ساختار، انواع، عملکرد و کاربردهای دیکدرهای دیجیتال – علیرضا محمودی فرد

طبق گزارش فرا اقتصاد بین الملل، یکی از مدارهای دیجیتال مشهور، مدار دیکدر است که کاربردهای خاص خود را دارد.

مقدمه

در مباحث مدارهای دیجیتال، مداری وجود دارد تحت‌عنوان دیکدر؛ دیکدرهای دیجیتال، یکی از اجزای کلیدی در سیستم‌های مدار دیجیتال هستند. این نوع مدارهای دیجیتال، وظیفه تبدیل کدهای ورودی را به خروجی‌های منحصر به‌فرد ایفا می‌کنند. دیکدرها در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی و دیجیتال، مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله در حافظه‌ها، ساختارهای حافظه‌دار و همچنین سیستم‌های ارتباطی.

واژه‌شناسی

کلمه دیکدر با واژه انگلیسی Decoder به‌معنی رمزگشا یا کدگشا است؛ بدین‌صورت که گویی چیزی کد یا رمز شده است و می‌خواهیم آن را رمزگشایی یا اصطلاحا دیکد کنیم.

ساختار دیکدر

یک دیکدر به‌طور کلی دارای ورودی‌های باینری و خروجی‌های خطی است که هر خروجی به یک ترکیب خاص از ورودی‌ها پاسخ می‌دهد. ساختار اساسی یک دیکدر، شامل ورودی‌های داده و خروجی‌های منحصر به‌فرد است. دیکدر n ورودی را به n^2 خروجی می‌برد؛ یعنی اگر دیکدر دارای n ورودی باشد، تعداد خروجی‌های آن برابر با ۲ به توان n است.

فرمول خروجی دیکدر

اگر ورودی‌ها را X = (X[n-1], X[n-2], …, X[0])  درنظر بگیریم، دیکدر برای کد ورودی X یک خروجی Y[i] تولید می‌کند که فقط برای i برابر با کد باینری ورودی، فعال می‌شود (Y[i] = 1 و برای بقیه خروجی‌ها غیر فعال یعنی Y[j] = 0) برای j ≠ i) ) خواهند بود؛ به‌عبارت دیگر، در هر لحظه فقط یکی از ورودی‌های دیکدر، فعال خواهد بود و سایرین غیر فعال هستند.

انواع دیکدرها

1. دیکدر ۲ به ۴

دیکدر ۲ به ۴ که به‌صورت ۲-۴ یا ۲/۴ یا ۲to4 نمایش داده می‌شود، دارای ۲ ورودی و ۴ خروجی است. ورودی‌های X_۰ و X_۱ وضعیت‌های مختلفی برای تولید خروجی‌های Y_۰، Y_۱، Y_۲ و Y_۳ با مقادیر باینری نهایی  ۰۰، ۰۱، ۱۰ و ۱۱ خواهند داشت.

2. دیکدر ۳ به ۸

این دیکدر با ۳ ورودی و ۸ خروجی کار می‌کند و می‌تواند ۳^۲ = ۸ خروجی منحصر به‌فرد تولید کند.

3. سایر دیکدرهای رابطه‌مند بین ورودی‌ها و خروجی‌ها

ممکن است بقیه دیکدرهای n ورودی به n^2 خروجی نیز طراحی و ساخته شوند.

4. دیکدرهای چندمرحله‌ای (Multilevel Decoders)

طراحان می‌توانند دیکدرهای با ورودی و خروجی‌های بیشتر را به‌صورت ترکیبی بسازند. برای مثال، ترکیب یک دیکدر ۲ به ۴ و یک دیکدر ۳ به ۸ می‌تواند به کنترل خروجی‌های بسیار بیشتری منجر شود؛ همچنین با دو دیکدر ۲ به ۴ می‌توان یک دیکدر ۳ به ۸ ساخت.

عملکرد دیکدر

عملکرد یک دیکدر بر اساس منطق بولین (جبر بولی – Boolean) مشخص می‌شود. دیکدرها معمولاً با استفاده از گیت‌های منطقی طراحی می‌شوند که هر یک از خروجی‌ها را به ورودی‌های باینری تبدیل می‌کنند. به‌عنوان مثال، دیکدر ۲ به ۴ را می‌توان با گیت‌های دیجیتال منطقی AND و NOT طراحی کرد که هر خروجی بر اساس ترکیب ورودی‌های خاص فعال می‌شود.

نمونه عملکرد دیکدر ۲ به ۴ برای هر کدام از ترکیبات

ورودی X_۰ = ۰ و X_۱ = ۰ موجب فعال شدن خروجی Y_۰ و غیر فعال شدن دیگر خروجی‌ها می‌شود.

ورودی X_۰ = ۱ و X_۱ = ۰ منجر به فعال شدن Y_۱ می‌شود و غیر فعال شدن سایر خروجی‌ها می‌شود.

ورودی X_۰ = ۰ و X_۱ = ۱ باعث فعال شدن خروجی Y_۲ و غیر فعال شدن بقیه خروجی‌ها می‌شود.

ورودی X_۰ = ۱ و X_۱ = ۱ سبب فعال شدن خروجی Y_۳ و غیر فعال شدن باقی خروجی‌ها می‌شود.

کاربردهای صنعتی دیکدر

حافظه: در سیستم‌های حافظه، دیکدرها برای انتخاب آدرس‌های خاص و فعال کردن خانه‌های حافظه استفاده می‌شوند.

پروژه‌های دیجیتال: در برخی پروژه‌های دیجیتالی، دیکدرها برای انتخاب و کنترل چندین دستگاه در سیستم‌های دیجیتال به‌کار می‌روند.

کنترل‌کننده‌ها: دیکدرها در مدارهای کنترل برای تعیین وضعیت خروجی‌ها بر اساس ورودی‌های خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تبدیل کد: دیکدرها همان‌طوری که از نام آن‌ها هم مشخص است، در تبدیل و دیکد کردن سیگنال‌های دیجیتال به سیگنال‌های قابل فهم به‌کار گرفته می‌شوند.

چالش‌ها

پیشرفت در مقیاس: با افزایش تعداد ورودی‌ها، تعداد خروجی‌ها به‌طور نمایی (دو به توانn  افزایش می‌یابد، که می‌تواند منجر به افزایش مصرف انرژی و حجم، فضا و جرم مداری شود.

نویز و سیگنال‌های تداخل‌کننده: در طراحی دیکدرها، نویز می‌تواند بر خروجی‌ها تأثیر بگذارد و موجب بروز خطا در عملکرد دیکدر شود.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

دیکدرهای دیجیتال، یکی از بخش‌های اساسی ساختارهای الکترونیکی و دیجیتال هستند و نقش مهمی در تبدیل ورودی‌های کد شده به خروجی‌های قابل استفاده، ایفا می‌کنند. با پیشرفت تکنولوژی و نیاز به سیستم‌های پیچیده‌تر، طراحی و بهینه‌سازی دیکدرها همچنان از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود. اهمیت این مدارها در سیستم‌های نوین ارتباطی و حافظه‌دار، ضرورت تحقیق و مطالعه‌ی بیشتر را به‌منظور طراحی مدارهای قوی‌تر و باکیفیت‌تر نمایان می‌سازد.

علیرضا محمودی فرد – کارشناس ارشد مهندسی برق-کنترل و مدرس آزمایشگاه مدارهای منطقی در دانشگاه