رسم الدوائر الرقمية - الهندسة - ثاني ثانوي

رابط الدرس الرقمي www.ien.edu.sa GND SOI Input Input SVRR Input شكل 3.1 المكونات الإلكترونية وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 Tumb الدرس الثالث رسم الدوائر الرقمية المكونات الأساسية للدوائر الرقمية Core Hardware Components of a Digital Circuit تُنشأ الدوائر الرقمية باستخدام المكونات الأساسية كما يلي: > تتصل جميع المكونات في الدائرة بأسلاك توصيل ويتم تتبع اتجاه التيار باستخدام الصمامات الثنائية (Diodes). > تُستخدم الترانزستورات لتغيير الإشارات الرقمية بين القيمتين المنطقيتين 0 و 1. تتكون البوابات المنطقية من مجموعة من الترانزستورات (Transistors) التي تنفذ المنطق البوليني داخل الدائرة. > تدمج هذه البوابات لإنشاء مكونات تنفذ عمليات منطقية أكثر تعقيدا وهي: المجمعات (Adders): تُستخدم لتنفيذ العمليات الحسابية الأساسية: الجمع والطرح والضرب والقسمة . القلابات (Flip-Flops) والتي تُعدُّ المكون الأساسي لذاكرة الحاسب، ولديها القدرة على تخزين المدخلات والمخرجات. الصمامات الثنائية Diodes الصمامات الثنائية هي عناصر إلكترونية شبه موصلة تسمح بمرور التيار الكهربائي في اتجاه واحد ، وتتكون من طرفين: أحدهما موجب أو مصعد (Anode)، والآخر سالب أو مهبط (Cathode)، وتوجد مقاومة ضئيلة في أحد الطرفين ومقاومة عالية في الاتجاه المعاكس مما يسمح للتيار بالمرور باتجاه واحد عبرها. أطراف الصمامات الثنائية Terminals of Diodes مهابط الصمامات الثنائية (Cathodes) هي أقطاب كهربائية تعمل على تحويل التيار بعيدا عن المكون المتصل بها. تعمل مصاعد الصمامات الثنائية (Anodes) بصورة معاكسة للمهابط بتوجيه التيار للمكون نفسه. تسمح قطبية هذين الطرفين بتحويل سريان التيار الكهربائي والتحكم فيه عند نقطة معينة في الدائرة، ويُعدُّ هذا سبب استخدامها في مصادر الطاقة الكهربائية والصمامات الثنائية. 88

تُستخدم الصمامات الثنائية بشكل واسع في الأغراض الآتية: تُوضع الصمامات الثنائية في المقومات لتحويل التيار المتردد (Alternating Current إلى تيار مستمر .(Direct Current) > إنشاء بوابات منطقية بسيطة (AND و NOT و OR). > استعادة إشارات الراديو الأصلية وفك تشفيرها من خلال عملية فك التضمين (Demodulation) في مستقبلات الراديو. > أنواع الإضاءة المختلفة، حيث أن الدايود المشع للضوء (Light Emitting Diodes - LED يبعث الضوء عند سريان التيار عبره. أنواع الصمامات الثنائية دايود حساس للضوء دایود زینر (Photodiode) T67237 000 dBµV شكل 3.2 مخطط التيار المستمر دايود شوتكي دايود مشع للضوء دايود طاقة (Schottky Diode) (Zener Diode) الترانزستورات Transistors و لک تُعد الترانزستورات من أهم الاختراعات التقنية في العصر الحديث. وتصنع الترانزستورات من أشباه موصلات يمكنها تبديل مدخلات الإشارة وتضخيمها . حلت الترانزستورات بسرعة مكان الصمامات المفرغة (Vacuum Tubes)، وذلك نظرًا لميزاتها العديدة، مثل صغر حجمها مقارنةً بالصمامات المفرغة، مما سمح بدمجها في الدوائر الرقمية والمتكاملة. وتستهلك الترانزستورات مقدارًا ضئيلا من الطاقة، مما جعلها بديلا ناجحًا من حيث التكلفة والكفاءة في استخدام الطاقة من الصمامات المفرغة. وتُعدُّ الترانزستورات اللبنات الأساسية للبوابات المنطقية المعقدة. (LED) الترانزستورات < . دايود إشارة (Signal Diode) (Power Diode) الصمامات المفرغة شكل 3.3 مقارنة بين الصمام المفرغ والترانزستور 89 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

الدائرة المتكاملة (Integrated Circuit (IC إذا فتحت جهازًا إلكترونيًا أو رقميًا فإنك ستلاحظ مكونات إلكترونية صغيرة أو كبيرة ذات أطراف عديدة. يُطلق على هذه المكونات اسم الرقائق الدقيقة (Microchips) ، وتتكون من قطعة مسطحة من مادة شبه موصلة مصنعة غالبًا من السيليكون مدمج بها مجموعة من الترانزستورات والمقاومات والمكثفات. ويتم تكوين البوابات المنطقية بدمج مجموعات من المقاومات والترانزستورات والصمامات الثنائية، وهكذا يمكن للدائرة إجراء عمليات سهلة أو معقدة من خلال المجموعة المتنوعة من البوابات المنطقية. ويطلق على الدوائر الرقمية ذات المكونات المتعددة اسم الدوائر المتكاملة. شكل :3.5 دائرة التكامل الفائق (VLSI) تعد الدائرة المتكاملة أساس تكوين جميع الأجهزة الإلكترونية والرقمية الحديثة، وتتميز بكونها أصغر حجمًا وأكثر سرعة وأقل تكلفة من أنواع الدوائر الأخرى التي تتكون من مكونات إلكترونية منفصلة. ورغم التكلفة المرتفعة لتصميم الدائرة المتكاملة، فإن إنتاج كميات كبيرة منها يؤدي لخفض تكلفة الرقاقة على المستهلك. جدول 3.4 الدائرة المتكاملة حجم الدائرة المتكاملة عدد الترانزستورات 10-1 SSI 500-10 MSI 20.000 - 500 LSI 1.000.000 20.000 VLSI 1.000.000< وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 ULSI OLTA 3333 470 470 F16 F16 CZAC73672 C7 .83 شكل 3.4 دائرة متكاملة قياسية بناءً على تصميم كل رقاقة وعدد الترانزستورات بها ، يمكن تصنيف الدوائر المتكاملة إلى: > الدوائر المتكاملة صغيرة الحجم Small Scale Integration) تصل مكوناتها إلى عشر ترانزستورات > الدوائر المتكاملة متوسطة الحجم Medium Scale International) تتكون من عشرات إلى مئات الترانزستورات. > الدوائر المتكاملة كبيرة الحجم Large Scale Integration: تتكون من مئات إلى عشرات الآلاف من الترانزستورات. > الدوائر المتكاملة الفائقة (Very Large Scale Integration-VLSI) تتكون من عشرات الآلاف إلى مليون ترانزستور. > الدوائر المتكاملة هائلة الحجم (Ultra Large Scale Integration-US): تتكون من ملايين إلى مليارات الترانزستورات. ويمكن تصنيف الدوائر المتكاملة إلى رقمية أو تماثلية أو مزيج من هذين النوعين. وتهدف الدائرة المتكاملة إلى دمج أكبر عدد ممكن من البوابات المنطقية، وكذلك دوائر رقمية أخرى في رقاقة واحدة من أشباه الموصلات. وتُعدُّ وحدة المعالجة المركزية في الحاسب نوعًا من الدوائر المتكاملة والتي قد تحتوي على المليارات من الترانزستورات. 90

إذا أمعنت النظر في إحدى الدوائر المتكاملة البسيطة مثل 74LS08 ، فستلاحظ أن تكوينها يحتوي على أربع بوابات AND منطقية كما هو موضح في المخطط أدناه. ويكون التمثيل الفعلي للبوابات من خلال الترانزستورات والصمامات الثنائية والمقاومات، ولكن الوظيفة الخاصة بالرقاقة تتبع كيفية تمثيلها في المخطط، فمثلًا يُظهر الرسم التخطيطي الدائرة الفعلية لبوابة AND واحدة فقط. HD74LS08P VCC A4 B4 Q4 A3 B3 Q3 LS08 14 13 12 11 10 9 8 VCC 320 K2 10k 2 8 2 12052 INPUTS A B 1-2-3 A1 B1 Q1 4 A2 5 6 7 B2 Q2 GND شكل 3.6 : البوابات المنطقية للدائرة المتكاملة 74LS08 -> ** Copyright © 1988, Texas Instruments Incorporated 552 OUTPUT 1.5 2 32 GND شكل 3.7 رسم تخطيطي لبوابة AND واحدة في الدائرة المتكاملة 74LS08 تتكون وحدة المعالجة المركزية من المليارات من البوابات المنطقية المستخدمة لإجراء العمليات الحسابية والمنطقية، ولتخزين البيانات مؤقتًا للمعالجة. 329 33 شكل 3.8 صورة مكبرة لوحدة معالجة مركزية نموذجية 91 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

a (ww) وسم وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 البوابات المنطقية في برنامج ملتي سيم لايف Logic Gates on Multisim Live Untitled Circuit Interactive ▼ + Schematic Grapher A ' Split توجد جميع البوابات المنطقية داخل علامة التبويب Digital (رقمي) في شريط الأدوات. Digital يمكن تبديل قيمة الثابت الرقمى بين القيمتين 0 و 1 العملية البوابة المنطقية NOT Inverter AND AND OR OR XOR XOR NAND NAND NOR NOR XNOR XNOR D Digital Constant AND OR NAND NOR XOR XNOR Buffer Inverter شكل 3.9 : برنامج محاكي الدوائر ملتي سيم لايف 92

+ -~- ww 93 ° رسم الدوائر الرقمية Drawing Digital Circuits قم بزيارة الموقع الإلكتروني: www.multisim.com وقم بتسجيل الدخول إلى حسابك من خلال المتصفح، ثم أنشئ ملفًا جديدًا. ستنشئ دائرة رقمية لبوابة AND المنطقية، وأول ما ستضيفه مفتاح (Switch) وتُسميه A. ہے 1 Digital Digital Constant 2 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 3 1 4 A لإضافة الثابت الرقمى :A من Components toolbar (شريط أدوات المكونات ، اضغط على علامة التبويب Digital (رقمي) . 1 > اسحب Digital Constant ) الثابت الرقمي) ، وأفلته في مساحة العمل. 3 X 4 > غير اسم Digital Constant الثابت الرقمي) إلى A. AND OR NAND NOR XOR XNOR Buffer Inverter الثابت الرقمي (Digital Constant) هو ثابت رقمي تفاعلي ينتج عنه حالة رقمية إما 1 (تشغيل) أو 0 (إيقاف). شكل 3.10: إضافة الثابت الرقمي A لمحة سريعة يعمل الثابت الرقمي مثل المفتاح ويمكن تغيير حالته من 1 ( تشغيل ) إلى 0 (إيقاف) بمجرد الضغط على زر التشغيل أو بالضغط مباشرةً على المفتاح عند تشغيل عرض المحاكاة.

Q V © ستضيف الآن مفتاحا ثانيًا باسم .B. الإضافة الثابت الرقمى :B من Components toolbar (شريط أدوات المكونات)، اضغط على علامة التبويب Digital .(رقمي ) . > اسحب Digital Constant الثابت الرقمي) ، وأفلته في مساحة العمل. 3 غير اسم Digital Constant الثابت الرقمي) إلى B .4 Interactive Schematic 1 Grapher Split A 0 4 B 3 1 ว ✓ AND OR NAND NOR XOR 1 Digital Digital Constant 2 D وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 XNOR Buffer Inverter شكل 3.11: إضافة الثابت الرقمي B لا تنس أنه يمكنك دائمًا استخدام زر النسخ لإضافة المزيد من المكونات نفسها. 94

95 والآن قم بإضافة بوابتك المنطقية الأولى. لإضافة بوابة AND :المنطقية > من Components toolbar (شريط أدوات المكونات ، اضغط على علامة التبويب Digital (رقمي). 1 1 Digital 2 > اضغط على مجلد AND 2 3 > اسحب Minut AND بوابة AND) بمُدِّ خَلين) ، وأفلتها في مساحة العمل. > غير اسم البوابة Minut AND بوابة AND بمُدْخَلين) إلى " AND " . © Q Digital Constant AND OR NAN[ V وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 AND XNOR Buffer Inverter A 0 I 1 4 B ت A 3 D- D 2-Input AND 3-Input AND 4-Input AND 5-Input AND 6-Input AND 7-Input AND 8-Input AND شكل 3.12 إضافة بوابة AND المنطقية 5 ما AND ✓

A 0 1 1 B 3 تابع العمل بتوصيل بوابة AND بالمفتاحين A و B . لإجراء التوصيلات 1 > اضغط على Digital Constant A الثابت الرقمي (A) ، ثم على المدخل العلوي لـ input AND ) بوابة AND) بمدخلين ) . > اضغط على Digital Constant B الثابت الرقمي (B) ، ثم على المدخل السفلي لـ Minut AND بوابة AND) بمُدْخَلين. 4 1 AND 2 4 شكل 3.13: إجراء التوصيلات وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 96

قم الآن بإضافة الدايود المشع للضوء (LED) لمعاينة النتيجة عندما تكون 1 ( حالة مرتفعة) أو 0 ( حالة منخفضة). لإضافة الدايود المشع للضوء الدايود المشع للضوء (LED): > من Components toolbar (شريط أدوات المكونات) ، اضغط على علامة هو مكون إلكتروني يُصنع من أشباه الموصلات التبويب Diodes الصمامات الثنائية ) . 1 > اسحب LED الدايود المشع للضوء ) ، 2 وأفلته في مساحة العمل. > اضغط على زر Rotation التدوير لتنفيذ استدارة LED (الدايود يبعث الضوء عند سريان تيار كهربائي خلاله. 97 V 1 Diodes سام أو وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 A 0 B 5 المشع للضوء ) في هذا الموضع. 1 LED1 AND 2 2 Diode Zener LED General purpose diodes... 3 حالات الدايود المشع للضوء تشغيل (1) إيقاف (0) -> شكل 3.14: إضافة الدايود المشع للضوء 4 5 × X LED1

Q A 1 LED1 0 AND 1 2 B 0 2 ستوصل بعد ذلك بوابة AND بالدايود المشع للضوء (LED1) لإجراء التوصيلات > اضغط على مُخْرَج input AND (بوابة AND بمُدْخَلين)، ثم على مُدْخَل LED1 1 ( الدايود المشع للضوء ) . 2 لتُضف الآن المجس الرقمي (Digital probe). لإضافة المجس الرقمي من Components toolbar (شريط أدوات المكونات) ، اضغط على علامة تبويب Analysis and annotation ( التحليل والتعليق التوضيحي) . 1 > اسحب Digital probe المجس الرقمي)، وأفلته على التوالي مع LED ( الدايود المشع للضوء ) . 3 شكل 3.15 : إجراء التوصيلات يمكن إضافة مجسات رقمية إلى الدائرة الرقمية لتعرض ما إذا كانت القيمة 0 (إيقاف) أو 1 (تشغيل) في نقطة محددة عند موضع وجود 1 Analysis and annotation V - D (w) D المجس. 2 A VIA V Abc 0/1 Voltage Current Voltage and Current Voltage Text Digital Reference Annotation 1 A 1 LED1 0 AND PR1 d- 0/1 B 2 اله شكل 3.16: إضافة المجس الرقمي وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 3 98

99 Q 1 Scher 2 connectors -- سلم Ground I Connector Junction قم الآن بإضافة الطرف الأرضي (Ground) إلى دائرتك الرقمية. لإضافة الطرف الأرضي من Components toolbar (شريط أدوات المكونات) ، اضغط على علامة تبويب Schematic connectors الموصلات (التخطيطية. 1 اسحب Ground الطرف الأرضي ، وأفلته في مساحة العمل. 2 3 1 1 A 0 1 AND PR1 d - 0/1 B 1 2 التأريض (Grounding): في الدوائر المتكاملة هو نقطة مرجعية (0) لقياس الفولتية، ويُعد بمثابة حماية للدائرة من التلف في حال حدوث عطل ما . وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 2 T LED1 X 3 شكل 3.17: إضافة الطرف الأرضي في النهاية تحتاج إلى توصيل الدايود المشع للضوء (LED1) بالطرف الأرضي. التوصيلات 1 دو > اضغط على مُخْرَج LED1 ( الدايود المشع للضوء ) ، ثم صله بالطرف الأرضي. A 1 LED1 0 AND PR1 d- 1 0/1 B 2 1 شكل 3.18: التوصيلات 2

100 أخيرا تحتاج أن تلقي نظرة على آلية عمل الدائرة الرقمية في وضع المحاكاة. > في المثال الأول، المدخلات A و B في حالة إيقاف (0) ، والمُخْرَجات في حالة إيقاف (0) أيضًا. > في المثال الثاني، المدخل A في حالة تشغيل (1) ، والمدخل B في حالة إيقاف (0) ، والمُخْرَج في حالة إيقاف (0). > في المثال الثالث، المدخلات A و B في حالة تشغيل (1) ، والمُخْرَجات في حالة تشغيل (1). مثال: لا تنس أن تضغط على زر التشغيل وذلك لتشغيل وضع المحاكاة. 1 LED1 0 AND PR1 d Lo 0 في وضع المحاكاة، عند مرور التيار عبر الموصل (1) في حالة التشغيل، يتغير لونه من اللون الأزرق إلى اللون الأزرق الفاتح. A B 2 0 A 1 LED1 1 AND PR1 d Lo 0 0 الدايود المشع للضوء (LED1) في حالة تشغيل، لذلك ينبعث منه ضوء أحمر. معلومة LED1 0 B 2 0 تعرض المجسات الرقمية حالة التشغيل (1). A 1 1 AND PR1 d Hi 1 B 1 2 = عند استخدام المجسات الرقمية فإن (0) - d Lo ترمز للإيقاف ، و (1) = d i تعني التشغيل. الرقم 1 يعني حالة التشغيل. الرقم 0 يعني حالة الإيقاف. وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

الجامع المنطقي النصفي Half Adder الجامع المنطقي النصفي هو عبارة عن دائرة رقمية مهمتها جمع الأرقام. يجمع الجامع المنطقي النصفي رقمين ثنائيين بخانة واحدة، وينتج المخرج من خانتين بالإضافة إلى قيمة حمل. يحتوي الجامع على مُدْخَلين A و B ، ومُخْرَجين هما المجموع (Sum) ، والآخر فائض الجمع (Carry)، وغالبًا تُصمّم هذه الدائرة باستخدام بوابة XOR واحدة وبوابة AND منطقية أخرى. و إذا دمج جامعان منطقيان نصفيان معا باستخدام بوابة OR يصبح لدينا جامع منطقي كامل (Full Adder). C S B A 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 ہے 1 1 0 1 1 101 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 B 0 A 0 2 S C جامع منطقي نصفي جامع منطقي نصفي من 1 بت فائض الجمع المجموع (1bit half adder) (Carry) (Sum) A المُدْخَل B مثال: مخطط الجامع المنطقي النصفي LED1 XOR PR1 1 d- D 0/1 LED2 AND PR2 d- 0/1 0 0 معلومة ور يستخدم كل من الجوامع المنطقية النصفية والجوامع النصفية الكاملة دوائر رقمية لتمثيل البوابات المنطقية المدمجة، ويُستخدم كلُّ منهما في عمليات الجمع، ولكن يتمثل الاختلاف الرئيس بينهما في أن أدوات الجامع الكامل تستخدم الحمل من العملية الحسابية السابقة كمدخل ثالث في الحسابات ذات الخانتين (2) بت) ، بينما يتجاهل الجامع المنطقي النصفي أي قيم سابقة لخانة الحمل. تتكون الجوامع الكاملة من دمج جامعين منطقيين نصفيين وبوابة OR

وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 تمرينات ما نوع البوابات المنطقية التي يمكن إنشاؤها عند الجمع بين البوابات المنطقية، وكيف يمكنك استخدام كل منها ؟ ما وظيفة الصمامات الثنائية؟ وماذا يطلق على طرفيها الاثنين؟ ما ميزات استخدام الترانزستورات؟ 1 2 3 102

103 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 ما المقصود بالدوائر المتكاملة؟ 4 5 افتح برنامج ملتي سيم لايف وارسم الدائرة الأساسية لبوابة OR المنطقية، ولاحظ أنك ستحتاج إلى استخدام المكونات الموضحة أدناه. Digital Constant D 2-input OR ( بوابة OR بمدخلين) ( الثابت الرقمي) LED Ground الطرف الأرضي) ( الدايود المشع للضوء ) 6 ارسم الدائرة الرقمية المقابلة للدالة الآتية في برنامج ملتي سيم لايف. Y = (A + B . (A

وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 A 0 NOT B 0 OR C 0 7 أنشئ الدائرة الرقمية الآتية في برنامج ملتي سيم لايف XOR PR1 d 0/1 LED1 ما الحالات التي يكون فيها المجس المُخْرَج) في حالة إيقاف (0)؟ وفي أي الحالات يكون فيها في حالة تشغيل (1)؟ شغل المحاكاة واملأ الجدول أدناه. المدخل A المدخل B المدخل C المخرج 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 104