مدخل إلى الإلكترونيات الرقمية Digital Electronics

يمكننا تقسيم الدارات الإلكترونية إلى قسمين رئيسيين: قسم تماثلي، أو تمثيلي، أو تشابهي Analog ( حسب ترجمات المراجع العربية) وقسم رقمي Digital، ويكمن الفرق الأساسي بينهما في حالة الجهود التي تتعامل معها الدارات على دخلها وتخرجها على مخارجها، إذ تعتمد الدارات التماثلية على جهود متغيرة في قيمها عبر الزمن وفي مجال متعدد القيم لتلك الجهود ( وقد يكون لا نهائي القيم، فمثلاً بين قيمتين 0 V – 5 V فإن الدارة التماثلية تتعامل مع كل القيم العشرية : 4.56 V, 3 V, 2.01V, 1V .. ) وغيرها، بينما على الصعيد الرقمي فأن الدارة تتعامل مع مستويين من الجهود فقط في دخلها وخرجها، ويمكن التعبير عن هذين المستويين بأكثر من تعبير: عالٍ ومنخفضٍ، صفر أو واحد، فتح أو إغلاق، حقيقة أو صواب، أبيض أو أسود، كبير أو صغير .. ومهما كان التعبير، فنحن نعبر عن حالتين متناقضتين دوماً في الدارة الرقمية.

يوضح الشكل التالي الفرق بين إشارة رقمية وإشارة تماثلية:

وكتمثيل كهربائي، يمكننا التعبير عن الدارة الرقمية بحالة الفتح والإغلاق في دارة بسيطة مؤلفة من مفتاح ومنبع تغذية ومقاومة كما يلي:

ما الذي نحتاجه لفهم الإلكترونيات الرقمية ؟

تتعامل الدارات الرقمية في أساسها الرياضي على علم الجبر البولياني أو الجبر المنطقي، وهو مجموع العلاقات الرياضية التي تحكم التوابع المنطقية ( أو الرقمية إن أمكننا القول ) والعبارات المنطقية، بينما في الدارات التماثلية فكنا نعتمد على التوابع الرياضية العادية لتمثيل الإشارات وحالات عمل العناصر ( توابع أسية، توابع لوغاريتمية، كثيرات حدود، .. وغيرها)، وبالتالي، يجدر بنا التعريف بأسس الجبر البولياني وبعض من ألاعيبه الرياضية وتأثيرها على تصميم الدارات وفهمها.
www.4electron.com
كما علينا أن ندخل إلى نظم العد التي تقابل النظام العشري الذي نستخدمه في الدارات التماثلية، إذ كنا نعبر عن الجهد بأكثر من قيمتين كما أسلفنا، بينما نتعامل في الدارات الرقمية مع خانتين: 0 , 1 .. فهل تقتصر تطبيقات الدارة الرقمية على 0، 1 ؟ ماذا نفعل إن أردنا التعبير عن عملية حسابية أو عدد مثل 9.5 بشكل رقمي وإظهارها على شاشة آلة حاسبة ؟ علينا أن نعود إلى نظام العد الثنائي الذي يربطنا بفضاءي الأعداد : العشري والثنائي، وحتى غيرهما: ست عشري، وثماني..

وأخيراً، علينا أن نعترف بأنه ذات العنصر الذي دخل في بناء غالبية الدارات الإلكترونية التماثلية، يعود إلينا في الدارات الرقمية، إنه الترانزيستور، ولكن حيثما كان يعمل الترانزيستور في منطقة العمل من مخطط عمله كمضخم في الدارات التماثلية، فإنه يعمل في الدارة الرقمية كمفتاح فقط ليعبر عن الصفر أو الواحد، وذلك بعمله في منطقتي الإشباع والقطع من مخططه، ويذكّر الشكل التالي بهاتين المنطقتين:

منحني خواص الترانزيستور

فلن نكون بحاجة للخوض في معادلات الترانزيستور، وإنما علينا الإبحار بأشكال الدارات المنطقية وتركيباتها المختلفة وطرق التعبير عنها بشكل عملي.

ماذا نستفيد من الدارة الرقمية ؟
تعد الدارة الرقمية محور عملية التطور التي شهدها القرن العشرين ونعيش آثارها حتى اليوم، فهي وحدة بناء الحاسب، ووحدة معالجة الحالات المنطقية والرياضية في أي تجهيز إلكتروني، وهي محور التطور الذي قد يطرأ على أي نظام تماثلي في عصرنا، فكل العالم يتجه نحو العالم الرقمي، لماذا ؟ لأنه أبسط في عتاده، وأقل استهلاكاً للطاقة، وأعلى في سرعة التقديم والتعبير عن المعلومة، ويتمتع بأهم خصائص نظم المعلومات: الذاكرة، فالدارة الرقمية هي دارة قادرة على الاحتفاظ بالمعلومة إلى حين الحاجة إليها من قبل النظام أو المستخدم البشري، فلولا الدارة الرقمية لما استطعنا الاحتفاظ بأي معلومة بشكل تقني، ولظلت الطاقة هي الشكل الوحيد الذي بإمكاننا الاحتفاظ به في البطاريات والمدخرات، أما المعلومة فستفضل أن تبقى في ذاكرتنا وأوراقنا على أن تدخر بشكلها الطاقي، لولا الدارة الرقمية …

إن علم الإلكترونيات الرقمية هو علم أحلم بخوضه من أوسع أبوابه وأتبحر فيه، وأسأل الله أن يعينني على تقديم الفائدة في كل معلومة أحصل عليها ريثما أتفرغ وزملائي لإشباع الموضوع بحقه من البحث والدراسة والتقديم في الموقع.