξάνει την πιθανότητα σφαλμάτων στην μέτρηση.

Λογικές πύλες

Οι λογικές πύλες είναι τα δομικά στοιχεία των ψηφιακών κυκλωμάτων. Οι βασικές λογικές πύλες έχουν μία ή δύο εισόδους και μία έξοδο. Η τιμή της εξόδου καθορίζεται από το αποτέλεσμα της πράξης λογικής που πραγματοποιούν. Οι πύλες που πραγματοποιούν τις βασικές πράξεις λογικής είναι η πύλη NOT, η πύλη AND και η πύλη OR. Άλλες σημαντικές πύλες είναι οι πύλες NAND, NOR, XOR, XNOR. Η λειτουργία της κάθε πύλης εξετάζεται με την βοήθεια ενός πίνακα που ονομάζεται πίνακας αληθείας. Ο πίνακας αληθείας δίνει το αποτέλεσμα της εξόδου της πύλης για κάθε συνδυασμό των εισόδων. Η λειτουργία των βασικών πυλών με την βοήθεια των πινάκων αληθείας φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:

Πύλη	Κύριο Σύμβολο	Δευτερεύων σύμβολο	Συμβολισμός άλγεβρας Boole A & B	Πίνακας αληθείας
AND			$A\cdot B$	ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ A B A AND B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
OR			$A+B$	ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ A B A OR B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
NOT			${\overline {A}}$	ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ A NOT A 0 1 1 0

Βασικά ψηφιακά κυκλώματα

Συνδυάζοντας τις βασικές λογικές πύλες δημιουργούνται μία σειρά από βασικά ψηφιακά κυκλώματα, τα οποία με την σειρά τους αποτελούν δομικές μονάδες πολυπλοκότερων ψηφιακών κυκλωμάτων. Τέτοια κυκλώματα είναι οι αθροιστές και ημιαθροιστές, οι πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες, οι κωδικοποιητές και αποκωδικοποιητές, οι δισταθείς πολυδονητές (flip-flop), οι απαριθμητές, οι καταχωρητές και άλλοι. Πολυπλοκότερα κυκλώματα είναι οι ψηφιακές μνήμες.

Σύνθετα ψηφιακά κυκλώματα

Πολυπλοκότερα ψηφιακά κυκλώματα που ενσωματώνουν όλες σχεδόν τις παραπάνω δομικές μονάδες είναι οι μικροελεγκτές, οι μικροϋπολογιστές και οι επεξεργαστές. Τα κυκλώματα αυτά κατασκευάζονται ως ολοκληρωμένα κυκλώματα (ICs) και έχουν την δυνατότητα να πραγματοποιήσουν πολύπλοκες λειτουργίας κατόπιν προγραμματισμού.

Πηγές

• Ψηφιακά ηλεκτρονικά - Leech & Malvino εκδόσεις Α. Τζιόλας