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डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स: संयोजी और अनुक्रमिक परिपथ

डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में वोल्टता के केवल दो स्तर होते हैं: 0 और 1। संयोजी परिपथ (combinational circuit) का आउटपुट केवल उसी समय के इनपुट पर निर्भर करता है। इसे चार चरणों में बनाते हैं: सत्य सारणी लिखिए, व्यंजक लिखिए, उसे सरल कीजिए (कार्नो मानचित्र मदद करता है) और गेट बनाइए। अनुक्रमिक परिपथ (sequential circuit) में स्मृति भी होती है, इसलिए उसका आउटपुट इनपुट और पिछली स्थिति दोनों पर निर्भर करता है। फ्लिप-फ्लॉप सबसे छोटी स्मृति-इकाई है: वह क्लॉक पल्स आने पर ही इनपुट D की नकल करता है। कई फ्लिप-फ्लॉप मिलकर काउंटर और रजिस्टर बनाते हैं। सिमुलेटर में असली सर्किट बनाने से पहले हर इनपुट जाँचा जा सकता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. डिजिटल का मतलब सिर्फ दो स्तर। तार या तो 0 (बंद) है या 1 (चालू)। बल्ब स्विच के साथ बदलता है।
  2. संयोजी परिपथ में गेट जुड़े होते हैं। इसका आउटपुट F केवल अभी के इनपुट पर निर्भर है।
  3. सत्य सारणी में इनपुट की हर पंक्ति लिखी होती है। हरी पंक्तियों में F = 1 है।
  4. कार्नो मानचित्र वही सारणी ग्रिड में रखता है। 1 के बड़े समूह से छोटा व्यंजक मिलता है।
  5. फ्लिप-फ्लॉप एक स्मृति है। D बदल सकता है, पर Q केवल क्लॉक पल्स पर बदलता है।
  6. आपकी बारी: काउंटर हर क्लॉक पर एक जोड़ता है। F का सर्किट उसी गिनती को पढ़ता है।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

कंप्यूटर केवल 0 और 1 क्यों इस्तेमाल करते हैं?

दो स्तरों में फ़र्क करना आसान है, शोर होने पर भी। बल्ब की भी दो ही अवस्थाएँ हैं: जला या बुझा।

क्या संयोजी सर्किट कभी कुछ याद रखता है?

नहीं। इनपुट बदलते ही F तुरंत बदल जाता है। कुछ संग्रहित नहीं होता।

सर्किट को सरल क्यों करते हैं?

कम गेट यानी कम खर्च, कम बिजली और कम देरी। वही F पाँच पदों में भी बन सकता है और दो में भी।

K-मैप में स्तंभ का क्रम 00, 01, 11, 10 क्यों है?

पड़ोसी खानों में ठीक एक इनपुट अलग होना चाहिए। कर्सर को एक-एक खाना चलते देखिए।

D बदलने पर भी Q क्यों नहीं बदलता?

फ्लिप-फ्लॉप D को केवल क्लॉक पल्स पर देखता है। दो पल्स के बीच वह अपना संग्रहित बिट रखता है।

फ्लिप-फ्लॉप से काउंटर कैसे बनता है?

फ्लिप-फ्लॉप बिट रखते हैं और हर क्लॉक पल्स पर एक जुड़ता है। गिनती को 000 से 111 तक जाकर लौटते देखिए।

डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स का मतलब

डिजिटल सर्किट में हर तार के केवल दो स्तर होते हैं। ऊँची वोल्टता 1 है और नीची वोल्टता 0। थोड़ा शोर (noise) हो तो भी फ़र्क नहीं पड़ता, क्योंकि 0.2 V और 0.1 V दोनों 0 पढ़े जाते हैं।

दो स्तरों की नकल, भंडारण और भेजना आसान है। इसलिए फ़ोन, कंप्यूटर और कैलकुलेटर डिजिटल हैं।

इसके निर्माण-खंड लॉजिक गेट हैं: NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR। इन्हें जोड़कर सर्किट बनते हैं।

संयोजी परिपथ: लॉजिक सर्किट बनाना

संयोजी परिपथ (combinational circuit) में आउटपुट केवल वर्तमान इनपुट पर निर्भर करता है। इसमें स्मृति नहीं होती। वही इनपुट, वही आउटपुट, हमेशा।

बनाने के 4 चरण:

  1. सर्किट को क्या करना है, यह सत्य सारणी में लिखिए (n इनपुट के लिए 2n पंक्तियाँ)।
  2. जिस पंक्ति में आउटपुट 1 है, उसका AND पद (मिनटर्म) लिखिए। 1 के लिए A, 0 के लिए A′ लिखिए। पदों को OR से जोड़िए। इसे गुणनफलों का योग (sum of products) कहते हैं।
  3. व्यंजक को सरल कीजिए ताकि कम गेट लगें।
  4. गेट बनाइए और हर पंक्ति जाँचिए।

हमारा उदाहरण F = A·B + C′ है। इसमें एक AND, एक NOT और एक OR गेट लगता है।

सत्य सारणी और गुणनफलों का योग

F = A·B + C′ के लिए F = 1 वाली पंक्तियाँ 000, 010, 100, 110 और 111 हैं। हर एक का मिनटर्म लिखें तो पाँच पद मिलते हैं: A′B′C′ + A′BC′ + AB′C′ + ABC′ + ABC। यह सही है पर लंबा है। सरल करने से छोटा हो जाता है।

A B CF
0001
0010
0101
0110
1001
1010
1101
1111

कार्नो मानचित्र से सरल करना

कार्नो मानचित्र (K-map) ग्रिड के रूप में बनी सत्य सारणी है। पास-पास के खानों में केवल एक इनपुट अलग होता है, इसलिए उन्हें जोड़ा जा सकता है।

नियम:

हमारे नक्शे में C = 0 वाले चारों खाने एक समूह हैं: केवल C′ स्थिर रहता है, इसलिए पद C′ है। खाने 110 और 111 दो का समूह हैं: A और B स्थिर रहते हैं, इसलिए पद A·B है।

परिणाम: F = C′ + A·B। पाँच मिनटर्म दो छोटे पद बन गए।

अनुक्रमिक परिपथ और फ्लिप-फ्लॉप

अनुक्रमिक परिपथ (sequential circuit) में स्मृति होती है। उसका आउटपुट वर्तमान इनपुट और संग्रहित पिछली स्थिति दोनों पर निर्भर करता है। क्लॉक, यानी लगातार आते पल्स, उसे बताती है कि कब बदलना है।

सबसे छोटी स्मृति-इकाई फ्लिप-फ्लॉप है। D फ्लिप-फ्लॉप में इनपुट D, क्लॉक और आउटपुट Q होता है। क्लॉक पल्स आने पर Q, D की नकल कर लेता है। दो पल्स के बीच D बदले तो भी Q अपना मान रखता है। एक फ्लिप-फ्लॉप एक बिट रखता है।

प्रकारआउटपुट निर्भर हैउदाहरण
संयोजीकेवल वर्तमान इनपुट परयोजक, डीकोडर, F सर्किट
अनुक्रमिकइनपुट और अतीत परकाउंटर, रजिस्टर, ट्रैफिक लाइट

काउंटर और रजिस्टर

कई फ्लिप-फ्लॉप एक कतार में जुड़कर रजिस्टर बनाते हैं, जो पूरी संख्या रखता है। काउंटर वह रजिस्टर है जो हर क्लॉक पल्स पर 1 जोड़ता है। 3-बिट काउंटर 000, 001, 010, ... 111 गिनता है और फिर 000 पर लौट आता है। इसकी 23 = 8 अवस्थाएँ हैं।

डिजिटल घड़ियाँ, टाइमर और ट्रैफिक लाइट सब काउंटर इस्तेमाल करते हैं। 3D में काउंटर के बिट F के सर्किट को दिए गए हैं, इसलिए गिनती बढ़ने पर F बदलता दिखता है।

सिमुलेटर में जाँच

सिमुलेटर मुफ़्त सॉफ़्टवेयर है जिसमें गेट और फ्लिप-फ्लॉप खींचकर रखते हैं, तारों से जोड़ते हैं और चलाते हैं। इससे पुर्ज़े खरीदने से पहले सत्य सारणी की हर पंक्ति जाँची जा सकती है।

जाँच की अच्छी आदतें:

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 4 इनपुट की सत्य सारणी में कितनी पंक्तियाँ होती हैं?

2⁴ = 16 पंक्तियाँ।

2. A = 1, B = 0, C = 1 पर F = A·B + C′ ज्ञात कीजिए।

A·B = 0 और C′ = 0, इसलिए F = 0 + 0 = 0।

3. एक सर्किट केवल इनपुट 011 और 111 (A B C) पर F = 1 देता है। F लिखिए और सरल कीजिए।

F = A′BC + ABC। दोनों पदों में BC है। BC बाहर निकालिए: F = BC(A′ + A) = BC·1 = BC। K-मैप में दोनों 1 पास-पास हैं और दो का समूह बनाते हैं जिसमें B और C स्थिर रहते हैं।

4. D फ्लिप-फ्लॉप में Q = 0 है। D को 1 किया गया, फिर D को 0 किया गया, फिर क्लॉक पल्स आया। Q क्या होगा?

Q केवल क्लॉक पल्स के समय D को पढ़ता है। उस क्षण D = 0 है, इसलिए Q = 0 ही रहता है। थोड़ी देर D का 1 होना कोई असर नहीं डालता।

5. 3-बिट काउंटर को 101 से वापस 101 पर लाने में कितने क्लॉक पल्स लगेंगे?

इसकी 8 अवस्थाएँ हैं, इसलिए 8 पल्स में वह उसी अवस्था में लौट आता है।

6. 000, 001, 100 और 101 पर 1 वाले फलन को K-मैप से सरल कीजिए।

चारों खाने A′B′C′, A′B′C, AB′C′, AB′C हैं। चारों में B = 0 है, जबकि A और C दोनों मान लेते हैं। ये चार का एक समूह बनाते हैं और केवल B′ स्थिर रहता है। F = B′।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. संयोजी परिपथ में आउटपुट किस पर निर्भर करता है?
2. K-मैप में कौन-सा समूह-आकार नहीं हो सकता?
3. D फ्लिप-फ्लॉप D को Q में कब कॉपी करता है?
4. 4-बिट काउंटर की कितनी अवस्थाएँ होती हैं?
5. कौन-सा परिपथ अनुक्रमिक है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

संयोजी और अनुक्रमिक परिपथ में क्या अंतर है?

संयोजी परिपथ का आउटपुट केवल वर्तमान इनपुट पर निर्भर करता है। अनुक्रमिक परिपथ का आउटपुट पिछले इनपुट पर भी निर्भर करता है, क्योंकि उसमें स्मृति (फ्लिप-फ्लॉप) होती है।

कार्नो मानचित्र किसलिए इस्तेमाल होता है?

यह पास-पास के 1 को समूह में बाँधकर बूलियन व्यंजक सरल करता है, जिससे सर्किट में कम गेट लगते हैं।

D फ्लिप-फ्लॉप क्या करता है?

यह एक बिट संग्रहित करता है। हर क्लॉक पल्स पर उसका आउटपुट Q, इनपुट D की नकल करता है और अगले पल्स तक वही मान रखता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

स्पेन2º BachilleratoElectrical and electronic systems
जापान高校(専門学科)1〜3年Hardware Technology

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