1-digital design principles & practices principles ... · 1. hafta -sayısal ve analog...
TRANSCRIPT
KAYNAK KİTAP:
1-DIGITAL DESIGN PRINCIPLES & PRACTICESPRINCIPLES & PRACTICES PRINCIPLES & PRACTICES.PRENTICE HALL. Yazar: JOHN F. WAKERLY
DERSIN TANIMI
Dersin Adı: SAYISAL TASARIM-I/BM-205
Dersin Kredisi: 3 Ders AKTS : 3
Dersin Yarıyılı: 3 Ders Türü : Zorunlu
2
DERS İÇERİĞİ1. Hafta -Sayısal ve analog nicelikler ile ilgili temel kavramlar
2. Hafta -Sayı sistemleri, işlemler ve kodlar
3. Hafta -Boole cebri, mantıksal sadeleştirmeler ve mantık kapıları
4. Hafta -Mantık devresi tasarım esasları
5. Hafta-Karnaugh haritaları ve diğer sadeleştirme tekniklerini kullanarak mantık devrelerinin
tasarlanması
6. Hafta -Bileşik mantık devreleri ve tasarımı
7. Hafta -Kodlayıcılar, kod çözücüler, kod çeviriciler, veri seçiciler ve veri yayıcılar
8. Hafta -Karşılaştırıcı ve aritmetik işlem devreleri
9. Hafta -Arasınav
10. Hafta -Flip-floplar ve ardışıl devreler
11. Hafta -Ardışıl devrelerin tasarım ve analizi
12. Hafta -Ardışıl devre uygulama örnekleri
13. Hafta -Sayıcılar
14. Hafta -Sayıcılar
15. Hafta -Sayıcı uygulama örnekleri
16. Hafta -Dönem Sonu Sınavı 3
DEĞERLENDİRME YÖNTEMİ VE GEÇME KRİTERLERİ
Sayısı Toplam Katkısı(%)
Ara Sınav 1 30
Ödev 0 0
Uygulama 0 0
Projeler 0 0
Pratik 0 0
Quiz 1 10
Yıliçinin Başarıya Oranı (%) 40
Finalin Başarıya Oranı (%) 60
4
Analog Büyüklük, Analog İşaret, Analog Gösterge ve Analog
Sistem
Sayısal Büyüklük, Sayısal İşaret, Sayısal Sistem ve Sayısal
Gösterge
Sayısal ve Analog Tekniklerin Karşılaştırılması
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
5
Bilim, teknoloji, ticaret ve benzeri bir çok alan büyüklükler ile
ilgilenmektedir. Bu alanların ilgilendiği büyüklükler; ölçülebilme,görüntülenebilme, kaydedilebilme, aritmetik olarak hesaplanabilme, vb.özelliklere sahiptir. Büyüklüklerin sayısal değerlerini ifade etmede, analogve sayısal olarak isimlendirilen iki yöntem kullanılır.
İfade edilen büyüklüklerin, taşınabilir fiziksel büyüklüklere, örneğin birgerilim veya akım şekline dönüştürülmeleri gerekebilir. Fiziksel birolayın/büyüklüğün elektriksel olarak gösterilmesi, ‘işaret’ olarakadlandırılır. Gerek fiziksel büyüklükleri dönüştürme işleminde, gerekse debilginin işlenmesi / iletilmesinde temel olarak analog ve sayısal (dijital)işaretlerden faydalanılır.
Analog ve sayısal işaretler özelliklerine uygun devrelerde / sistemlerdeişlemlere tabi tutulduktan sonra, çıkış birimi olarak isimlendirilengöstergeler yardımıyla insanlar için anlamlı hale getirilir. Yukarıdaanlatılanlar ışığı altında karşımıza analog ve sayısal kavramları ve her birkavram ile birlikte büyüklük, işaret, sistem ve gösterge terimleri ortayaçıkmaktadır.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
6
Kesintisiz olarak sürekli değerler alan ve sahip oldukları değerler belirli
sınırlar içerisinde devamlı olarak değişen büyüklük, ‘analog büyüklük’olarak isimlendirilir. Diğer bir deyişle; sonsuz sayıda ara değer alabilenbüyüklük, ‘analog büyüklük’ olarak tanımlanır.
Analog büyüklük bir karayolunun durumuna benzetilebilir; yolda anikesintiler yoktur, sürekliliğe sahiptir. Doğadaki fiziksel olaylarıntamamına yakını (ısının değişmesi, canlıların yaşam evreleri, rüzgarınesmesi, vb.) analog büyüklüklerdir.
Fiziksel bir büyüklük (analog özelliğe sahip) bilgi şeklinedönüştürülürken, bilgiyi temsil eden işaret doğrudan doğruya fizikselbüyüklüğün benzeri ise oluşan işaret ‘analog işaret’ olarak adlandırılır.Çok sayıda aradeğer alabilen ve sürekli (continuous) işaretler olarak daisimlendirilen analog işaretler bilhassa ölçü ve ayar tekniğindekullanılır.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
7
Giriş ve çıkış işaretleri şekil olarak benzeyen elektronik devreye /
sisteme, ‘analog (lineer-doğrusal) devre’ veya ‘analog sistem’ denir.Analog sisteme en iyi örnek mikrofonlardır. Mikrofonlarda, konuşma ileoluşan ses basıncıyla orantılı olarak bir çıkış gerilimi üretilir. Üretilençıkış geriliminin değeri, girişteki ses basıncına bağlıdır. Yaygın olarakkullanılan analog sistemlere örnek olarak, telefon sistemleri, manyetikkasetler ve termostatlar verilebilir.
Analog işaretleri giriş bilgisi olarak kullanan analog sistemin çıkışındanelde edilen bilgiler, analog göstergelerde anlamlı hale getirilir.Büyüklükleri, iki sınır değer arasında çok sayıda ara değerler şeklindeifade eden göstergelere, ‘analog gösterge’ denir. Analog bilgileringösterilmesi genelde gösterge içerisinde skala ve ibre ile yapılır.Otomobildeki hız göstergesi, odadaki termostat analog göstergelerdir.Bu göstergelerde, otomobildeki hız göstergesinin 0 ile 180 km-saat,analog ölçü aletindeki skalanın 0 ile 1000V arasında olması gibi iki sınırdeğeri bulunur.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
8
Şekil . Analog işaret, analog sistem ve analog gösterge.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
9
Yalnızca iki değer alabilen (var-yok, açık-kapalı, vb.) büyüklük, ‘sayısal
büyüklük’ olarak isimlendirilir. İki değerlikli büyüklük, işaret şeklinedönüştürülürken yalnızca iki değere sahip işaret şeklinde gösterilir.Sayısal büyüklüğü göstermek için kullanılan ve ‘0’, ‘1’ gibi iki değeralabilen işaret, ‘sayısal işaret’ olarak adlandırılır.
Diğer bir deyişle, sözel olarak ‘doğru’ veya ‘yanlış’ olarak ifadeedilebilen fikirler; matematiksel olarak ‘0’ veya ‘1’ değerleri ile, fizikselolarak ta; 0V veya 5V gerilim ile açıklanırlar.
Sayısal işaretin aldığı değerler zıplayarak (adım adım) değişir. Sayısalişarette 0’dan 1’e ani değişim pozitif yönde ise ‘pozitif mantık’, anideğişim negatif yönde ise ‘negatif mantık’ olarak tanımlanır. Bazıkaynaklarda, Lojik ‘0’ dogruyu / olumlu durumu/ aktif çalışmayı temsiletmek için; Lojik ‘1’ degeri ise yanlışı / olumsuz durumu / aktif olmamadurumunu temsil etmek için kullanılmakta ve bu mantık ‘negatifmantık’ olarak isimlendirilmektedir.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
10
Sayısal işaretlerin aldıkları değerleri göstermek için 0-1, L-H (Low-High) sembolleri kullanılır. Sayısal teknikte kullanılan bu sembollerin çeşitli fiziksel anlamları olabilir. Sembollerin ifade ettiği anlamlardan birkaçı Tablo 1.1’de sıralanmaktadır.
Tablo 1.1. ‘0’ ve ‘1’ değerlerinin ifade edebileceği fiziksel anlamlar
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
11
Sayısal sistemlerin çıkışından elde edilen bilgileri anlaşılabilir biçime
dönüştürmek için sayısal göstergelerden faydalanılır. Sayısal göstergeolarak, 7 parçalı gösterge, sıvı-kristal göstergeler (LCD), v.b. olarakisimlendirilen elemanlardan faydalanılır . Bu elemanların özellikleri ilgilibölümlerde incelenecektir. Sayısal sistemlere örnek olarak; genel amaçlısayısal bilgisayarlar, sayısal telefon santralleri, sayısal voltmetreler,frekans sayıcılar, trafik ışık kontrol sistemleri, hesap makineleri, sayısalsaatler ve elektronik daktilolar gösterilebilir.
Sayısal sistemlerde kullanılan ikili değerleri ifade etmede kullanılan enbasit eleman, elektrik devrelerinde kullanılan anahtardır. Anahtarındurumlarının ‘1’ ve ‘0’ değerleri ile ifade edildiği sayısal sistemlerdekullanılan bilgilerin iletilmesinde, her bir anahtarın durumunu gösterenbilginin / değerin iletilmesi için bir hat kullanılabileceği gibi, dizihalinde bulunan anahtarların durumlarını gösteren bilgiler / değerlertek bir hattan sıra ile de gönderilebilir. Çok sayıda anahtarı temsil edenbilgilerin aynı anda hatlardan gönderilmesi işlemi ‘paralel bilgi iletimi’olarak, bilgilerin tek bir hat üzerinden zaman paylaşımı ile gönderilmesiişlemi, ‘seri bilgi iletimi’ olarak isimlendirilir.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
12
Şekil: Sayısal işaret, sayısal gösterge ve sayısal sistem.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
13
Sayısal sistemler yaptıkları işlemlere göre üç genel grup altında
incelenebilir:
1- Bileşik (Combinational) Sayısal Sistemler : Devrenin çıkışı,girişlerin o anki durumu ile doğrudan ilgili olan lojik devrelerdir.Temel lojik kapılarla yapılan tasarımlar ve toplayıcı / çıkarıcıdevreleri bileşik devrelere örnek olarak gösterilebilir.
2- Ardışıl (Sequential) Sayısal Sistemler : Sistemin, daha öncedensahip olduğu konum ve hali hazırdaki giriş değişkenlerinindurumlarına bağlı olarak çıkış üreten sistemlerdir. Ardışıldevrelere örnek olarak; sayıcılar, kaydediciler, v.b. devrelerverilebilir.
3- Bellek (Storage) Sistemleri : Bilgilerin veya Ardışıl lojiğin belirlibir durumunun saklanması amacıyla kullanılan lojik devrelerdir.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
14
Yalnızca dijital işaretler ile çalışan sistemler ‘dijital sistem’,
yalnızca analog işaretlerle çalışan sistemler ‘analog sistem’ olarak isimlendirilirken, hem dijital hem de analog işaretler ile çalışan sistemler ‘karma sistem’ (hibrit) olarak isimlendirilirler.
Elektronikte daha önce analog teknik kullanılarak yapılan uygulamalar günümüzde sayısal teknikler kullanılarak yapılmaktadır. Analog ve sayısal tekniklerin genel özellikleri ile analog teknikten sayısal teknik kullanmaya doğru olan bu talebin nedenleri şöyle özetlenebilir:
i- Sayısal sistemlerin tasarımı daha kolaydır: Anahtarlama montajı kullanıldığından, akım ve gerilimin kesin değerleri önemli değildir. Önemli olan ‘1’ ve ‘0’ değerleridir.
ii- Sayısal sistemlerde bilgi saklaması kolaydır: Sayısal sistemlerde kullanılan yöntemlerle bilgilerin bir yere konması, konulduğu yerden alınması ve gerektiği kadar elde tutulması mümkündür.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
15
iii- Doğruluk (accuracy) ve birbirine bağlanabilecek devrelerin
sayısı daha yüksektir: Analog devreler üç-dört basamaklıolabilirken, sayısal devrelerde daha çok sayıda devrenin birbiriyleirtibatı mümkündür.
iv- Sayısal devrelerde işlemler programlanabilir: Sayısal sistemleritasarlamak, sistemdeki işlemler saklanabilen komutlar (program)tarafından kontrol edildiğinden kolaydır.
v- Sayısal devreler gürültüden daha az etkilenir: Sinyalleringürültüden etkilenmesi analog sistemlerdeki kadar kritik değildir.
vi- Sayısal sistemlerde bir entegre içerisine daha fazla sayıdasayısal devre elemanı yerleştirilebilir: Sayısal sistemler tümleşikdevre olarak üretime elverişlidirler. Her ne kadar analogelemanlarda entegre devre içerisine yerleştirilse de, belirlielemanların entegre içerisine yerleştirilmesi (yüksek değerlikondansatörler, bobinler, transformatörler vb.) ekonomik değildir.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
16
vii- Sayısal sistemlerde daha az değer ile işlem yapılır : Sayısal
sistemler bir merdivenin basamakları gibi sonlu sayıda ayrıkdeğerler üzerinde gerçekleştirilir. İşlem yapabilmek için merdivenbasamakları düzeyinde işlem yapılması gerekir.
viii- Sayısal sistemlerde kodlama işlemi ile hataların bulunmasıkolaydır: Kodlama işlemi veya yapılan diğer işlemlerden sonraoluşan hataların bulunup-düzeltilmesi işlemleri; sayısalsistemlerde analog sistemlere göre çok daha kolay gerçekleştirilir.
Bütün bu avantajların yanında sayısal sistemlerin dezavantajı,günlük hayatımızda kullandığımız yükseklik, basınç, ses, ağırlık,vb. büyüklüklerin büyük bir kısmının analog olmasıdır.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
17
Analog ve Sayısal Kavramlarını inceledikten sonra, farklı yapılara
sahip analog ve sayısal bilgilerin birbirine dönüşümü mümkünmü, eğer mümkünse bunu sağlamak için kullanılacak devrelerinçalışma prensibi nasıl olmalıdır? şeklinde bir sorunun cevabınıinceleyelim.
Çevremizdeki fiziksel büyüklüklerin elektriksel sinyalleredönüştürülmesi ile elde edilen bilgilerin, sayısal bilgileredönüştürülmesini sağlayan devreler ‘Analog-Sayısal Çeviriciler’(Analog to Digital Converters-ADC) olarak isimlendirilir. Sayısalsistemlerden okunan veya işlenen bilgilerin analogdevre/sistemlerde değerlendirilebilmesi veya kullanılabilmesi içingerekli dönüşümü yapan devreler ‘Sayısal-Analog Çeviriciler’(Digital to Analog Converters-DAC) olarak adlandırılır.
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
18
Şekil. ADC ve DAC devreleri blok şemaları
Bölüm 1 Analog ve Sayısal Büyüklükler
İlgili Temel Kavramlar
19