模拟和數字電路基礎知識

作為一位硬件工程師，必須面對的就是兩個基本電路：模拟電路和數字電路。下面我們就來了解一下這兩個電路的基本知識。

模拟電路與數字電路的定義及特點：

一、模拟電路(電子電路)

處理模拟信号的電子電路。“模拟”二字主要指電壓(或電流)對于真實信号成比例的再現。

其主要特點是：

1、函數的取值為無限多個;

2、當圖像信息和聲音信息改變時，信号的波形也改變，即模拟信号待傳播的信息包含在它的波形之中(信息變化規律直接反映在模拟信号的幅度、頻率和相位的變化上)。

3.初級模拟電路主要解決兩個大的方面：1放大、2信号源。

4、模拟信号具有連續性。

數字電路(進行算術運算和邏輯運算的電路)

用數字信号完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路。

其主要特點是：

1、同時具有算術運算和邏輯運算功能

數字電路是以二進制邏輯代數為數學基礎，使用二進制數字信号，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算(與、或、非、判斷、比較、處理等)，因此極其适合于運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應用。

2、實現簡單，系統可靠

以二進制作為基礎的數字邏輯電路，可靠性較強。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模拟電路小得多。

3、集成度高，功能實現容易

集成度高，體積小，功耗低是數字電路突出的優點之一。電路的設計、維修、維護靈活方便，随着集成電路技術的高速發展，數字邏輯電路的集成度越來越高，集成電路塊的功能随着小規模集成電路(SSI)、中規模集成電路(MSI)、大規模集成電路(LSI)、超大規模集成電路(VLSI)的發展也從元件級、器件級、部件級、闆卡級上升到系統級。電路的設計組成隻需采用一些标準的集成電路塊單元連接而成。對于非标準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現任意的邏輯功能。

二、模拟電路與數字電路之間的區别

模拟電路是處理模拟信号的電路;數字電路是處理數字信号的電路。

模拟信号是關于時間的函數，是一個連續變化的量，數字信号則是離散的量。因為所有的電子系統都是要以具體的電子器件，電子線路為載體的，在一個信号處理中，信号的采集，信号的恢複都是模拟信号，隻有中間部分信号的處理是數字處理。具體的說模拟電路主要處理模拟信号，不随時間變化，時間域和值域上均連續的信号，如語音信号。而數字信号則相反，是變化的，數字信号的處理包括信号的采樣，信号的量化，信号的編碼。

舉個簡單的例子：要想從遠方傳過來一段由小變大的聲音，用調幅、模拟信号進行傳輸(相應的應采用模拟電路)，那麼在傳輸過程中的信号的幅度就會越來越大，因為它是在用電信号的幅度特性來模拟聲音的強弱特性。

但是如果采用數字信号傳輸，就要采用一種編碼，每一級聲音大小對應一種編碼，在聲音輸入端，每采一次樣，就将對應的編碼傳輸出去。可見無論把聲音分多少級，無論采樣頻率有多高，對于原始的聲音來說，這種方式還是存在損失。不過，這種損失可以通過加高采樣頻率來彌補，理論上采樣頻率大于原始信号的頻率的兩倍就可以完全還原了。

數字電路的電平都是符合标準的，模拟電路就沒有這樣的要求了。

三、模拟電路和數字電路之間的聯系

摸拟電路是為數字電路供給電源而又完成執行機構的執行。

在模拟電路和數字電路中，信号的表達方式不同。對模拟信号能夠執行的操作，例如放大、濾波、限幅等，都可以對數字信号進行操作。事實上，所有的數字電路從根本上來說都是模拟電路，其基本電學原理，都與模拟電路相同。互補金屬氧化物半導體就是由兩個模拟的金屬氧化物場效應管構成的，其對稱、互補的結構，使它恰好能處理高低數字邏輯電平。不過，數字電路的設計目标是用來處理數字信号，如果強行引入任意模拟信号而不進行額外處理，則可能造成量化噪聲。

在一組離散的時間下表示信号數值的函數稱為離散時間信号。因為最常遇到的離散時間信号是模拟信号在時間上以均勻(有時也以非均勻)間隔的采樣。而“離散時間”與“數字”也經常用來說明同一信号。離散時間信号的一些理論也适用于數字信号。

四、如何實現模拟和數字電路的功能

模拟電路和數字電路它們同樣是信号變化的載體，模拟電路在電路中對信号的放大和削減是通過元器件的放大特性來實現操作的，而數字電路是對信号的傳輸是通過開關特性來實現操作的。

在模拟電路中，電壓、電流、頻率，周期的變化是互相制約的，而數字電路中電路中電壓、電流、頻率、周期的變化是離散的。

模拟電路可以在大電流高電壓下工作，而數字電路隻是在小電壓，小電流底功耗下工作，完成或産生穩定的控制信号。

五、應用

模拟電路幾乎覆蓋整個電子領域，任何一個電子線路的功能實現都會涉及到模拟電路。

數字電路與數字電子技術廣泛的應用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域。

模拟電路的設計通常比數字電路更為困難，對設計人員的水平要求更高。這也是數字電路系統比模拟電路系統更加普及的原因之一。模拟電路通常需要更多的手工運算，其設計過程的自動化程度低于數字電路。

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