البوابات الرقمية Digital Gates

البوابات الرقمية Digital Gates

البوابات المنطقية :Logic Gates
مقدمة :
تعالج البوابات المنطقية الإشارات التى تمثل الصواب true والخطأ false . عادة يمثل جهد التغذية الموجب +Vs الصواب ويمثل الجهد 0V الخطأ . الجدول التالى يبين المصطلحات الأخرى المستخدمة للتعبير عن الصواب والخطأ . من المفضل التعود عليها جميعا .

يتم التعرف على البوابات عن طريق وظيفتها :

NOT , AND , NAND , OR , NOR , EX-OR , EX-NOR

عادة تستخدم الحروف الكبيرة لتبين أن المصطلح لبوابة منطقية .

رموز البوابة المنطقية :Logic gate symbols:
يوجد نوعين من الرموز التى تمثل البوابات المنطقية :

· الرموز التقليدية والتى لها شكل مميز مما يسهل التعرف عليها لذلك تستخدم على نطاق واسع فى الصناعة وفى التعليم .

· الرموز الدولية IEC وهى عبارة عن مستطيلات بداخلها رموز لتبين وظيفة البوابة .وهى نادرا ما تستخدم على الرغم من مكانتها الرسمية لكنك تحتاج لمعرفتها .

المداخل والمخارج Inputs and outputs:

البوابات لها مدخلين أو أكثر ما عدا بوابة النفى NOT لها مدخل واحد .جميع البوابات لها مخرج واحد .عادة تستخدم الحروف A , B , C فى تسمية المداخل ويستخدم الحرف Q لتسمية المخرج .وسوف نبين هنا المداخل جهة اليمين والمخرج جهة اليسار .

رمز (دائرة) النفى (المعكوس) The inverting circle (o) :
بعض رموز البوابات بها دائرة فى مخرجها والتى تعنى أن وظيفتها تتضمن عكس الخرج .وهى تكافىء مرور الخرج على بوابة النفى NOT . على سبيل المثال رمز البوابة " نفى أو معكوس و "
NAND (Not AND) المبينة وهى عبارة عن بوابة AND لكن مع إضافة دائرة المعكوس فى الخرج .

جداول الحقيقة Truth tables
جدول الحقيقة هو طريقة جيدة لبيان وظيفة البوابة المنطقية . تستخدم عادة الرموز 0 (false) و 1 (true) فى جداول الحقيقة .المثال التالى لجدول الحقيقة للبوابة AND .

البوابات الرقمية Digital Gates Domain-8de1a70130

الدوائر المتكاملة المنطقية Logic ICs :
تتوفر البوابات المنطقية
فى شكل دوائر متكاملة خاصة والتى عادة ما تحتوى على عدة بوابات من نفس
النوع, على سبيل المثال الدائرة المتكاملة 4001 تحتوى على أربع بوابات NOR بمدخلين .

يوجد عائلات متعددة من الدوائر المتكاملة المنطقية ويمكن وضعها فى مجموعتين :

المجموعة 4000 Series .
المجموعة 74 Series .

العائلة 74HC هى الأفضل للمشاريع التى تعمل على البطارية للأنها تعمل جيدا فى مدى مناسب لجهد التغذية وتستهلك قدرة صغيرة جدا .

ملحوظة :
إذا استخدمتها فى تصميم
دائرة بها بوابات منطقية تذكر أن : جميع المداخل الغير مستخدمة يجب توصيلها
لمصدر القدرة (سواء الطرف الموجب أو الطرف السالب) وهذا ينطبق حتى على
الأجزاء من الدائرة المتكاملة الغير مستخدمة بالدائرة! .

البوابة " نفى" NOT gate وتسمى العاكس Inverter :
الخرج Q يكون فى الحالة true ( حقيقى – صواب – موجود – on – 1 – مرتفع ) عندما يكون :
المدخل A فى الحالة " NOT true " , أى أن المخرج يكون معكوس المدخل أى :

Q = NOT A

بوابة النفى لها مدخل واحد فقط .
بوابة النفى تسمى أيضا العاكس inverter .

بوابة " و " AND gate:

الخرج Q يكون فى الحالة true عندما يكون :

input A AND input B are both true

" كلا المدخلين true" أى :

Q = A AND B

بوابة AND يمكن أن يكون لها مدخلين أو أكثر .
مخرجها true عندما يكون جميع مداخلها true .

البوابة "نفى أو معكوس و" NAND gate (NAND = Not AND):

وهو بوابة AND مع عكس خرجها كما هو مبين بالدائرة 'o' الموجودة بخرجها .

الخرج Q يكون true عندما يكون :
input A AND input B are NOT both true
" المدخل A و المدخل B ليس كلاهما true " أى :

Q = NOT (A AND B)

بوابة NAND يمكن أن يكون لها مدخلين أو أكثر .
مخرجها true عندما يكون لا يكون جميع مداخلها true .

بوابة " أو " OR gate :

الخرجQ يكون true عندما يكون :
input A OR input B is true (or both of them are true)
" المدخل A أو المدخل B (أو كلاهما) يكون true " أى :
Q = A OR B

بوابة OR يمكن أن يكون لها مدخلين أو أكثر .
مخرجها true عندما يكون : أحد المداخل على الأقل true .

بوابة " نفى أو " NOR gate (NOR = Not OR) :

وهى بوابة OR مع عكس مخرجها كما هو مبين بالدائرة 'o' الموجودة بمخرجها .

الخرج Q يكون true عندما يكون :
NOT inputs A OR B are true
" لا المدخل A أو المدخل B يكونا true " أى أن :
Q = NOT (A OR B)

بوابة NOR يمكن أن يكون لها مدخلين أو أكثر .
مخرجها true عندما يكون : لا أحد من المداخل true .

بوابة " أو الحصرية – المنفردة " EX-OR (EXclusive-OR) gate :

الخرجQ يكون true عندما يكون :
either input A is true OR input B is true, but not when both of them are true
" أى من المدخل A أو المدخل B (منفردا)فى حالة true ولكن ليس كلاهما true (اى محصور على مدخل واحد) " أى أن :

Q = (A AND NOT B) OR (B AND NOT A)

هذه البوابة مثل بوابة OR لكن تستثنى (تستبعد) excluding حالة كون كلا المدخلين true .
أى أن الخرج يكون true عندما يكون المدخلين مختلفين .
البوابة EX-OR لها مدخلين فقط .

البوابة " نفى أو الحصرية " EX-NOR (EXclusive-NOR) gate :

هى بوابة EX-OR مع عكس مخرجها كما هو مبين بالدائرة 'o' الموجودة بمخرجها .

الخرج Q يكون true عندما يكون :
inputs A and B are the SAME (both true or both false)
"المدخلان A و B متتشابهان ( كلاهما true أو كلاهما false " أى أن :

Q = (A AND B) OR (NOT A AND NOT B)

البوابة EX-NOR لها مدخلين فقط .

الجدول
التالى يبين حالة الخرج لجميع أنواع البوابات ذات المدخلين وذات الثلاثة
مداخل . يمكن الاستعانة به لاختيار البوابة المناسبة .

لاحظ أن البوابات EX-OR و EX-NOR لها مدخلين فقط .

تجميع مجموعات من البوابات المنطقية Combinations of logic gates :

يمكن تجميع مجموعة من البوابات المنطقية لتقوم بعمل وظيفة معقدة (مركبة) . كما يمكن تجميعها بغرض استبدال نوع من البوابات بنوع آخر .
على سبيل المثال لإنتاج خرج Q والذى يكون true عندما يكون المدخل A فى الحالة true والمدخل B فى الحالة false يمكننا تجميع بوابة NOT مع بوابة ANDكما فى الشكل وكما هو مبين فى جدول الحقيقة التالى :

عمل (استنتاج) وظيفة بتجميع البوابات :

يمكن استخدام جدول الحقيقة المبين حيث يوجد مخارج وسيطة (مساعدة) هى D و E بالإضافة إلى الخرج النهائى Q للنظام المبين :

استبدال نوع من البوابات بنوع آخر :
البوابات المنطقية متوفرة على شكل دوائر متكاملة ICs والتى عادة ما تحتوى على العديد من البوابات من نفس النوع , على سبيل المثال أربع بوابات NAND بمدخلين أو ثلاثة بوابات NAND بثلاثة مداخل .ويمكن أن يكون هناك إسرافا إذا استخدمنا عدد قليل من البوابات ما لم يكن البوابات المطلوبة جميعها من نفس النوع

لتجنب استخدام العديد من الدوائر المتكاملة يمكنك تخفيض عدد مداخل البوابات أو استبدال نوع من البوابات بنوع آخر .

تخفيض عدد المداخل :

يمكن تخفيض عدد المداخل إلى البوابة بتوصيل مدخلين أو أكثر معا . الشكل يبين بوابة AND بثلاثة مداخل تعمل كبوابة AND بمدخلين .

· عمل بوابة NOT من بوابة NAND أو بوابة NOR :

تخفيض البوابة NAND أو البوابة NOR إلى مدخل واحد ينشأ بوابة NOT . الشكل يبين عمل ذلك باستخدام بوابة NAND بمدخلين :

أى بوابة يمكن بناؤها من البوابة NAND أو البوابة NOR :

بالإضافة إلى عمل البوابة NOT يمكن تجميع البوابات NAND أو NOR لإنشاء أى نوع من البوابات . على سبيل المثال البوابة AND هى بوابة NAND ثم بوابة NOT ( للرجوع عن وظيفة النفى ) .
لاحظ أن البوابات AND و OR لا يمكن استخدامها فى إنشاء بوابات أخرى لأنها تفتقر لوظيفة النفى NOT

· تغيير نوع البوابة :

مثل تغيير البوابة OR إلى البوابة AND يجب عليك القيام بثلاثة أشياء :
· إعكس (إنفى NOT) كل دخل .
· غير نوع البوابة ( غير من OR إلى AND أو غير من AND إلى OR ).
· إعكس (إنفى NOT) الخرج .

على سبيل المثال يمكن بناء بوابة OR من نفى أو عكس المداخل الواصلة للبوابة NAND (والتى هى AND + NOT )

· مكافئات البوابة NAND :
الجدول التالى يبين مكافئات البوابة NAND لكل من البوابات NOT و AND و OR و NOR :

· استبدال البوابات فى مثال لنظام منطقى :

النظام الأصلى مكون من 3 بوابات مختلفة : NOR , AND , OR . هذا النظام يتطلب ثلاثة دوائر متكاملة (واحدو من نوع من البوابات ) .

لإعادة تصميم هذا النظام باستخدام بوابات NAND فقط , نبدأ باستبدال كل بوابة بمكافئها من بوابة NAND كمل هو مبين فى الشكل :

بعد ذلك يتم تبسيط النظام بإزالة الأزواج المتجاورة لبوابات NOT ( الموضوع فوقها علامة X ) . يمكن عمل ذلك لأن بوابة NOT الثانية تلغى عمل (فعل) البوابة الأولى .

النظام النهائى مبين بالشكل . يتكون النظام من 5 بوابات NAND
ويتطلب 2 دائرة متكاملة ( بكل دائرة متكاملة أربع بوابات ) . وهذا أفضل من
النظام الأصلى والذى يتطلب 3 دوائر متكاملة (واحدة لكل نوع من البوابات) .
استبدال البوابات NAND ( أو NOR )
لا يؤدى دائما إلى زيادة عدد البوابات , ولكن عند عمل ذلك (كما فى هذ
المثال ) فإن الزيادة عادة تكون فقط بوابة أو اثنين .الفائدة الحقيقية هى
تخفيض عدد الدوائر المتكاملة المطلوبة .

تطبيقات البوابات المنطقية :
1- مثال لدائرة بسيطة لحماية منزل من السرقة وإعطاء صوت إنذر :

البوابات الرقمية Digital Gates Domain-98f5a80b4b

البوابات الرقمية Digital Gates Domain-e701ec4fd8

2- نظام لتحقيق الأمن الصناعى

نسأل الله الدعاء لمن قام بهذا العمل الطيب

شرح جميل ومفهوم بارك الله فيك

جزاك الله خير على هذا الشرح الرائع

» تطبيقات عامة على البوابات المنطقية Logic Gates
» Flowcode Training video 14: Analog to digital المحول من تناظرى الى رقمى
» الدرس الثانى: الأنظمة الرقمية والتماثلية
» المتحكمات الرقمية القابلة للبرمجة وتطبيقاتها