数字电子技术中的一些基本概念汇总

1. 前言

　　本篇文章是为了统一解释在数字电子技术相关主题文章出现的一些术语。

2. 基本概念

2.1 数字量与模拟量

　　模拟量具有连续的数值，数字量具有离散的数值。自然界中大多数可以测量的事物都以模拟量的形式出现。例如温度连续的变化范围，压力、距离、声音等也都属于该范畴。

　　相对于一个连续的温度变化图，假设按照固定的时间间隔测量一次温度，可以将模拟量转换为数字量的形式。如果将时间的间隔作为一个数字码，那么每个数字码都将有一个对应的采样温度值。

　　数字量的优点在于处理数据和传输方面比模拟量更有效和可靠。另一个好处是如果需要存储这些采样而来的数据，相比模拟量而言，数字量更为方便、准确和清晰。

2.2 数字和模拟之间的相互转换

　　在一个基本的扩音系统中，麦克风首先接收采集到的声波，然后将其转换为较弱的模拟电压，称为音频信号。这个电压随着声波的音量大小和频率变化而连续变化，随即加到线性放大器的输入中。放大器的输出，也就是放大的输入电压，随即传入扬声器。扬声器将放大的音频信号再变回声波，而这时声波的音量比麦克风接收到的原始声波的音量要大得多。

　　数字-模拟转换器将数字数据转变为模拟信号。典型案例有播放器，音乐内容以数字格式的方式存储在相关存储介质（光盘、硬盘等）上，激光二极管光学系统将接收旋转光盘上的数字数据，然后传送到数-模转换器（DAC）中。线性放大器把模拟信号放大并传送到扬声器。如果将音乐存储在相关的存储介质上时，处理过程和上述过程恰好相反。这时，需要使用模拟-数字转换器（CAD）。

3. 二进制数

　　二进制中的两个数——0和1，称为位（bit， 即binary digit的缩写形式）。在数字电路中，使用两个不同的电压电平来表示这两个位。通常情况下，高电压用数字1来表示，低电压用数字0来表示，这中表示方法称为正逻辑。反之，则称为负逻辑。

4. 逻辑电平

　　用来表示1和0的电压称为逻辑电平。理想情况下，一个高电平表示高电压；另一个电平表示低电压。实际的电路中，这个高电压可以是指定电压区间中的任意值，同样低电压也是指定电压区间中的任意值。在指定的高电平范围和低电平范围之间是不能有重叠的。例如，在CMOS数字电路中，高电平的值为2~3.3V，低电平值为0~0.8V。对于这种类型的电路，0.8~2V的电平值是不可以出现的。

4.1 电平与数字波形

　　数字波形由两种不同的电平组合而成，它们在高、低电平或者状态之间不断地变化。正向脉冲是指在电压或者电流从低电平变为高电平，再从高电平变回低电平时产生的。反向脉冲，则是电压从高电平变为低电平，再从低电平变回高电平时产生的。数字波形由这一系列的脉冲组成。

　　脉冲有两个边沿：在t₀时刻首先出现的为前沿，在t₁时刻随后出现的为后沿。对于一个正向脉冲，前沿是上升沿，后沿是下降沿。理想情况下，上升沿和下降沿的变化是没有时间范围的。但是，实际情况，这些变化是有时间限制的。在实际的电路当中，由于电感和电容效应会产生超调量和振荡。杂散电容和电路电阻会产生下调量，形成时间常数不大的RC电路。

　　从低电平到高电平所需要的时间称为上升时间t_r，从高电平到低电平所需要的时间称为下降时间t_f。在实际的工程测量中，测量的上升时间是从脉冲幅度（相对于基线的高度）的10%处到脉冲幅度的90%处的时间宽度，测量的下降时间则是从脉冲幅度的90%处到脉冲幅度的10%处的时间宽度。上升时间和下降时间不包括脉冲顶部和底部的10%，因为这部分区域的波形是非线性的。脉冲宽度t_w就是脉冲的持续时间，通常把上升沿和下降沿幅度50%处的时间间隔定义为脉冲宽度。

　　数字系统中，遇到的大多数波形都是由一系列的脉冲组成的，有时称为脉冲序列，可以分为周期和非周期的。周期波形在一个固定的时间间隔里不断重复自身，这个时间间隔称为周期（T）。频率（f）是重复的速率，测量单位是赫兹（Hz）。而一个非周期脉冲波形则不会固定在一个时间间隔里重复，它可能由脉冲宽度不确定的脉冲组成，也有可能由时间间隔不确定的脉冲组成。

　　脉冲波形的频率就是其周期的倒数。

　　周期数字波形的一个重要特性就是它的占空比，其定义为脉冲宽度（t_w）和周期（T）的比值。

4.2 数字波形中的二进制信息

　　数字系统处理的二进制信息以波形的形式出现，它表示顺序序列的二进制位。与前面一样，波形为高电平表示二进制1，反之则表示0.每个位在一个序列里所占的固定时间间隔称为位时间。

　　同样在数字系统中，所有的波形都与一个基本时序波形同步，这个基本时序被称之为时钟。时钟具有固定周期波形，每个脉冲之间的间隔周期等于一个位时间。时钟波形本身不携带任何信息。

　　计算机的运行速度取决于系统使用的微处理器的类型。计算机的运行速度就是微处理器工作的时钟频率的最大值，如3.9GHz。

　　时序图（timing diagram）就是数字波形的图形，它表示两个或者两个以上波形的实际时间关系，还表示波形和波形之间的相互变化关系。

4.3 数据传输

　　数据是指一组可以用来传递某种信息的位。数字波形表示的二进制数据，必须在数字系统中从一个电路传输到另一个电路，或者从一个系统传输到另一个系统，以实现某个设定的目的。例如，计算机存储器中的数字是以二进制的形式存储的，它必须传输到计算机的中央处理器才能实现加法运算。然后加法运算的结果必须传输到显示屏并且/或者回送到存储器中。二进制的传输方式有两种——串行和并行。

　　

 

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