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

बिट इस तरह सेट करें कि वे 8-बिट 2 के पूरक में −77 संग्रहीत करें। चिह्नरहित संख्या के रूप में पढ़ने पर पैटर्न का मान U क्या है?

N = −778 bit

U =

2.संख्या पद्धतियाँकठिन

एक प्रणाली को 1241 वस्तुओं में से हर एक को समान लंबाई का अपना द्विआधारी कोड देना है। कम से कम कितनी बिटें b चाहिए?

1241

b = bit

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

F = A′B′C + AC′ + AC को उसके न्यूनतम गुणनफलों के योग रूप में सरल करें। सरल किए गए व्यंजक में कितने लिटरल L हैं?

F = A′B′C + AC′ + AC

L =

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

एक mod-60 काउंटर को 60 भिन्न अवस्थाओं से गुज़रना है। उसे कम से कम कितने फ़्लिप-फ़्लॉप n चाहिए?

N = 60

n =

5.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम

60 kHz ज्यावक्र को ऐंटी-ऐलियासिंग फ़िल्टर के बिना 100 kHz पर प्रतिदर्शित किया जाता है। प्रतिदर्शों में वह किस आवृत्ति f_a पर दिखता है? उत्तर kHz में दीजिए।

f = 60 kHzf_s = 100 kHz

f_a = kHz

6.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन

एक ऑडियो मापन को पूर्ण-स्केल ज्यावक्र के लिए कम से कम 70 dB का आदर्श संकेत-से-क्वांटीकरण-रव अनुपात चाहिए। ADC के बिटों की न्यूनतम संख्या N ज्ञात कीजिए।

SQNR ≥ 70 dB

N =

3विलयन

1.संख्या पद्धतियाँ

उत्तर: U = 179

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।

उलटें और एक जोड़ें

77 = 0100 1101

उलटा हुआ: 1011 0010

+1 → 1011 0011

अचिह्नित रूप में पढ़ें

1011 0011₂ = 256 − 77 = 179

उत्तर

U = 179

2.संख्या पद्धतियाँ

उत्तर: b = 11 bit

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।

दो की घातें

2¹⁰ = 1024 < 1241

2¹¹ = 2048 ≥ 1241

उत्तर

b = 11

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

उत्तर: L = 3

बूलीय बीजगणित: व्यंजकों को सरल करने वाले नियम हैं X + X′ = 1 और X·X′ = 0, X + X = X, अवशोषण X + X·Y = X, संयोजन नियम X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y और सहमति प्रमेय XY + X′Z + YZ = XY + X′Z। डी मॉर्गन के नियम (X·Y)′ को X′ + Y′ में और (X + Y)′ को X′·Y′ में बदलते हैं। कार्नो मानचित्र इन नियमों को चित्रात्मक रूप से लगाता है: दो पड़ोसी खानों का हर समूह XY + XY′ = X का एक उपयोग है।

व्यंजक के मिनटर्म

A′B′C → m(1)

AC′ → m(4, 6)

AC → m(5, 7)

समूहित करें और पढ़ें

F = B′C + A

लिटरल गिनें

L = 3

उत्तर

L = 3

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

उत्तर: n = 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।

फ़्लिप-फ़्लॉप की संख्या

2ⁿ ≥ 60 → n = 6 (2⁶ = 64)

उत्तर

n = 6

5.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: f_a = 40 kHz

प्रतिचयन: ADC संकेत को प्रति सेकंड f_s बार मापता है। नाइक्विस्ट–शैनन प्रमेय के अनुसार आवृत्ति f तभी सही पकड़ी जाती है जब f < f_s/2 हो, जो नाइक्विस्ट (वलन) आवृत्ति है, इसलिए प्रतिदर्श दर संकेत की उच्चतम आवृत्ति के दुगुने से अधिक होनी चाहिए। ऊँची आवृत्ति खोती नहीं: वह f_a = |f − k·f_s| पर ऐलियास के रूप में दिखती है, जहाँ पूर्ण संख्या k परिणाम को 0 और f_s/2 के बीच लाती है। प्रतिदर्श दोनों में अंतर नहीं कर सकते, इसलिए ऐनालॉग ऐंटी-ऐलियासिंग फ़िल्टर को ADC से पहले f_s/2 से ऊपर की हर चीज़ हटा देनी चाहिए।

नाइक्विस्ट आवृत्ति

f_s/2 = 50 kHz < f = 60 kHz

प्रतिदर्श दर का निकटतम गुणज

k = round(60/100) = 1

ऐलियास आवृत्ति

f_a = |60 − 1·100| = 40 kHz

उत्तर

f_a = 40 kHz

चित्र में बिंदीदार वक्र ऐलियास है: वह ठीक उन्हीं प्रतिदर्शों से गुज़रता है।

6.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: N = 12

ADC वियोजन: N-बिट कन्वर्टर अपने पूर्ण-स्केल परिसर V_FSR को 0 से 2ᴺ − 1 तक 2ᴺ कोड में बाँटता है। एक चरण 1 LSB = V_FSR/2ᴺ है: वह सबसे छोटा परिवर्तन जो कन्वर्टर दिखा सकता है। छाँटने वाला ADC कोड ⌊V_in/LSB⌋ देता है; निकटतम पूर्णांकन करने वाला ADC वास्तविक मान से कभी ½ LSB से अधिक दूर नहीं होता, यही उसकी क्वांटीकरण त्रुटि है। हर अतिरिक्त बिट LSB को आधा करता है और पूर्ण-स्केल ज्यावक्र के लिए आदर्श संकेत-से-क्वांटीकरण-रव अनुपात SQNR = 6.02·N + 1.76 dB में लगभग 6 dB जोड़ता है। किसी विस्तार पर वियोजन r पाने के लिए सबसे छोटा N चुनें जिसके लिए 2ᴺ ≥ विस्तार/r हो।

N के लिए हल करें

N ≥ (70 − 1.76)/6.02 = 11.34

ऊपर पूर्णांकित करें

N = 12

जाँच: 6.02·12 + 1.76 = 74 dB ≥ 70 dB

उत्तर

N = 12

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