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数字电子课程-第1部分:二进制逻辑和信号

2023-04-13 17:00:32 Giovanni Di Maria 阅读:
数字电子涉及处理和控制数字数据的系统。该术语源自“digit”一词,而“digit”又源自拉丁语“digitum”(手指)。要完全理解这个概念,有必要完全清楚“模拟”和“数字”这两个词之间的区别,这将在本文接下来的几段中明确阐述。

今天,我们被数字电子产品所包围。使用模拟电子设备的设备非常罕见。计算机、电话、相机、CD播放器、打印机、收音机和电视都使用了数字技术。我们每天都听到数字电子产品,但可能很少有人真正了解它的含义和功能。有几个定义可以描述它。数字电子涉及处理和控制数字数据的系统。该术语源自“digit”一词,而“digit”又源自拉丁语“digitum”(手指)。要完全理解这个概念,有必要完全清楚“模拟”和“数字”这两个词之间的区别,这将在接下来的几段中明确阐述。BToednc

模拟值

模拟值是随时间连续变化的量。它可以取无限多的值——例如,温度、电池电压或扬声器中的音频信号。图1显示了模拟值的时间过程。模拟的概念可以通过连续性条件来表示。在实践中,数值沿着一个以无限位置为特征的路径移动。不用说,模拟值保留了被测量的所有特征,并且其质量不会下降。模拟系统将数量视为“连续数字”,即它们之间具有其他数值的数字(例如,5、5.000001、5.000002、5.000003等),模拟系统将它们视为“连续数字”。处理的小数位数是无限的。BToednc

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图1:模拟值的时间过程BToednc

从图中可以看出,这个数学函数,由于相当复杂,我们没有描述,在Y轴上包含了无限的数值。由于x-y对是无限的,因此对此类图形的任何缩放都会始终显示连续的数值趋势。因此,模拟曲线包含完整和真实的信息,并且不会损失数据质量,即使将它存储在存储介质上或进行电子处理实际上是不可能的。BToednc

数字值

数字值是“逐步”变化的数量。它只能采用有限数量的值。不幸的是,数字值并不能保留被测量的所有特征,其质量也不再与原始信号相同。一些信息丢失了。在实践中,同一条路径被分成几个步骤,几个彼此接近的值被等同并归为一个类。打个很笼统的比方,就好比画一个十二边形来表示一个圆。图2显示了数字值的时间过程。数字系统将数量视为“离散数字”,即它们之间没有其他值的数字(例如,1、2、3等)。数字世界还包括那些处理数字0和1(并且只有这些)的设备。数字电子设法以一种非常简单的方式组织和使用这种数字,这就是为什么它被广泛用于今天的技术。BToednc

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图2:数字值的时间过程BToednc

图中可以看到同样的数学函数,并且这次在y轴中包含其数字值。出于实用和电子记忆的原因,y轴的整个范围已逐步分为几个部分。数字曲线包含近似信息,并失去了数据质量。但其在存储介质上的存储或其电子管理是极其简化的。图3显示了叠加的两个模拟和数字信号,以更好地理解它们之间的区别。可以看出,在纵轴上,不再有描述信号幅度的无限值,这些值已减少到仅九个大小类别。这是一个有点限制的案例,但它清楚地显示了从模拟值到数字值的转换效果(ADC转换)。BToednc

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图3:叠加在数字信号上的模拟信号突出了它们之间的巨大差异。BToednc

真和假

在逻辑系统中,响应始终与作为输入提供的条件相一致。此类系统仅提供两种可能的信号状态:逻辑真(1)和逻辑假(0)。该系统为电路可能遇到的所有可能情况提供了一个确定的解决方案。逻辑输出总是可以用“是”或“否”的回答形式来表达。不存在任何形式的不确定性,因为数字系统仅提供两个值。一种最简单的逻辑电路如图4所示,其中有以下电子元件:BToednc

  • 1×5V电池
  • 1×10kΩ下拉电阻
  • 1×220Ω电阻
  • 1×LED

如果开关连接到电路的“A”点,电流显然会从电池流向负载,并且“Out”节点会出现5V的电压。在这种情况下,LED会亮起。另一方面,如果开关连接到电路的“B”点,则没有电流流向负载,“Out”节点处的电压为0V,因为线路通过下拉电阻接地。在这种情况下,LED不会亮起。BToednc

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图4:最简单的逻辑电路之一BToednc

可以从两个不同的角度来研究该电路。从模拟的角度来看,有一个5V的电压(但它也可能是不同的电压,例如4V、7V或5.5V),根据开关的位置,它会流过或不流过负载。从数字的角度来看,根据分流器的位置,它取值1(分流器在位置“A”)或0(分流器在位置“B”)。存在哪个电压并不重要,因为这最初是在设计阶段定义的。因此,该电路的特点是只有两种信号选择:BToednc

 BToednc

1 0
5V 0V

 BToednc

在正逻辑符号中,5V信号表示“真”、“是”和“逻辑1”的条件。0V信号(接地)表示“假”、“否”和“逻辑0”的条件。当然,逻辑电路的电压不只是5V和0V,它们可以是最多样化的,这取决于电路的要求。例如,它们可以是12V和0V,或者12V和–12V,甚至是5V和–2V。最常用的逻辑是5V和0V(分别代表真和假)。BToednc

下拉电阻和上拉电阻

因此,5V电压是模拟的,但从数字的角度来看,它被视为“真的逻辑”。因此,简单来说:BToednc

  • 当节点直接或间接连接到5V电压发生器时,会出现数字“1”信号。
  • 当节点直接或间接连接到电路接地时,会出现数字“0”信号。

图5阐明了这一方面的问题。真的逻辑电平是负载(或其他节点)连接到电压发生器时。该连接可直接或间接通过电阻(上拉电阻)进行。假的逻辑电平是负载(或其他节点)连接到电路接地时。该连接可直接或间接通过电阻(下拉电阻)进行。因此,逻辑假的信号以电连接到地为前提,而不是浮动节点,即没有连接。BToednc

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图5:逻辑高电平(1)和逻辑低电平(0)的连接BToednc

在定义逻辑状态的电平时,幸运的是,在定义不同的区间电压时,有很小的容差,使人可以放心的操作。图6显示了在5V下运行的逻辑系统的工作范围。工作范围如下:BToednc

  • 0V至1V:系统将该电压识别为逻辑“0”,即“假”值。
  • 4V至5V:系统将该电压识别为逻辑“1”,即“真”值。
  • 1V至4V:系统将此电压识别为不确定状态。

BToednc

图6:逻辑状态的级别必须在精确的间隔内。BToednc

结论

数字系统和电路的设计比模拟系统简单得多。故障追踪更直接,运行更安全、更稳定。未来的文章将进一步探讨在所有当前设备中支持该领域的更多概念。BToednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Digital Electronics Course — Part 1: Binary Logic and Signals,由Ricardo Xie编译。)BToednc

责编:Ricardo
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