數(shù)字電子技術中的數(shù)字信號和數(shù)字電路概述

張霽晨

摘 要 伴隨著我國科學技術水平的不斷提升，數(shù)學電子技術也得到了極大的完善，在現(xiàn)代化電子系統(tǒng)中獲得了越來越多的應用。對于數(shù)字電子技術來說，數(shù)字信號處理是其根本，數(shù)字電路是其硬件基礎，二者共同促進了電子技術學科的快速發(fā)展。本文首先對數(shù)字信號和數(shù)字電路進行了概述，之后介紹了數(shù)字電路的特點、類型與設計，最后對數(shù)字信號的分析方法、優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢進行了逐一分析，力求進一步探析該項技術今后的發(fā)展方向。

關鍵詞 數(shù)字電子技術;數(shù)字信號;數(shù)字電路

數(shù)字電子技術，顧名思義即通過處理數(shù)字邏輯、計算與測定開關量信息的綜合性技術。按照結構劃分，數(shù)字電路可分為分立電路和集成電路;按照半導體器件劃分，可分為單極性電路和雙極性電路;根據(jù)記憶功能的不同進行劃分，可分為時序邏輯電路和組合邏輯電路。由于數(shù)字電路同時具有較強的穩(wěn)定性、可靠性及保密性，故適合批量生產。但數(shù)字電路的設計卻容易受到數(shù)字信號的影響，致使其系統(tǒng)性能有所下降。在這種情況下，有必要針對數(shù)字信號和數(shù)字電路的特點、分類、優(yōu)缺點等方面進行分析，為數(shù)字信號系統(tǒng)運行過程中的穩(wěn)定性提供保障[1]。

1數(shù)字信號和數(shù)字電路概述

數(shù)字電子技術的發(fā)展離不開模擬電子技術，其中，模擬電子電路中的三極管，其飽和以及截止狀態(tài)下對應的不同特性是數(shù)字電路邏輯的最基本的構成。數(shù)字信號的變化具有不連續(xù)的特點，就好比庫房中的零配件數(shù)量或者操場上的人數(shù)隨時都處于變化之中，而且這種數(shù)量上的變動都是1的整倍數(shù)，不存在小于1這種可能性。這種代表數(shù)字量的信號被人們稱之為數(shù)字信號，有時也被稱之為脈沖信號或者離散信號。方波信號是最為典型的數(shù)字信號，常規(guī)意義上的數(shù)字信號主要包括電位型和脈沖型兩種，數(shù)字信號經常在兩個穩(wěn)定的狀態(tài)之間呈現(xiàn)出一種跳躍式變化，如果用“1”和“0”表示電位信號，而對于脈沖型數(shù)字信號來說，則通過1和0來表示是否存在脈沖。數(shù)字電路主要負責研究脈沖信號的產生、變換、控制以及對數(shù)字進行邏輯運算。因此，數(shù)字電路又稱之為邏輯電路。數(shù)字邏輯電路的基本單元是邏輯門處理單元，存儲器一般是借助數(shù)字電路以二進制方法對數(shù)據(jù)進行存儲。數(shù)字電路主要包含數(shù)字電路和脈沖電路兩種類型。其中，脈沖電路用于研究脈沖信號的產生與變換。從某個角度上看，數(shù)字信號同屬于電信號，其電壓存在高電壓和低電壓的變化，而且具體的電壓數(shù)值還要依據(jù)電路的實際情況而定。分立的數(shù)字電路通過利用現(xiàn)代化集成技術實現(xiàn)了以功能模塊化的組裝，極大地降低了在分析電路邏輯時的難度。一般情況下，高電壓與供電電壓相一致，低電壓為0。如果一個電路信號同時符合以上特征，那么則說明該電路為數(shù)字電路[2]。

2數(shù)字電路的分類、特點以及設計難點

2.1 數(shù)字電路的分類

數(shù)據(jù)電路主要按照以下三種方式進行分類：第一種，按結構分類。從數(shù)字電路的結構上看，可將其分為分立元電路和集成電路兩種類型。如果使用導線將電阻、二極管和場效應管連接到一起，那么該電路則是分立元電路。首先，將每個元器件連接在同一塊基片上，之后再對其進行封裝，此后便可提供給用戶。用戶在使用時，如果通過外部管腳來利用芯片內部電路，該電路就稱之為集成電路。集成電路具有以下不同的規(guī)格：①包含約100個元器件的集成電路屬于小規(guī)模的集成電路，例如集成觸發(fā)器或者邏輯門電路都屬于此類集成電路;②包含100-1000個元器件的集成電路，屬于中規(guī)模集成電路，例如計算機、寄存器和編碼器等;每塊電路包含1000-10000個元器件的則屬于大規(guī)模集成電路，例如中央控制器、存儲器和串聯(lián)接口電路;每塊電路包含10000個以上元器件，則屬于超大規(guī)模集成電路，例如微處理器就屬于此類集成電路;第二種，按半導體器件構成分類。根據(jù)半導體器件構成可將數(shù)字電路可分為單極電路和雙極電路。單極性管是單極性集成電路的基本器件，例如PMOS電路、CMOS電路;內部含有二極管和三極管的器件屬于雙極半導體器件。雙極性管是雙極集成電路的基本器件，例如TTL電路和ECL電路都是此類電路的代表者;第三種，根據(jù)記憶功能電路課分類。在此種分類中，可將數(shù)字電路分成時序邏輯電路和組合邏輯電路兩種類型。其中，時序邏輯電路的輸出，除了由當前的電路輸入所決定以外，還與電路之前的狀態(tài)存在一定的關聯(lián)，例如計算器、觸發(fā)器這些帶有過去輸入記憶的電路都屬于時序邏輯電路。組合邏輯電路與電路過去的狀態(tài)之間不存在任何關聯(lián)，例如編碼器、譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器這一類器件都屬于組合邏輯電路[3]。

2.2 數(shù)字電路的特點

數(shù)字電路具有以下特點：①數(shù)字電路除了可以進行加減乘除的運算以外，還可以進行邏輯運算。這是控制系統(tǒng)必不可少的重要條件。所以，數(shù)字電路也被稱之為數(shù)字邏輯電路;②數(shù)字電路的代碼只有1和0兩種，電路基本單也較為簡單，這一特點給批量生產電路帶來較大的便捷，進而降低了批量生產的成本;③數(shù)字電路只包含高低兩種電平信號，這就決定了半導體數(shù)字電路只包含導通和截止這兩種狀態(tài)，而且具有消耗量低，抗干擾性強的特點，系統(tǒng)因此而獲得較強的穩(wěn)定性和可靠性;④數(shù)字電路可對數(shù)字信號進行加密，這樣一來，避免了信號傳輸過程中的盜取密碼現(xiàn)象;⑤數(shù)字電路系統(tǒng)具有較強通用性，這就決定了數(shù)字電路可以廣泛應用至多個領域及行業(yè)[4]。

2.3 數(shù)字電路的設計

通常情況下，數(shù)字電路并非完全由數(shù)字元件所構成，同時還需要一些模擬電路對其進行補充。這就需要設計人員在設計之初考慮更多的因素，尤其對于飛行控制器、精密醫(yī)療器械這些對于系統(tǒng)穩(wěn)定性以及抗電磁干擾能力要求較高的控制電路來說，存在更大的設計難度。這也是當前乃至今后數(shù)字電路模擬部分需要盡快解決的問題之一。除此之外，在設計之初，設計人員還需要結合經濟性原則對電路應用環(huán)境以及在此基礎上衍生出的一系列影響因素進行綜合考慮，在盡可能降低成本的前提下，提高系統(tǒng)的功能性與穩(wěn)定性。但這一目標的實現(xiàn)，需要設計人員具備相當豐富的專業(yè)知識及設計經驗。例如在單板PCB排布中，每個電子元件之間的排列布局將與區(qū)域內的散熱、大功率器件的電磁干擾、元件本身的溫度漂移、系統(tǒng)的耐壓和絕緣等級等一系列問題產生關聯(lián)性。數(shù)字電路中的信號在產生以及傳輸時，只要是介于所規(guī)定的高低電平所在區(qū)域即可，相比于模擬信號，其抗干擾能力強。在模擬電路中極易產生干擾作用的電源電壓波動、環(huán)境溫度、制程精度等因素對數(shù)字電路正常運行影響極小。因此設計數(shù)字電路時難度相對較低。此時，需要設計人員同時精通數(shù)字電子技術和模擬電子技術兩方面技術，方可使這些問題同時得到妥善解決[5]。

3數(shù)字信號的分析方法、優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢

3.1 數(shù)字信號的分析方法

通常情況下，數(shù)字信號是通過對模擬信號進行抽樣、量化和編碼后而得到的。在數(shù)字信號的分析中，主要負責完成數(shù)字信號進行變換、濾波、檢測、頻譜分析、調制解調和編解碼等工作。在研究數(shù)字電路時，需要對電路輸出與輸入之間的邏輯關系進行重點分析，因此不能采用模擬電路分析法，而是用邏輯代數(shù)作為主要的分析工具。電路功能通過真值表、邏輯表達式或波形圖表示。H（z）是其中的核心環(huán)節(jié)，數(shù)字信號任務是在理論上建立一套用于描述x（n）、y（n）以及H（z）特性的方法現(xiàn)算法，并且能夠在工程上實現(xiàn)這一系統(tǒng)。

ADC負責對采樣后的信號進行幅度二進制量化，將原本連續(xù)的模擬信號轉換成離散的數(shù)字信號;H（z）負責對數(shù)字信號的處理;DAC將處理后的數(shù)字信號y（n）再次轉換成模擬信號y（t）;Hr（s）則以平滑DAC的輸出，使DAC引起的高頻噪聲得以降下或者消除[6]。

3.2 數(shù)字信號的優(yōu)點及缺點

數(shù)字信號主要通過數(shù)字系統(tǒng)完成信號處理的任務，與傳統(tǒng)的模擬信號處理方法相比，主要體現(xiàn)出以下幾方面優(yōu)勢：①精度高：在傳統(tǒng)的模擬信號系統(tǒng)中，組成電路元件的精度在很大程度上決定著電路的精度，但在現(xiàn)有的技術條件下，元件精度的提高顯然存在一定的難度，或者說元件精度的提高，會導致制造成本的大幅增加。例如元件精度提高1倍，其制造成本會增加10倍。所以說，元件精度的提升，存在很大的難度。而數(shù)字信號系統(tǒng)的電路精度更多地取決于系統(tǒng)中軟件的算法。以數(shù)字式頻譜分析儀為例，其幅值精度和頻率分辨率與模擬式頻譜分析儀相比高出近百倍，但二者的制造成本卻相差不多;②靈活性強：模擬電路的實現(xiàn)需要借助于元件自身的模擬特性，而數(shù)字信號系統(tǒng)的整體功能僅需經過以算法作為基礎程序即可輕松實現(xiàn)。想要改變系統(tǒng)功能，不涉及硬件電路的更改，只需要對軟件系統(tǒng)做出相應的更改即可。這一特點不但較模擬系統(tǒng)體現(xiàn)出更強的靈活性，還可以循環(huán)無限次利用[7];③可靠性高：模擬電路系統(tǒng)中的元件可能會受到電壓、電流、溫度、濕度等各種因素的影響，致使模擬信號出現(xiàn)誤差，一旦同時存在多種誤差，就會產生放大效應，造成信號的失真;而數(shù)字信號則可以有效避免外界因素對其所造成的干擾，在信息傳輸、存儲、處理的過程中始終保持較高的準確率與可靠性;④有利于大規(guī)模集成：DSP系統(tǒng)主要由大中規(guī)模集成電路等器件構成，數(shù)據(jù)信號系統(tǒng)的這一特性，決定了它在生產和集成等方面具有較大的成本優(yōu)勢;⑤可對多維信號進行高效處理：數(shù)字信號可使存儲技術獲得大幅提升，進而促進數(shù)據(jù)處理能力得到大幅提升，尤其針對視頻傳輸以及陣列信號分析等方面，數(shù)字信號將體現(xiàn)出更為強大的技術優(yōu)勢;⑥重復使用性強：通過采樣點之間的采樣間隔可以對多路數(shù)字信號同時進行處理，例如時分復用系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的模擬信號相比，數(shù)字信號雖然具備諸多優(yōu)勢，但在具體應用的過程中，也暴露出一些缺陷問題，例如模擬接口的設計在一定程度上增加了系統(tǒng)的復雜性，數(shù)字信號的頻率范圍也會受到A/D轉換采樣頻率的限制。這些缺點問題有待于在今后的研究中有所突破，使數(shù)字信號的應用水平獲得更大程度的提升[8]。

3.3 數(shù)字信號處理技術發(fā)展趨勢

自從20世紀60-70年代以來，就借助FFT算法理論以及數(shù)字濾波器設計方法對數(shù)字信號進行分析，截至目前，已經由過去簡單的幾十位法并行運算向納秒級數(shù)百萬次的浮點數(shù)據(jù)的復雜運算方向發(fā)展，信號采樣頻率也已經由幾十赫茲的低頻走向數(shù)百兆赫的高頻發(fā)展。信號維度從單一的維度向著多維度發(fā)展。在數(shù)字電路產生以及發(fā)展的早期，其基本功能是代替人類進行簡單的數(shù)據(jù)加減乘除運算。但隨著人們對單片機以及微型計算器的進一步完善，更多的邏輯功能被加入到數(shù)字電路當中。但所有的邏輯運算，從根本上分析，依然是二進制的數(shù)學邏輯運算。通過二進制數(shù)據(jù)的與或、非、判斷、比較、處理等工作，進一步發(fā)展出更為復雜的推理、預測、存儲、傳輸?shù)?。在進行系統(tǒng)級設計時，清晰的邏輯能夠給軟件的編制工作帶來極大的便利。相信在不久的將來，數(shù)字信號處理技術軟件方面借助硬件系統(tǒng)的快速發(fā)展，將會進入超高速處理時代。屆時，以高階運算為代表的新型數(shù)學工具將會得到廣泛應用;小波變換的Mallet算法也將進入實用階段;多DSP協(xié)同，專用DSP也將實現(xiàn)進一步發(fā)展[9]。

4結束語

現(xiàn)階段，伴隨著數(shù)字電子技術的持續(xù)發(fā)展，數(shù)字電路已經在各行各業(yè)都取得了較好的應用效果。但是，在數(shù)字電路的設計過程中，還依然存在信號反射的完整性問題，這一問題往往會對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性造成諸多不利影響。因此，在今后的研究工作中，仍然需要針對數(shù)字信號和數(shù)字電路進行更加深刻透徹的分析，使這一問題得到妥善解決，只有在這種前提下，系統(tǒng)才能真正進入到準確、穩(wěn)定地工作狀態(tài)當中。屆時，數(shù)字電子技術又將邁進一個全新的發(fā)展時代，為人為發(fā)展與社會進步做出更大的貢獻。

參考文獻

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