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第三节 数字电路的研究内容及特点

数字电路研究的内容与模拟电路完全不同。由于在数字电路系统中,信号都已经数字化,因此在数字电路中对信号的研究已经不在注重信号的放大与衰减等内容,而是注重研究数字信号的逻辑关系,形成对信号的筛选、判断、决策、存储、传输等内容。正是数字电路以及超大规模数字电路技术的蓬勃发展,才出现当今的计算机技术、互联网技术、人工智能技术等重要的学科。

1. 数字电路分析和处理的信号

数字电路主要处理数字信号。数字信号是在时间上和数值上是离散的(不连续)并经过编码的信号,反映在电路上就是低电平和高电平两种状态(即0和1两个逻辑值)。 数字电路是处理数字信号的电路,因此主要处理‘0’,‘1’ 两种信号以及由‘0’,‘1’ 构成的集合之间的逻辑及时序关系。

2. 数字电路对信号的处理方式

  • 逻辑关系: 在数字电路中,研究的主要问题是电路的逻辑功能,即输入信号的状态和输出信号的状态之间的关系。在数字电路中最基本的逻辑关系有“与”(And),”或”(OR),“非”(NOT)三种关系,图1展示了数字电路的与或关系。这种关系的运算称为摩尔代数。摩尔代数在后续章节中会详细介绍。

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图1 与或关系的4位表决器

  • 时序关系:在数字电路的设计中,不仅要研究数字信号的逻辑关系,有时还注重事件发生的先后顺序。因此出现了事件按节拍的方式处理。因此产生时钟、时序等概念。后续发展为状态,状态机等概念,使得数字电路几乎无所不能。目前计算机、DSP、机器学习、互联网等技术的发展都离不开数字时序电路。

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图2 有JK触发器构成的同步计数器

3. 数字电路的精度

数字电路对数字信号幅度的要求不高,只要在数字处理过程中能正确识别’0′,’1′ 即可,这一点完全不同于模拟电路对信号的处理方式。当然数字电路也有自己特有的精度要求,主要体现在数值计算方面对数位精度的要求。如8位数据精度只能表达1%左右。10位精度可达千分之一,16位精度接近10万分之一,32位的精度可以做到精度10-9以内。

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