1.1 从模拟到数字“0”和“1”

1.1.1 模拟信号和模拟电路

1. 模拟信号的概念

在自然界存在着许多物理量，它们在时间和数值上是连续的，这类物理量称为模拟量。用来表示模拟量的信号称为模拟信号，常见的正弦波、三角波、调幅波、阻尼振荡波等都是模拟信号，图1-1给出了几种常见的模拟信号，其中图1-1（a）所示为正弦波，图1-1（b）所示为三角波，图1-1（c）所示为调幅波，图1-1（d）所示为阻尼振荡波，图1-1（e）所示为指数衰减波，由图1-1可见，虽然几种模拟信号的形状各不相同，但它们的共同特点是信号的幅值大小随时间作连续变化。

实际上，自然界的许多物理量均为模拟量。例如，速度、压力、温度、声音、重量、位置等。在工程上，为便于分析，常用传感器将模拟量转换为电流、电压等电学量。我们在这里所讲的模拟信号一般指模拟电信号。

模拟信号的基本参数包括幅度、频率、周期等。模拟信号按信号频率可分为低频信号、高频信号、微波信号等；按信号的周期性可分为周期性信号和非周期性信号等；按用途可分为工频信号、射频信号、视频信号等。

2. 模拟电路

用以传递、加工和处理模拟信号的电路称为模拟电路。模拟电路必须满足以下要求。

（1）由于模拟信号的幅度大小直接代表着信号本身的特性，所以在对模拟信号进行放大的过程中要进行线性放大，也就是要求模拟电路中的放大器工作在线性状态。如果输入放大器的信号动态范围较大，必须要有足够大的动态范围的放大器来放大这一大幅度信号，这就对模拟放大器提出了很高的电路硬件要求。

（2）电路中的干扰信号绝大多数是模拟信号，干扰信号与模拟信号有着相似的特性，这就使得模拟信号在放大、处理过程中更容易受它干扰，而且一旦受其干扰就很难再将它们分开。这就对模拟电路提出了很高的抗干扰技术要求，使模拟电路的制作难度增大，电路成本增加。

（3）由于模拟信号的连续特性，在对这种信号进行比较复杂的处理时，就不能破坏模拟信号的特性，因此使得模拟电路变得十分复杂。

（4）对不同的模拟信号进行不同目的的处理时，就必须有一套与之对应的模拟电路来配套，使得模拟电路变得庞大而复杂。所以，模拟电路不便对信号进行“深层次”的复杂处理。

1.1.2 数字信号与数字电路

1. 数字信号的概念

在自然界存在许多物理量，它们在时间和数值上均是离散的，也就是说，它们的变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间，这类物理量称为数字量，用来表示数字量的信号称为数字信号。

数字信号通常用数字波形表示，数字波形是逻辑电平与时间的关系。当某波形仅有两个离散值时，可以称为脉冲波形。此时，数字波形与脉冲波形的关系是统一的，区别是表达方式不同，前者用逻辑电平表示，后者用电压值表示。数字信号分为周期性和非周期性两种，图1-2表示的是这两类数字波形，其中图1-2（a）所示为周期性数字波形，图1-2（b）所示为非周期性数字波形。

2. 非理想数字波形

在实际的系统中，数字波形不能立即上升和下降，要经历一段时间，如图1-3所示。

对于非理想数字波形（矩形脉冲），常用以下指标来定量描述其特性。

脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔，有时也用频率f＝1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。

脉冲幅度Um——脉冲电压的最大变化幅度。

脉冲宽度tw——从脉冲前沿上升到0.5Um处开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。

上升时间tr——脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。

下降时间tf——脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。

数字信号上升时间和下降时间的典型值约为几纳秒，视不同类型的器件和电路而异。

占空比——脉冲宽度tw占整个脉冲周期T的百分数，称为脉冲占空比，占空比一般用q表示，其表达式为：

利用这些指标，就可以把一个非理想数字波形的基本特性大体上表示清楚了，对于理想数字波形，其上升时间tr和下降时间tf则均为零。

3. 数字信号其实就是“0”和“1”

数字信号在时间和数值上均是离散的，可以用数字“0”和“1”表示，这里“0”和“1”不是十进制中的数字，而是逻辑0和逻辑1，因而称之为二值数字逻辑或简称为数字逻辑。

二值数字逻辑的产生，是基于客观世界的许多事物可以用彼此相关又互相对立的两种状态来描述。例如，是与非、真与假、开与关、低与高等。而且在电路上，可用电子器件的开关特性来实现，由此形成离散信号电压或数字电压。这些数字电压通常用逻辑电平来表示。应当注意，逻辑电平不是物理量，逻辑电平与电压值关系如表1-1所示。

表1-1　逻辑电平与电压值的关系

4. 数字电路与模拟电路的比较

数字电路就是用于传递、加工和处理数字信号的电路，电路中的电子器件，如二极管、三极管、场效应管处于开关状态，时而导通，时而截止。广义地说，数字电路也是一种脉冲电路，如果数字信号幅度在“有”和“无”两种状态间快速转换，电路将输出一系列矩形脉冲。

与模拟电路一样，数字电路经历了由分立器件到集成电路等几个阶段，但数字集成电路比模拟集成电路的发展更快。数字电路与模拟电路相比有很大的不同，数字电路主要是对数字信号进行逻辑运算和数字处理，这些运算和处理有时是相当复杂的，但主要通过软件来处理（进行各种逻辑处理和数字运算）。

数字电路具有以下一些特点。

（1）数字信号采用二值信息——“0”和“1”，即低电平和高电平，只有两种取值，所以数字电路在结构、工作状态、研究内容、分析方法等各方面都与模拟电路完全不同。

（2）数字电路中的晶体管只工作在饱和与截止两种状态（放大区只是过渡状态），即工作于“开关”状态。这些状态的外部表现是电流的有、无，电压的高、低，因此，有和无、高和低的两种对立状态可以与电路中的二值信息分别对应，这里的二值信息通常记为“1”和“0”。

（3）数字电路是由几种最基本的单元电路组成的，这些基本单元电路对元件的精度要求不高，允许有较大的误差范围。因为数字信号有“1”和“0”两种状态就可以了，因而组成数字电路的单元结构比较简单，具有便于集成化和系列化生产、工作准确可靠、成本低廉、使用方便等优点。

（4）对于数字电路，人们研究的主要问题是输入信号的状态（“0”或“1”）和输出信号的状态（“0”或“1”）之间的逻辑关系，以反映电路的逻辑功能。因而在数字电路中，就不能采用模拟电路的分析方法。数字电路的主要分析工具是真值表、逻辑表达式及波形图等。

（5）数字电路能够对数字信号进行各种逻辑运算和算术运算。所谓逻辑运算，就是按照逻辑规则进行逻辑推理和逻辑判断。正因为数字电路不仅具有运算能力，还具有逻辑思维与判断能力，人们才能制造出各种数控装置、智能仪表以及电子计算机等现代化的科技产品，并使它们得到十分广泛的应用。

数字电路与模拟电路的比较如表1-2所示。

5. 模拟信号的数字化

将时间上连续变化的模拟量变换为脉冲有无的数字量，这一操作过程就称为数字化。通俗地讲，数字化就是将模拟信号变换成数字信号。

图1-4（a）为一个模拟信号用数字表示的示意图，图中A、B、C为模拟信号的3个取样点，其值分别用8位数字串表示。在B点处，模拟电压值为3V，可用相应的数字串0000 0011来表示，这个数字串由模/数转换器得来，如图1-4（b）所示。其余两个取样点A和C的电压值分别为2V和4V，相应的数字串为0000 0010和0000 0100。如果取样点足够多，那么模拟信号便可较真实地被复制下来，必要时也可用数/模转换器还原模拟信号。

1.1.3 数字电路的分类

数字电路可按以下几种方法进行分类。

1. 按电路类型分

数字电路按照电路类型可分为组合逻辑和时序逻辑电路两大类。

组合逻辑电路：输出只与当时的输入有关，如编码器、加减法器、比较器、数据选择器等。

时序逻辑电路：输出不仅与当时的输入有关，还与电路原来的状态有关，如触发器、计数器、寄存器等。

2. 按集成度分

数字电路按集成度来分，可分为小规模、中规模、大规模、超大规模和甚大规模等五类。所谓集成度是指每一芯片所包含的晶体管的个数，表1-3列出了几类数字集成电路的分类依据。

3. 按电路所用器件的不同分

数字电路按照电路所用器件的不同，可分为双极型（晶体三极管型）和单极型（场效应管型）两大类。其中双极型电路常用的类型又有标准型TTL、高速型TTL（H-TTL）、低功耗型TTL（L-TTL）、肖特基型TTL（S-TTL）、低功耗肖特基型TTL（LS-TTL）等；单极型电路又有JFET、NMOS、PMOS、CMOS等。