डिजिटल इलेक्ट्रॉनिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 6 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

संख्या पद्धतियाँ

स्थानीय मान: बाइनरी 2^k, ऑक्टल 8^k, हेक्स 16^k
दशमलव में: Σ d_k·b^k
दशमलव से: आधार से भाग दें, शेषफल नीचे से ऊपर पढ़ें
हेक्स ↔ बाइनरी: एक हेक्स अंक = 4 बिट
टू’ज़ कॉम्प्लीमेंट: बिट उलटें और 1 जोड़ें

डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉप

मूल गेट: A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
बूलीय नियम: X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
डी मॉर्गन: (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
कार्नो मानचित्र का क्रम: 00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ खानों का समूह: k चर खो देता है
4-से-1 मल्टीप्लेक्सर: F = A′B′I₀ + A′BI₁ + AB′I₂ + ABI₃
फ़्लिप-फ़्लॉप: D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
काउंटर: n-बिट: 2ⁿ अवस्थाएँ; mod-N: सबसे छोटा n जिसमें 2ⁿ ≥ N; f_out = f_clk/N
रिपल काउंटर: f_max = 1/(n·t_pd)
रिंग और जॉनसन काउंटर: n और 2n अवस्थाएँ

विधि

परिपथ के लिए निवेशों से निर्गत तक एक-एक गेट करके काम करें और हर तार पर मान लिखें, या उसका व्यंजक लिखें और सत्यमान सारणी भरें।
सरलीकरण के लिए 1 (और डोंट-केयर को X के रूप में) को ग्रे-कोड पंक्तियों और स्तंभों वाले कार्नो मानचित्र में रखें: 00, 01, 11, 10।
1 को 1, 2, 4, 8 या 16 खानों के जितने कम और जितने बड़े संभव हों उतने समूहों से ढकें, किनारों से लिपटते हुए; हर समूह एक गुणन पद है जो उन चरों से बना है जो स्थिर रहते हैं। POS रूप के लिए 0 को समूहित करें।
फ़्लिप-फ़्लॉप और काउंटरों के लिए हर सक्रिय क्लॉक कोर पर निवेश पढ़ें, हर कोर के बाद अवस्था लिखें, और याद रखें कि n-बिट काउंटर 2ⁿ अवस्थाओं के बाद लौट जाता है।

डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

नाइक्विस्ट मानदंड: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
ऐलियास आवृत्ति: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
चरण आकार: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
क्वांटीकरण त्रुटि (निकटतम पूर्णांकन): ±½ LSB
ADC कोड का छाँटना (ट्रंकेशन): D = ⌊V_in/LSB⌋
वियोजन r के लिए बिट: 2ᴺ ≥ span/r
आदर्श SQNR, पूर्ण-स्केल ज्यावक्र: SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
डेटा दर: चैनल × f_s × N bit/s
मल्टीप्लेक्स्ड ADC: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/बॉड; 8N1 = प्रति बाइट 10 बिट; बाइट/s = बॉड/प्रति फ़्रेम बिट
बॉड दर विभाजक: baud = f_clk/(16·D)

विधि

लिख लें कि क्या दिया है: प्रतिदर्श दर, संकेत आवृत्तियाँ, बिट संख्या, निवेश परिसर, बॉड दर।
प्रतिचयन के प्रश्नों में हर आवृत्ति की तुलना f_s/2 से करें; इससे ऊँची आवृत्ति f_a = |f − k·f_s| पर दिखती है, जहाँ f_s का निकटतम गुणज लिया जाता है।
वियोजन के प्रश्नों में 1 LSB = V_FSR/2ᴺ ज्ञात करें, या सबसे छोटा N ज्ञात करें जिसके लिए 2ᴺ ≥ विस्तार/वियोजन हो।
डेटा दर और UART लिंक के लिए वह सब गिनें जो भेजा जाता है: चैनल, प्रति सेकंड प्रतिदर्श, प्रति प्रतिदर्श बिट या पूरे बाइट, और हर फ़्रेम के स्टार्ट, पैरिटी और स्टॉप बिट।

2अभ्यास प्रश्न

1.संख्या पद्धतियाँमध्यम

−96 को 8-बिट दो के पूरक पैटर्न के रूप में लिखें। पैटर्न को अचिह्नित द्विआधारी संख्या के रूप में पढ़ें: दशमलव में इसका मान U क्या है?

N = −968 bit

U =

2.संख्या पद्धतियाँकठिन

बिट को 1110 1101 << 2 के 8-बिट परिणाम पर सेट करें। दशमलव में परिणाम का मान R क्या है?

1110 1101<< 2

R =

3.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉपमध्यम

इस कार्नो मानचित्र में ठीक एक 1 का कोई पड़ोसी 1 नहीं है, इसलिए वह न्यूनतम SOP रूप में एक खाने का समूह (चार लिटरल का पूर्ण मिनटर्म) बना रहता है। मानचित्र के किनारों के आर-पार के पड़ोसी भी गिने जाते हैं। उस खाने पर क्लिक करें।

F = Σm(2, 5, 8, 10, 11, 14)

1AB = 00, CD = 00
2AB = 00, CD = 01
3AB = 00, CD = 11
4AB = 00, CD = 10
5AB = 01, CD = 00
6AB = 01, CD = 01
7AB = 01, CD = 11
8AB = 01, CD = 10
9AB = 11, CD = 00
10AB = 11, CD = 01
11AB = 11, CD = 11
12AB = 11, CD = 10
13AB = 10, CD = 00
14AB = 10, CD = 01
15AB = 10, CD = 11
16AB = 10, CD = 10

4.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉपकठिन

एक 4-बिट शिफ़्ट रजिस्टर Q₃Q₂Q₁Q₀ में 1011 है। हर क्लॉक कोर पर बिट एक स्थान दाईं ओर खिसकते हैं (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ खो जाता है) और सीरियल निवेश Q₃ में प्रवेश करता है। सीरियल निवेश 5 कोरों पर 1, 0, 1, 1, 0 है। अंतिम अवस्था Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ दशमलव संख्या में दें।

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10111, 0, 1, 1, 0

Q =

5.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम

एक रिकॉर्डर 4 चैनलों को हर एक 50 kHz पर 12-बिट ADC से प्रतिदर्शित करता है। हर प्रतिदर्श पूरे बाइट में सहेजा जाता है। 30 मिनट की रिकॉर्डिंग के लिए आवश्यक मेमोरी M MB में ज्ञात कीजिए (1 MB = 10⁶ बाइट)।

n = 4f_s = 50 kHzN = 12t = 30 min

M = MB

6.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन

एक 4-चैनल मल्टीप्लेक्सर एक ADC को निवेश देता है। हर रूपांतरण में 10 µs लगते हैं, और हर चैनल बदलने के बाद निवेश को स्थिर होने में 2 µs चाहिए। चैनलों को बिना रुके बारी-बारी से स्कैन किया जाता है। हर चैनल की प्रतिदर्श दर f_s kHz में ज्ञात कीजिए।

n = 4t_c = 10 µst_set = 2 µs

f_s = kHz

3विलयन

1.संख्या पद्धतियाँ

उत्तर: U = 160

स्थानीय मान संख्या पद्धतियाँ: हर अंक का मान उसके मान गुणा आधार की एक घात होता है। द्विआधारी में स्थान 1, 2, 4, 8, 16, … के होते हैं; षोडशआधारी में 1, 16, 256, …, जहाँ A–F का अर्थ 10–15 है। 8-बिट दो के पूरक में सबसे बाईं बिट +128 के बजाय −128 की होती है; ऋणात्मक संख्याएँ इसी तरह संग्रहीत होती हैं।

उलटें और एक जोड़ें

96 = 0110 0000

उलटा हुआ: 1001 1111

+1 → 1010 0000

अचिह्नित रूप में पढ़ें

1010 0000₂ = 256 − 96 = 160

उत्तर

U = 160

2.संख्या पद्धतियाँ

उत्तर: R = 180

बिट सेट करना: हर बिट दो की एक घात के बराबर है (128, 64, …, 1)। एक हेक्स अंक ठीक चार बिट होता है, और 8-बिट 2 के पूरक में सबसे बाएँ बिट का मान −128 होता है। बिटवाइज़ संक्रियाएँ हर बिट स्थान पर अलग-अलग काम करती हैं।

बिट-दर-बिट

2 से बाईं ओर शिफ़्ट करने पर हर बिट 2 स्थान बाईं ओर खिसकता है; बाएँ सिरे से गिरे बिट खो जाते हैं और दाईं ओर शून्य आ जाते हैं।

1110 1101 << 2

= 1011 0100

परिणाम का मान

1011 0100₂ = 180

उत्तर

R = 180

3.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉप

उत्तर: AB = 01, CD = 01

कार्नो मानचित्र: खाने ग्रे कोड (00, 01, 11, 10) में क्रमबद्ध होते हैं, इसलिए पड़ोसी खाने, किनारों के आर-पार वाले भी, ठीक एक चर में भिन्न होते हैं। 1 को 1, 2, 4, 8 या 16 खानों के आयतों में समूहित करें, जितने बड़े और जितने कम समूह हो सकें, जब तक हर 1 ढक न जाए। हर समूह एक गुणन पद है: वे चर जो उसके भीतर स्थिर रहते हैं। 2ᵏ खानों का समूह k चर खो देता है। डोंट-केयर (X) का उपयोग समूह बड़े करने के लिए किया जा सकता है पर उन्हें ढकना ज़रूरी नहीं है। इसके बजाय 0 को समूहित करने से न्यूनतम POS रूप मिलता है।

हर 1 के पड़ोसी

पड़ोसी 1 वाला 1 दो या अधिक के समूह में शामिल हो सकता है।

m5: m4, m7, m1, m13 → 0

अकेला 1

m5 = A′BC′D → AB = 01, CD = 01

उत्तर

AB = 01, CD = 01

4.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉप

उत्तर: Q = 6

फ़्लिप-फ़्लॉप और काउंटर: फ़्लिप-फ़्लॉप केवल सक्रिय क्लॉक कोर पर बदलता है। D अपना निवेश कॉपी करता है (Q⁺ = D); T तब टॉगल करता है जब T = 1; JK 00 पर स्थिर रहता है, 01 पर रीसेट करता है, 10 पर सेट करता है और 11 पर टॉगल करता है। n-बिट द्विआधारी काउंटर की 2ⁿ अवस्थाएँ होती हैं और वह 2ⁿ के मापांक में गिनता है; mod-N काउंटर 0, 1, …, N − 1 तक जाकर फिर 0 पर लौटता है, और उसे ऐसे सबसे छोटे n फ़्लिप-फ़्लॉप चाहिए जिसमें 2ⁿ ≥ N हो। रिपल काउंटर का हर चरण आवृत्ति को आधा कर देता है, इसलिए mod-N काउंटर का अंतिम निर्गत f_clk/N पर चलता है। n फ़्लिप-फ़्लॉप वाले जॉनसन काउंटर की 2n अवस्थाएँ होती हैं, रिंग काउंटर की n।

हर कोर के बाद की अवस्था

1011 → 1101 → 0110 → 1011 → 1101 → 0110

दशमलव मान

0110₂ = 6

उत्तर

Q = 6

5.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: M = 720 MB

डेटा दरें: हर चैनल प्रति सेकंड N बिट के f_s प्रतिदर्श देता है, इसलिए कच्ची दर चैनल × f_s × N bit/s है। मेमोरी में एक प्रतिदर्श पूरे बाइट लेता है (12-बिट प्रतिदर्श 2 बाइट में सहेजा जाता है), इसलिए किसी रिकॉर्डिंग की मेमोरी चैनल × f_s × प्रति प्रतिदर्श बाइट × समय है। मल्टीप्लेक्स्ड ADC चैनलों को एक के बाद एक रूपांतरित करता है: हर रूपांतरण (स्थिरीकरण सहित) में समय t लगता है, इसलिए n चैनलों का एक चक्कर n·t लेता है और हर चैनल 1/(n·t) पर प्रतिदर्शित होता है।

प्रति प्रतिदर्श बाइट

⌈12/8⌉ = 2 B

बाइट दर

4·50000·2 = 400000 B/s

मेमोरी

M = 400000·1800 = 7.2 × 10⁸ B = 720 MB

उत्तर

M = 720 MB

6.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: f_s = 20.83 kHz

प्रति चैनल समय

10 + 2 = 12 µs

प्रति स्कैन समय

4·12 = 48 µs

प्रति चैनल प्रतिदर्श दर

f_s = 1/48 µs = 20.83 kHz

उत्तर

f_s = 20.83 kHz

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