1.1 数字电路概述

1.1.1 数字信号和数字电路

电子技术中的工作信号可分为模拟信号和数字信号两大类。

模拟信号是广播电视中传递的各种语音信号和图像信号，是生产和生活中客观存在的压力、温度、弹力等变化信息。模拟信号的特点是其在时间上和幅值上都是连续变化的，如图1.1所示。

1．数字信号

无论是在时间上，还是在数值上，都是不连续的被传递、加工和处理的信号，称为数字信号。例如，用电子电路记录从自动生产线上输出的产品数量时，每输出一个产品便送给电子电路一个信号，记之为“1”信号；而没有产品输出时，送给电子电路一个“0”信号，“0”信号不计数。显然，产品数量的“1”的信号是在时间上和数值上都不连续离散信号。图1.2为典型的数字信号。

数字、脉冲信号的变化总是发生在一系列离散的瞬间，且数值大小只有高电平“1”和低电平“0”两种取值。

2．数字电路

用于传递、加工和处理数字信号的电子电路称作数字电路。数字电路的工作信号一般都是用0和1组成的二值信号，如1电平表示电压的高、脉冲的有；0电平表示电压的低、脉冲的无。数字电路主要研究输出与输入信号之间的对应逻辑关系。因此，数字电路常常被人们称作逻辑电路。

研究数字电路输入和输出之间的关系，实质上就是二值变量之间的逻辑关系。描述二值变量之间的逻辑关系表达式称为逻辑函数式。数字电路能够对数字信号进行各种逻辑运算和算术运算，在各种数控装置、智能仪表以及计算机中得到广泛的应用。

1.1.2 数字电路的特点

数字电路中，信号电平的大小并不重要，只要大于某一阈值，就是高电平1，小于这一阈值就是低电平0，即数字电路被传递和处理的信号只有0和1两种逻辑状态，因此数字电路的抗干扰能力强。

由于数字信号采用的是二值信息，因此在电路工作时只要能可靠地区分1和0两种状态就可以了。数字电路在稳态时，电路中的二极管、三极管均处于开关状态，且与二进制信号的要求相对应。和模拟电子技术相比，数字电路的单元结构比较简单，对元件的精度要求不高，便于集成化、系列化生产，且使用方便、可靠性高、价格低廉。

数字电路的上述特点和独到之处，不仅使它应用于电子计算机中对数字信号的处理，而且在手机、DVD、摄像机、数码照相机等家电设备上发展迅猛，在机械加工、生产过程自动化、现代通信、军事科学、航天领域、遥测、遥控技术、数字测量仪表等诸多领域上越来越得到了广泛的应用。

1.1.3 数字电路的分类

数字电路按其组成结构的不同可分为分立元件的数字电路和集成数字电路两大类。目前广泛应用的数字电路绝大多数是集成数字电路。集成数字电路是以半导体晶体材料为基片，将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路或系统。

集成电路的集成度标志着集成电路的水平，按照集成度的大小，集成数字电路可分为小规模集成电路SSI（集成度通常为1～10门/片）、中规模集成电路MSI（集成度通常为10～100门/片）、大规模集成电路LSI（集成度通常为100～1000门/片）和超大规模集成电路VLSI（集成度已达10万门/片，甚至突破了300万门/片）。

按数字电路所用器件的不同，数字电路又可分为双极型数字电路和单极型数字电路。双极型数字电路包括DTL、TTL、ECL、IIL和HTL多种；单极型数字电路包含JFET、NMOS、PMOS和CMOS等。

按数字电路能够完成的逻辑功能特点的不同，数字电路还可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

1.1.4 脉冲与脉冲参数

1．脉冲

脉冲的定义：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称为脉冲。从脉冲的定义不难看出，脉冲有间隔性的特征，且大部分脉冲信号在周期内占有的时间非常短暂，如图1.2（a）所示的尖脉冲。脉冲信号一般指数字信号，显然目前的脉冲信号已经是一个周期内有一半时间（甚至更长时间）有信号，如图1.2（b）所示的计算机内的方波脉冲信号。脉冲信号可以是周期性的，也可以是单次性的。

2．脉冲参数

为了表征脉冲信号的特征，常用一些参数来描述，如图1.3所示的矩形脉冲电压为例介绍几个脉冲参数。

（1）脉冲幅度Um：脉冲电压变化的最大值。

（2）脉冲周期T：周期性脉冲信号前后两次出现的时间间隔。

（3）脉冲宽度tp：脉冲持续的时间。

（4）重复频率：单位时间内脉冲重复的次数。

（5）上升时间tr：脉冲上升至0.9Um所需的时间。

思考题

1．电子技术中模拟信号和数字信号有何不同？数字电路具有哪些特点？

2．数字电路按集成度的不同是如何进行分类的？

3．何为脉冲？什么是脉冲宽度？