数字信号与电路的基本概念

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数字信号与电路的基本概念

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CSDN

https://blog.csdn.net/m0_47462420/article/details/146443809

数字信号与电路是现代电子工程的基础，广泛应用于计算机、通信、控制等领域。本文将从数字信号的基本概念出发，介绍数字电路与模拟电路的区别，并详细阐述数字电路的多种分类方式，帮助读者建立对数字电路的全面认识。

1. 周期数字信号与非周期数字信号

图1 周期与非周期数字信号

2. 非理想数字波形

图2 非理想数字波形

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，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，即
q = tw/T*100%;

3. 模拟电路与数字电路的比较

内容	模拟电路	数字电路
工作信号	模拟信号	数字信号
管子工作状态	放大	饱和导通或截止
研究对象	放大性能	逻辑功能
基本单元电路	放大器	逻辑门，触发器
分析工具	图解法	真值表，卡诺图，逻辑表达式，状态转换图，布尔代数

4. 模拟信号的数字化

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。

图3 AD转换

5. 数字电路的分类

5.1.按电路类型分类

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（Combinational Logic Circuits）
特点：输出仅取决于当前输入，无记忆功能。
典型电路：加法器、编码器、译码器、多路复用器（MUX）、比较器。
时序逻辑电路（Sequential Logic Circuits）
特点：输出依赖于当前输入和电路的历史状态，包含存储元件。
典型电路：触发器（Flip-Flop）、寄存器、计数器、移位寄存器、有限状态机（FSM）。

5.2 按集成度分类

SSI（小规模集成电路）：包含几十个逻辑门，如基本门电路。
MSI（中规模集成电路）：含数百个门，如编码器、计数器。
LSI（大规模集成电路）：含数千个门，如早期微处理器。
VLSI（超大规模集成电路）：含数十万至数亿个门，如现代CPU、GPU。
ULSI（极大规模集成电路）：更高集成度，如先进SoC芯片。

5.3. 按工作频率分类

(1) 低频数字电路：工作在低频段，如音频电路。
(2) 高频数字电路：工作在高频段，如射频电路和高速数字电路。

5.4 按电源电压分类

(1) 低电压数字电路
通常使用较低的电压供电，一般在 1.2V 到 5V 之间。例如，一些常见的 CMOS（互补金属氧化物半导体）数字电路，工作电压可能为 3.3V 或 1.8V。
功耗较低，因为电压较低，根据功率公式P=UI（其中P为功率，U为电压，I为电流），在相同电流情况下，电压越低，功率越小。
速度相对较慢，由于低电压下信号的摆幅较小，晶体管的开关速度会受到一定影响，导致信号传输和处理速度相对较慢。
抗干扰能力相对较弱，低电压信号的幅度较小，更容易受到噪声的干扰。
设计时需要更加关注噪声抑制和电源管理，以确保在低电压下电路能够稳定工作。
由于晶体管的导通电阻在低电压下可能较大，需要合理设计电路结构，以减少信号失真和延迟。
(2) 高电压数字电路
工作电压相对较高，一般在 5V 以上，甚至可达几十伏。例如，在一些早期的 TTL（晶体管 - 晶体管逻辑）电路中，常使用 5V 电压，而一些特殊的高压数字电路可能工作在 12V、24V 等更高电压下。
能够提供较大的驱动能力，因高电压可以产生更大的电流，从而能够驱动更多的负载；
速度通常较快，高电压下信号摆幅大，晶体管开关速度快，有利于实现高速信号处理和传输；
抗干扰能力较强，信号幅度大，相对不易受到噪声影响，但同时也可能会产生较大的电磁干扰。
要考虑晶体管的耐压能力，选择合适的器件以承受高电压。
高压电路可能会产生较大的电磁辐射，需要采取有效的电磁兼容性（EMC）设计措施，如屏蔽、滤波等。