الإلكترونيات الرقمية


تعتبر الإلكترونيات الرقمية أهم و أوسع وأسهل من الإلكترونيات الخطية أو التماثلية إذ أنه بواسطتها يمكنك أن تنشئ دارات أكثر وثوقية و أمانا من الإلكترونيات الخطية وذات مجهود أقل بالتصميم في حال أردت أن تصمم أي دارة إذ أنك تتعامل مع حالتين من المعطيات إما يوجد جهد أو لا على مدخل أو مخرج أي عنصر إلكتروني رقمي تتعامل معه ويعبر عن هاتين الحالتين كما يلي :
1- في حال وجود فولت أو إشارة على المدخل أو المخرج لأي عنصر إلكتروني رقمي نقول أن المدخل عليه جهد أو إن الإشارة وصلت إليه أو تم إدخال جهد كذا إلى مدخل هذا العنصر ونرمز له بالرقم (1) ويفيد هذا الرقم بوجود جهد أو إشارة على مدخل أو مخرج العنصر الإلكتروني الرقمي .
2- في حال عدم وجود فولت أو إشارة على مدخل أو مخرج أي عنصر إلكتروني رقمي فيمكننا القول عندها في هذه الحالة أن المدخل أو المخرج لهذا العنصر لا يوجد فولت أو إشارة ونشير إلى هذه الحالة بالرقم ( 0 ) ويفيد هذا الرقم بعدم وجود شيء على مدخل أو مخرج أي عنصر إلكتروني رقمي .
وهنا لكي لا يلتبس الأمر علينا فإن القيمتين ( 1- 0 ) قيمتان عدديتان تدل على وجود أو عدم وجود جهد أو إشارة على مدخل أو مخرج أي عنصر إلكتروني وهما قيمتان يمكن التلاعب بقيمتهما وفق رغباتنا أو وفق مصدر التغذية الذي بين أيدينا إلا أن الشركات الصانعة للعناصر الإلكترونية الرقمية قامت على وضع القيم المثالية للحالتين ( 1- 0 ) مع كل عنصر في المعلومات المصنعية ( DATASHEET ) وذلك لضمان عمل العنصر بالشكل الأمثل وهذا الأمر لا يعتبر بمثابة قانون أو إلزام بالقيمة المقترحة من قبل الشركة وإنما قيمة مثالية ولنا القرار الأخير بهذا الأمر بالنهاية .
ويوجد بعض العناصر الإلكترونية العنيدة لا تقبل إلا القيمة المقترحة من الشركة ولها استخدامات خاصة سنقوم على دراستها جميعها إن شاء الله في هذا البحث .
المنطق الرقمي :
هو تعبير سخيف في معناه ولكنه العمود الرئيسي بالإلكترونيات الرقمية فهو يعني أنه يوجد أو لا يوجد , بكل بساطة هذا هو المنطق الرقمي وكما أشرنا سابقا أن الإلكترونيات الرقمية تعتمد بشكل رئيسي وتام على الرقمين ( 1- 0 ) أي إما يوجد فولت أو إشارة أو لا يوجد وذلك يخول المنطق الرقمي بالإستئثار بتلك الأرقام ( 1- 0 ) لنفسه فقط دون غيره من العلوم و كلمة منطق تعني أمر يدركه العقل على أن يكون ضمن المعتاد وغير خارج عن المألوف بالنسبة لنا كبشر يعني كأن تذهب إلى مطعم مثلا لتأكل فمن المنطقي أن تجد في المطعم أكل وخبز وماء وطعام ووو....الخ.
ولكن الغير منطقي أن تذهب إلى المطعم وتطلب من النادل أن يغير لك زيت المحرك في سيارتك .
وكأن تذهب إلى مغسل للسيارات لغسيل سيارتك فهذا أمر منطقي ولكن الغير منطقي أن تذهب للمغسل وتطلب أن تقص شعرك ( وإن حصل وطلبت هذا فإحذر على رأسك من الـ....... ) .
من كل ماسبق يمكننا أن نستدل على أن المنطق لا يقبل الشك ولا التخمين ومنه يمكننا الإستنتاج أن المنطق حالة فصل بين المعقول واللامعقول وبين الموجود والا موجود وبين الحقيقة والخيال وبين الشك واليقين.
ومن هنا يجب التعامل مع الإلكترونيات الرقمية على هذا الأساس أي وفق المنطق الرقمي لأن جميع العناصر الإلكترونية الرقمية بنيت على هذا الأساس ولا يجب علينا أن نتعامل مع الإلكترونيات الرقمية وفق أسس ومنهج الإلكترونيات الخطية أو التماثلية كأن نقول أنه يوجد إشارة ضعيفة أو قيمة جهد ضئيلة فهذا أمر سيزعج العناصر الإلكترونية الرقمية بشكل كبير وبالتالي سيؤدي إلى فشلها بالعمل لأنها تحمل عقل سميك لا يفهم إلا لغته ولا يحب أبدا أن يزعج نفسه بالتعرف على إشارة صغيرة أو ضعيفة فهو يعتبر نفسه أرقى من أن يتعامل مع معطيات لا تلائمه كأن تقدم كأس ماء مملوئا لنصفه فقط بالماء لملك.
وتعالوا نستعرض مثال صغير عن الفرق بين دارات الإلكترونيات الرقمية والتماثلية حتى نستوضح الأمر بطريقة عملية .
أولا سنقوم على إنشاء مكبر صوتي ترانزستوري ونقوم بتطبيق المنطق الرقمي على دخله وإشارة سمعية لنرى الفرق بين الحالتين .

URL="http://dbaasco.com/up4/"][/URL]

نلاحظ من خلال الرسم كيف أن الترانزستور قام على تكبير إشارة الدخل التي على اليسار وأخرجها كما هي دون المساس بتواترها ( ترددها أو شكلها ) وإنما مكبرة ومعكوسة ومن خلال توصيلات الترانزستور التي سبق وشرحناها يمكننا الإستنتاج أن الترانزستور قد صمم ليعمل كمكبر Class A ويمكنكم القراءة أكثر حول وصلات الترانزستور كمكبر من هنا .
والترانزستور قام على تكبير الإشارة بحذافيرها دون تغيير إلا بقطبيتها وهذا الأمر لا يهم إن كانت الإشارة سمعية إذ أن السماعة لا تهتم لقطبية الإشارة إلا أنها تهتم لقطبية المكبر ويجب أن لا تختلط الأمور علينا هنا إذ أن قطبية المكبر تختلف عن قطبية الإشارة وليس هناك رابط بينهما .
وبدراسة سريعة لسير الإشارة نلاحظ أنها تقوم على المرور عبر المكثف وهنا المكثف سيسمح لها بالمرور كون الإشارة متغيرة القيمة ومن مواصفات المكثف أنه يعمل ويمرر تيار عند وجود تغيير على أحد لبوسيه و يقوم على تمرير الإشارة كما هي دون إنقاص أو تغيير بها أي يمرر الإشارة بأمانة وللقراءة أكثر عن المكثف من هنا .
وعند عبور الإشارة من المكثف تتلقاها قاعدة الترانزستور وتقوم نسبة التكبير بالترانزستور على تحديد مدى التكبير الذي ستكون عليه الإشارة الخارجة على مجمعه وعند خروج الإشارة إلى السماعة عبر المكثف اليميني ( مكثف الخرج ) تكون على الشكل المرسوم على يمين الشاشة وبمقارنة الإشارتين الداخلة والخارجة نلاحظ أنه لا يوجد إختلاف بين الإشارتين سوى بقطبية وقوة الإشارة ( قوة الإشالرة تعني فولتيتها أي أنها ذات فولتية أعلى من إشارة الخرج وهذا هو جوهر عمل الترانزستور إذ أن الفولتية على المجمع هي من تحكم أعلى قيمة لفولتية الإشارة الخارجة ).
ومن خلال هذه النظرة السريعة على سير الإشارة الشمعية داخل المكبر الترانزستوري نلاحظ أن الدارة استجابة للإشارة الداخلة وقامت بعملها على الأساس المصممة عليها .
والآن سنقوم على وضع إشارة رقمية وفق الأسس المنطقية الرقمية لنلاحظ التغيير الذي سيطرأ على الإشارة أثناء عبورها الدارة ونرى مدى استجتبة الدارة لتلك الإشارة .





نلاحظ أنه قد حدث تغيير بشكل الإشارة إذ أنها قلبت من إشارة رقمية إلى إشارة شبه خطية كما هو واضح باللون الأسود العريض وهذا يؤدي إلى تخلخل عمل الدارات الإلكترونية الرقمية ولنأتي الآن إلى دراسة حركة الإشارة داخل المكبر لنرى ماذا حصل وغير شكل الإشارة بهذا الشكل لأن الإشارة لم تعد تشبه إشارة الدخل .
فعند تطبيق أول نبضة على دخل المكبر فالمكثف C1 سيقوم بدوره على الإستجابة ويقوم على تمرير التيار عبره ولكن بصورة مفاجئة إذ أن معظم أو أغلبية الفولتية للإشارات الرقمية تكون ذات جهد 5 فولت وبما أنه من مواصفات المكثف أنه ينشحن من الجهد المطبق عليه سواء كان من إشارة دخل ( عند وضعه في مدخل أي مكبر أو من التغذية عند وضعه كمرشح أو تصفية ) ولكنه سيتوقف عن الشحن عند وصول النبضة إلى قمتها وبما أن قمة النبضة ذات عرض كبير فإن المكثف سيتوقف عن الشحن وبما أن النبضة لا تحوي أي تغيير عند قمتها لأنها ذات عرض قمة كبير فإن المكثف سوف لن يمرر تيار عبره وذلك سيؤدي إلى عدم حدوث أي تغيير وتبقى قيمة المكثف ذات شحنة عالية توازي قيمة الجهد المطبق عليه ويستمر الحال إلى أن تنتهي أول نبضة من مرورها وعند إنتهاء النبضة من مرورها وتأتي قيمة الصفر بلإشارة المطبقة على مدخل المكبر فإن المكثف سيقوم على تفريغ شحنته عبر قاعدة الترانزستور مغير بذلك شكل الإشارة الخارجة من المكبر ويستمر الحال هكذا مادامت الإشارة بهذا الشكل ( نبضات مربعة ).
إذا شحن وتفريغ المكثف هو ما يؤثر على شكل الإشارة الخارجة وطبعا دارات التكبير سواء البسيطة أو المتقدمة لا بد لها من عزل مدخلها عن مخرج أي دارة قبلها حتى لا يحدث إشباع بترانزستور التكبير الذي يلي المرحلة البدائية .
يعني أنه لا بد من عزل بين دارات التكبير لأنه إذا فرضنا أنه في دارتنا السابقة قد قمنا على وصل مدخل المكبر مباشرة مع دارة أخرى فإن جهد استقطاب المجمع سيقوم على جعل الترانزستور في المرحلة التالية في حالة إشباع دائمة كما في الشكل التالي :




ومن هنا يجب أن نعلم أنه يجب وضع مكثف على مدخل أي دارة تكبير كي يمنع التيار المستمر من المرور إلى قاعدة الترانزستور في المرحلة التالية وبما أن المكثف له خاصية الشحن والتفريغ ورأينا ماذا فعل بشكل الإشارة الرقمية الخارجة منه أثناء تطبيقها على مدخله فيعتبر وضع المكثف في دارات رقمية أمر غير مستحب بل مرفوض لأنه يقوم على التلاعب بزمن النبضات من خلال خاصيته التي لا يمكنه الإستغناء عنها ألا وهي خاصية الشحن والتفريغ .
إذا بالنهاية يمكننا القول بأن الدارات المصممة على أساس خطي ( Analog ) لا يمكنها التعامل أو الفهم على الدارات المصممة من عناصر رقمية ( Digital ) .
إذا لابد من التقيد بنوع العناصر المستخدمة في بناء أي دارة وطبعا نوع العمل المطلوب هو مايحتم علينا أي عناصر نستخدم للحصول على المطلوب ولا يجب أن يخفى علينا أنه لا يمكن أن نصمم دارة واحدة تحوي على عناصر خطية ورقمية ونتوقع بالنهاية الحصول على شيء مفيد إلا إذا كان هناك دارات تقوم على التحويل بين النظامين الرقمي والخطي وسنقوم على دراسة هذه الطرق لاحقا إن شاء الله .
وسنقوم على التعرف على أحجار بناء الدارات الرقمية عنصر عنصر كل على حده مع إقرانه ببعض المخططات المبينة له والموضحة لعمله وبداية أحب الإقتداء بجملة قرأتها لأحد الأخوة كان قد كتبها في بداية موضوعه عن الإلكترونيات الرقمية وقد قال فيها أنه العالم كله تماثلي واستغربت من هذه الجملة في وقتها ولكن فهمت المطلوب عندما غصت قليلا في عالم الديجتال ورأيت كم هو سهل ومنيع أي هو من النوع السهل الممتنع , فهو سهل لأنك لو قرأته ستجد أنه لا يوجد به أمور صعبة مثل الإلكترونيات الخطية يعني تقرأ وتقرأ منتظرا المعلومات الدسمة ولكن دون جدوى حتى إنه يعتمد على قوانين بسيطة وسلسة ولكنها كثيرة ومن هنا قلت أنه ممتنع .
وطبعا أحب أن ندخل هذا العلم من بابه الذي أرى أنه هو الصحيح كون أغلب الكتب التي قرأتها كانت تبدأ به وهو التعريف بالأنظمة العددية المستخدمة وكيفية التحويل فيما بينها وسبب وجودها وإجراء العمليات الأربع عليها من جمع وقسمة وضرب وطرح ( الله يسترنا من آخر عمليتين ) .


الأنظمة العددية ( Number System )
أنظمة العد ليست بالشيء المخيف أو الغريب فهي أنظمة تفهمها العناصر الإلكترونية الرقمية نقوم على تحديد آلية العمل مسبقا ومن ثم ننشئ الدارة ونخاطب الدارة وتخاطبنا بهذا النظام من العد وقد وجد هذا النظام في التعارف بين الأرقام منذ 110 سنة قبل الميلاد نعم منذ ذلك الوقت والناس تقوم على إيجاد وإبتكار أنظمة عددية تيسر لهم فهم الأرقام الكبيرة لأن العقل البشري ضعيف بالحفظ وخصوصا تذكر الأرقام فمثلا كان البابليون منذ القدم يقومون على تشكيل مايشبه الكرات الصغيرة للتعبير على الأرقام التي أحصوها لمنتوجاتهم مثل عدد الأبقار والماعز وعدد أكياس المحاصيل التي حصدوها من أراضيهم ونظرا لكون وسائل النقل ليست قديرة كما في عصرنا اليوم فقد كان التاجر يقوم على حصر مالدية ووضع علامات على جرار صغيرة بحجم اليد موجود بداخلها كرات صغيرة وكبيرة وأشكال هندسية أخرى تدل على أرقام معينة كانوا يعرفونها في مضى ويتعاملون معها فالكرة الصغيرة ذات قطر 1سم مثلا تدل على الرقم 1000 والكرة الأكبر تدل على الرقم 10000 وما يشبه المثلث يدل على الرقم 500 وهكذا وطبعا كلها ذات أحجام صغيرة توضع داخل جرة صغيرة من الفخار وكل تلك الرموز كانت تصنع من الفخار ويغلق فم الجرة وبهذا يعرف التاجر كم لديه من المنتجات ويقوم على رسم أي شيء على الفخارة للدلالة على عدد المنتج المرسوم
هكذا كانت حياتهم ولكن المصريين القدامى كان لهم رأي آخر فقد كانو يكتبون بلغة غريبة يفهمونها هم فقط لأنهم منشؤوها وقد اخترعوا الرقاقات التي كانو يكتبون عليها من لحاء الشجر فقد كان عندهم الرقم 1 يكون بهذا الشكل ( [/FONT]I ) وكانوا يعبرون عن الرقم إثنين بإضافة رقم واحد آخر بجانب الرقم الأول وهكذا ومن ثم جاء الرومان وطوروا هذه الطريقة بحيث أصبحت هناك رموز للأرقام فمثلا الرقم 5 كانوا يعبروا عنه بالرمز ( V ) وإذا أرادوا كتابة الرقم أربعة كانوا يضعون رمزا مثل الرقم واحد لدى المصريين القدماء على يسار الرمز الممثل للرقم خمسة فيقرأ أربعة هكذا ( IV ) ولو جاء الرمز الممثل للرقم واحد على يمين الرمز الممثل للرقم خمسة فإنه سيقرأ ستة هكذا ( VI ) .
وهكذا إستمر التطوير إلى "أن جاء العرب ووضعوا الأرقام كاملة ووفق الأسس المتشكلة عليه الآن وأخترعوا الصفر إذ أن الصفر لم يكن له وجود في كل الأمم السابقة .
وهنا أوجد العلماء نظام عد للدارات الإلكترونية كي تكون أساسا للتعامل معها وكسائر الأنظمة العددية السابقة فقد طورت الأنظمة العددية فقد كانت بسيطة ثم إحتاج الأمر إلى نظام جديد يتيح للمصممين إضافة معلومات أكثر من خلال وضع خانات أكثر وإضافة بتات ( Bit ) وذلك لنمو هذا العلم ووصوله إلى إنتاج أجهزة قوية قادرة على مساعدة الإنسان في حياته ولها سرعة عمل عالية جدا ووثوقية أكبر وهذا مايحتاج له العلماء في فهم ماحولهم من الأشياء فعلماء الكون يحتاجون إلى مكبر ذو بؤر بصري عميق ولو تم تشكيل هذا المكبر بالعناصر التقليدية كالزجاج والكريستال فإنهم سيحتاجون إلى مساحة كبيرة جدا من الأراضي والمنشآت والمواد ولكن المجهر الإلكتروني قام بالتغلب على كل هذه المشكلات وأصبحت نسبة التكبير تقاس بملايين المرات بعدما كانت تقاس بعشر مرات ومئة وألف مرة وهو ذو حجم صغير ومتناسب مع الإمكانيات البشرية .
والحاسب الذي بين أيدينا هو من نتاج الإلكترونيات الرقمية وطبعا للحاسب فضل كثير علينا فبه أصبحت العمليات الحسابية تقاس بأجزاء من المليون من الثانية ودخول الحاسب في جميع مجالات حياتنا ماهو الا دليل على مدى أمانته وسرعته .
وقبل البدئ بدراسة الأنظمة العددية سنبدأ أولا بدراسة أسس ومبادئ النظام العشري الذي يعتبر والد كل الأنظمة العددية وهو أكثر إنتشارا في جميع أسقاع الأرض بل كل من على الأرض يتعامل معه كل يوم وكل ثانية وهو محور حساباتنا وتعاملنا التجاري والصناعي وماهناك من تعاملات حسابية اليومية.

النظام العشري ( Decimal System ) :
كلنا يعرف الأرقام ( 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ) ونعرف أنه تتشكل جميع الأعداد من تلك الأرقام العشر وبما أن عددها هو عشر فلذلك إقترح العلماء تسمية هذا النظام بالنظام العشري لأن عدد أرقامه هو عشرة وبما أن عدد أرقامه عشرة فأساس هذا النظام هو العدد 10 وأرجو أن تؤكدوا على كلمة أساس هذا النظام هو العدد 10 لأن جميع الحسابات في مابعد سيكون لها أساس وكل نظام له أساس مختلف عن الآخر وسنوضح ذلك في ما بعد .
ويمكن أن تصور أي عدد ( X ) في هيئة مجموع لحاصل ضرب عشرات مختلفة القوة في المعاملات ويمكن توضيح ذلك بالشكل التالي :



يعني أننا نستطيع القول أنه ذكرى ميلاد الوحدة العربية كان في الألف الأول بعد الميلاد ( ميلادسيدنا عيسى عليه وعلى سيدنا محمد أفضل الصلاة والسلام ) في التسعمئة عام التي بعد الألفية الأولى في الخمسين عاما بعد الألفية الأولى والتسع مئة التي بعد الألفية في العام الثامن من الخمسين عاما بعد التسع مئة عاما بعد الألفية الأولى وبدون هذه ( اللخبطة ) نقول في عام ألف وتسع مئة وخمس وثمانون وخلاص إنتهت المشكلة .
وأردت من هذا التفريد في كل عدد على حدى لأننا سنحتاج إلى تفصيل كل رقم بخانته في النظم المقبلة .
ومن مثالنا السابق نستطيع فهم آلية النظام العشري وكيفية إيجاد مرتبة أي رقم في أي عدد ومعرفة قيمته على أساس الخانة التي هو فيها .
وطريقة العد بهذا النظام تكون بإضافة واحد فقط إلى الرقم الذي في أقصى يمين أي عدد مبتدئيين بالصفر , يعني مثلا لو أردنا العد إلى ألف فكيف يكون ذلك :
نبدأ بالرقم صفر ومن ثم نضيف واحد إلى أول رقم على يمين العدد فيصبح الناتج 0+1=1 ومن ثم نضيف واحد إلى هذا الرقم فينتج لدينا 1+1=2 ومن ثم نضيف واحد فيصبح لدينا 3+1=3 ......ولنفرض أننا وصلنا للعدد 151 فيكون تتابع العد بإضافة رقم واحد إلى أول رقم على يمين العدد 151+1=152 ...... وهكذا إلى أن نصل إلى غايتنا وعند وصول الرقم في أقصى يمين أي عدد إلى الرقم تسعة ونريد متابعة العد نقوم على وضع صفر ونضيف واحد إلى الخانة الثانية التي بعد أول خانة على اليمين طريقة معروفة وكلنا نعلمها وأردت توضيحها تيمنا بالنظم التي سنشرح طريقة تعدادها فيما بعد .