数字电子学和模拟电子学

现在，电子学是一个广阔的领域，有必要划分几个子领域来进行讨论和研究。你将听到这些说法如：医疗电子学、仪器电子学、自动化电子学、航空电子学、消费电子学、工业电子学等等。而其中一种分类方法是将它分为数字电子学和模拟电子学。

数字电子器件和电路只能识别和产生几个有限的状态。例如，大多数的数字电路只响应两种输入状态：低电平和高电平。数字电路也可以称为二进制电路，因为它是基于只有0 和1 这两个数码的系统。

模拟电路是能够响应和产生无限多个输出状态的电路。例如，模拟电路的输入或输出可以在0V 和10V 之间变化，它的实际值可以是1.5V ，2.8V ，甚至是7.653V ，理论上，模拟电路的输入或输出信号是有无限多可能取值的连续信号。另一方面，典型的数字电路把输入范围从0 到0.4V 电压确认为低电平（二进制0 ），从2.0V 到5V 的确认为高电平（二进制1 ）。数字电路对2V 和4V 电压的响应没有什么不同，因为这两个电压都属于高电平的范围。在数字系统中，输入电压不允许在0.4V 和2.0V 之间，因为这样会导致不确定的输出。

在过去很长的一段时间内，几乎所有的电子元件和电路都工作在模拟形式下。其中的原因是显而易见的，毕竟，在自然界中大多数的可测量的量都是模拟量，如身高、体重，以及车速。声音也是模拟量，它包括无限多个不同的电平和频率。因此，如果要用一个电路来放大你的声音，你就会想到运用模拟电路。

电话交换机和计算机电路需要工程师们研究数字电路。他们需要某种对输入可以进行逻辑判断的电路和器件；并要求电路能高可靠地工作。在电路必须可靠工作时，通过限制它的状态，那么电路就可以更可靠。无限状态的模拟电路不适合这种场合。

图7-1 给出电路工作的例子能够帮助我们区分数字电路和模拟电路的工作特性。信号从左端输入电路，从右端输出电路。现在把这个信号设想为某种电量，例如是一个随时间变化的电压。电路A 就是数字电路的一个例子，数字波形是矩形波，输出信号就是一个矩形波；而输入信号不是一个准确的矩形波。矩形波只有两种电压电平并且它是数字电路中最常见的信号。

图7-1 中电路B 是模拟电路。它的输入和输出都是正弦波。输出比输入要大，并且上移到坐标零点之上。最重要特性是输出信号是由无限多个电压组合而成。通常我们将电路B 称作线性放大器，他的输入和输出有严格的比例。虽然电路B 是线性电路，但并不是所有的模拟电路都是线性的。例如，某一个音频放大器会使声音产生失真，这个放大器仍然是模拟范畴，但它产生强失真时是非线性的。

图7 －1 中，电路C 到电路F 都是数字电路。注意到它们的输出都是矩形波（两个电压电平）。电路F 应得到特别的注意，它的输入信号是矩形波，这可能是对只有两个电压电平的模拟电路的响应，此外对信号而言已生了在其他例子没有的现象。输出信号的频率不同于输入的频率，我们将实现此功能的数字电路称为计数器，或者分频器。

现在经常需要将模拟量转换成数字量，数字量可以存储在计算机的内存、磁盘、光盘或磁带上。数字存储器有很多的优点，每个听过用光盘播放的音乐的人都知道它通常没有噪音。数字录音不比模拟录音的音质差。

将模拟信号转换成数字信号的另一个优点是可以用计算机来增强信号。计算机是数字的机器。它是强大的数字处理机（runcher ）。计算机能够对信号进行多种不同的操作，例如能够消除噪声和失真，修正频率和相位的误差，识别信号的类型等。电子学的这个领域被称为数字信号处理（DSP ）。在医疗电子学中用数字信号处理来增强人体的扫描图像。在音频领域中用来消除旧唱片的噪声。数字信号处理还可以用于其它的领域中。数字信号处理的内容将在以后的课程中讲述。

图7-2 表示一个将模拟信号先转变成数字信号后又还原成模拟信号的系统。模数（A/D ）转换器是一种产生二进制（仅有0 和1 电平）输出的电路。注意到存储器中存储的是二进制数字。时钟脉冲（时间产生电路）用来驱动A/D 转换器对模拟信号进行重复采样。图7-3 表示详细的模拟波形， A/D 转换器每20 微妙（μs ）对该波形采样一次。这样，经过0.8 毫秒（ms ），可以采样40 次。任意模拟信号所需的采样速率是这个信号的频率函数。信号的频率越高，所需的采样速率也越高。

再回到图7-2 ，将存储器中的二进制数送到数模（D/A ）转换器中可以将其还原为模拟信号。存储器中二进制信息用与同先前信号被采样时相同的速率由时钟脉冲从存储器中读出。图7-4 表示了数模（D/A ）转换器的输出。可以看出输出的波形与原始的模拟信号的波形并不是严格相同，它是一系列的离散的台阶。然而，使用更多的台阶，可以获得一个更接近于代表原始信号的波形。台阶的大小取决于使用二进制数的位数。台阶的数目是以2 为底、以位数为指数的幂。一个5 位系统可以提供：

25=32 台阶

一个8 位系统则可以提供：

28=256 台阶

实际上，图7-2 的输出信号使用滤波器平滑了台阶，并且这个模拟的输出信号在实际应用中是能让人接受的，例如用于讲演的扩音。

如果使用足够的位数和高的采样速率，模拟信号可以准确地转换成等价的数字信号，这个信号又可以完全无误地转换成与原始信号相同的模拟信号。如果运用数字信号处理的话，这个信号甚至会比原始信号明显变好。

模拟电子学包括的技术和概念与数字电子学是不同的。本书接下来将重点讲述模拟电子学。现在，大多数的电子技术人员必须具有模拟和数字电路及系统的各种技能。

例7-1

一张音频压缩光盘（CD ）采用16 位来表示每个采样点的信号，那么将有多少个台阶或者电平数？

利用2 的16 次幂来计算：

216=65,536