数字电子教程

数字电子是一种电子学，研究以数字信号为操作对象的系统的设计、工作和应用。以数字信号为操作对象的系统称为数字系统，而数字系统的主要组成部分是数字电路。

数字电路用于处理以二进制数字(即 0 和 1)表示的数据和信号。数字电子技术不仅限于数字系统的研究，还涉及数字信号的分析以及先进数字组件和技术的开发。

本综合数字电子技术教程专为想要学习数字电子技术概念的学生和专业人士而设计。本教程涵盖数字电子技术的所有核心概念，包括数字系统、组合电路、顺序电路、IC 系列等。

数字电子技术简介

我们可以将数字电子技术定义为……

"电气和电子工程的一个分支，涉及数字信号和系统的设计、工作和应用研究。"

数字电子技术涵盖了对电子、电气、计算机和通信中使用的数字信号、数字电路和数字技术的全面研究。

与模拟电子设备相比，数字设备和系统更快、更准确、更可靠、更高效。这是因为数字电子设备是双态设备，使用二进制数字系统来运行。因此，这些设备的操作仅在两个二进制状态之间切换，即开启(逻辑 1)和关闭(逻辑 0)。

数字电路或系统由大量逻辑门组成，这些逻辑门相互连接在一起以实现特定的布尔或逻辑功能。

数字电子技术的发展

下表列出了数字电子技术和二进制逻辑发展的关键里程碑，从二进制数字系统到现代数字逻辑门 −

数字电路的设计和构造

数字电子电路由称为逻辑门的微小电子元件组成。其中，逻辑门是可以对输入信号执行布尔或逻辑函数的电子电路。逻辑门的主要组件是充当开关设备的晶体管。

下图显示了数字电子电路的一个示例。

在设计和构造数字电子电路之前，设计师和工程师会尝试将逻辑冗余降到最低，这样电路就可以变得更简单，使用更少的组件并提高成本效益。这也减少了数字电路设计和构造中出现错误的可能性。为了减少逻辑冗余，数字电子技术中有各种技术，如布尔代数、K-Map、Quine-McCluskey 方法等。

在实际操作中，复杂的数字电路通常使用嵌入式系统和 PLC 等微控制器来实现，因为这些系统不需要完美优化，可以使用梯形逻辑等工具轻松编程。

数字电子技术在计算机组织中的重要性

计算机组织 (CO) 是计算机工程的一个分支，研究计算机系统的物理组件及其功能。它使我们能够了解计算机系统的不同组件如何相互作用以处理数据、指令和执行任务。

在计算机组织下，我们研究计算机系统的硬件架构和设计原理。因此，计算机组织有助于计算机工程师和系统设计师开发更高效的计算机系统。

以下是突出数字电子技术在计算机组织领域的重要性的要点 −

• 数字电子技术的二进制表示用于设计计算机系统的不同电路。
• 数字电子技术提供逻辑门和其他数字电路，用于设计计算机系统的不同组件，如控制单元、算术逻辑单元 (ALU)、存储单元等。
• 数字电子技术为计算机中的设计存储单元和数据存储系统提供了原理。
• 数字电子技术原理还使计算机能够执行各种数字信号处理任务，如调制、解调、滤波等。

数字电子技术是计算机组织的基础概念，它提供了设计和实现计算机电路和系统所需的所有重要工具和技术。

数字电子系统的分类

数字电子系统大致分为两种类型，即组合系统和顺序系统，它们是−

• 组合系统 − 仅根据其当前输入产生输出的数字电子系统称为组合系统。它不记住过去的输入和输出。相反，它根据当前输入立即确定输出。
• 顺序系统 − 顺序系统是一种基于当前输入和过去输入提供输出的数字电子系统。在顺序系统中，提供反馈路径和存储元件以将一些输出反馈为输入。

顺序系统进一步分为以下两种类型 −

• 同步系统 − 使用时钟信号触发其状态变化的顺序系统称为同步系统。
• 异步系统 −那些不使用任何时钟信号并根据应用的输入改变其状态的顺序系统称为异步系统。

数字电子器件的优点和缺点

下表重点介绍了一些主要的数字电子器件的优点和缺点 −

数字电子的应用

从个人设备到先进的工业系统，数字电子在我们生活的方方面面都发挥着重要作用。在本节中，我们重点介绍了数字电子在各个领域的一些常见应用 −

• 计算机 − 数字电子是计算机的支柱。在计算机中，数字电子技术允许以数字格式存储、处理和传输数据和信息。
• 通信系统 − 数字电子技术用于通信系统中，用于计算机、笔记本电脑、服务器、手机等数字设备之间的信息交换。在通信系统中，数字电子技术提供调制解调器、多路复用器、编码器等设备和技术，用于传输和接收数字信号。
• 家用电器 − 数字电子技术还用于各种家用电器，如智能电视、音乐系统、自动洗衣机、遥控灯等。
• 汽车 −数字电子技术正用于现代车辆的信息娱乐、发动机监控和控制、导航、巡航控制等。
• 工业控制和自动化 − 在工业中，数字电子技术用于自动化和控制流程，如装配线、制造等。
• 医疗设备 − 数字电子技术还用于先进的医疗设备，如患者监测系统、数字 X 射线、CT 扫描、MRI、ECG 等。

数字电子技术的其他应用包括军事、空间研究、数据处理、模拟、环境监测、安全系统等。

数字电子中的重要术语

以下术语及其定义非常重要，对理解本教程中解释的概念非常有帮助 −

二进制数字系统

它是一个数字系统，只使用两个数字，即 0 和 1。因此，二进制数字系统是一个以 2 为基数的数字系统，是数字电子技术的基础概念。它用于以数字格式表示信息，如下所示。

二进制算术

二进制算术是一种对二进制数执行加、减、乘、除等算术运算的数学方法。它是数字电子数据处理的基础。

二进制算术的示例有:

$$\mathrm{0 \: + \: 0 \: = \: 0}$$

$$\mathrm{0 \: + \: 1 \: = \: 1}$$

$$\mathrm{1 \: + \: 0 \: = \: 1}$$

$$\mathrm{1 \: + \: 1 \: = \: 0 \: (Carry \: = \: 1)}$$

布尔代数

布尔代数是代数的一个分支，研究逻辑运算。它是由英国数学家乔治·布尔发明的。在布尔代数中，变量的值可以是真(表示为 1)或假(表示为 0)，使用的运算符是逻辑运算符，如 AND、OR、NOT 等。

布尔代数用于数字电子技术，以简化复杂的逻辑函数并优化数字电路设计。

布尔代数表达式的示例有:

$$\mathrm{A(B+C) \: = \: AB \: + \: AC}$$

$$\mathrm{(\overline{A+B}) \: = \: \bar{A}\cdot\bar{B}}$$

逻辑门

逻辑门是数字电子技术的基本构件。这些是用于执行布尔或逻辑运算的电子电路。

常见的逻辑门有与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门和异或门。逻辑门在数字电子技术中非常重要，它可以在电子电路中实现决策能力。

组合逻辑电路

组合逻辑电路是一种数字电路，其输出仅取决于当前输入。 组合逻辑电路的示例包括多路复用器、加法器、解码器等。

下图显示了一个典型的组合逻辑电路示例。

序贯逻辑电路

序贯逻辑电路是另一种数字电路，其输出取决于两个当前和过去的输入。这些电路是组合电路和存储元件的组合。顺序逻辑电路的示例包括寄存器、计数器、状态机等。下图描绘了顺序逻辑电路的示例。

触发器

触发器只不过是能够存储 1 位数据的数字电路，在数字电子器件中用作基本存储元件。触发器有多种类型，如 SR 触发器、D 触发器、T 触发器、JK 触发器等。下图显示了 RS 触发器的电路图。

多路复用器

多路复用器 表示为 MUX，称为多对一设备。多路复用器是一种从多个输入中选择一个输入并将其发送到输出的数字电路。多路复用器的框图如下所示。

卡诺图 (K-Map)

K-Map 是一种图形工具，用于简化复杂的布尔表达式。它用于减少数字电路中的逻辑冗余，使其设计更高效。

K-Map 可用于最小化 2 个变量、3 个变量、4 个变量、5 个变量 和 6 个变量 中的逻辑函数。对于超过 6 个变量的函数，K-map 变得复杂且难以处理。

Quine-McCluskey 方法

这是将逻辑函数简化或最小化为最简单形式的另一种方法。此方法是为了使用计算机系统简化复杂的布尔表达式而开发的。

加法器

用于执行两个二进制数加法的数字电路称为加法器。加法器广泛用于算术逻辑单元和计算器。加法器有两种类型，即半加法器和全加法器。

半加法器是一种只能将两个二进制数字相加并产生和及进位输出的加法器电路。而全加器可以一次添加三个二进制数字(两个输入位和一个来自前一次加法的进位)，并产生一个和和一个进位输出。

移位寄存器

移位寄存器是用于存储多个数据位并根据控制信号向左或向右移动它们的数字电路。

计数器

计数器是用于计数输入脉冲并相应地增加或减少其输出的数字电路。它们用于数字时钟、计时器和数字控制系统。

DAC 和 ADC 转换器

DAC(数模转换器)是将数字信号转换为模拟信号的数字电路，广泛用于放大器、音频、视频播放器等设备。

ADC(模数转换器)是将模拟信号转换为数字信号的数字电路，用于计算机、笔记本电脑、微控制器和其他数字设备。

可编程逻辑器件 (PLD)

PLD 是可编程的数字电路，可在数字系统中执行特定功能。

存储设备 (RAM 和 ROM)

RAM(随机存取存储器)是计算机等数字系统中用于处理过程中快速访问数据的临时存储设备。而 ROM(只读存储器)是一种永久存储设备，用于存储不需要更改的程序和指令。 存储设备是信息存储和检索的重要数字系统中的组件。

二进制代码

使用二进制数字(0 和 1)表示文本、数字、指令或任何其他数据的代码称为二进制代码。 二进制代码的一些常见示例包括 BCD、格雷码、ASCII、XS-3、EBCDIC 等。二进制代码对于数字系统中的数据存储和处理至关重要。

补码算法

补码定义为相互加法的逆数对。 补码算术是一种表示负数并使用加法运算进行减法的数学方法。它主要用于计算机等数字系统中执行减法。

例如，

2 的补数 = 2^N - 数字

其中，N 是数字中的位数。

(1001101)₂ 的 2 的补数将是，

2 的补数 = 2⁷ - 1001101

2 的补数 = 128 - 1001101

2 的补数 = 10000000 - 1001101

∴2 的补数 = 0110011

谁应该学习数字电子技术?

本数字电子技术教程适合任何有兴趣学习数字系统的人。它专为本科或研究生阶段学习电气、电子、计算机工程或任何相关领域的初学者设计。

它也是数字电子技术、自动化和控制、通信等领域的专业人士和执业工程师的宝贵资源。它可以帮助他们更新或加深对数字电子技术和逻辑概念的理解。

学习数字电子技术的先决条件

这是关于数字电子技术的入门教程，因此没有任何严格的先决条件。但是，如果读者对电子学的基本概念(如电流、电压、电路、晶体管、二极管、电阻器、电容器等)有所了解，那么它将帮助他们更轻松、更有效地掌握本教程中涵盖的概念。

此外，如果读者对二进制数和逻辑门有基本的了解，那么它将使本教程的学习更加顺利。

数字电子技术常见问题解答

在本节中，我们收集了一组关于数字电子技术的常见问题 (FAQ)，后面是它们的答案 −

1. 数字电子技术是什么意思?

数字电子技术是电子工程的一个分支，涉及数字信号的研究和可对其操作的设备的开发。数字电子产品的常见例子包括计算机、智能手机、互联网、智能电视、USB 驱动器等。

我们使用数字电子产品的主要原因包括以下几点 −

• 数字系统更准确、更高效。
• 数字信号和系统对噪声和干扰的免疫力更强。
• 数字电子电路执行功能所需的功率更少。
• 数字系统更易于设计和制造等。

2. 什么是数字电子机器?

任何能够通过处理离散形式的数据来执行功能或操作的电子机器都称为数字电子机器。这些机器使用以二进制代码表示的数据和指令，即使用 0 和 1。台式计算机就是数字电子机器的一个例子。

3. 什么是基本门?

在数字电子技术中，有三个基本门，即

• 或门 − 接受两个或多个二进制输入，当任何一个输入为高时，给出高(或真)输出。
• 与门−接受两个或更多二进制输入，并在所有应用的输入都为高电平时提供高电平(或真)输出。
• 非门 − 仅接受一个二进制输入并给出反相或互补的输出。如果输入为高电平，则输出为低电平，反之亦然。

4. 数字电子技术与模拟电子学有何不同?

数字电子技术和模拟电子学的主要区别在于，数字电子技术以离散或不连续的时间信号形式处理数据，而模拟电子学使用连续信号进行处理。

5.谁发明了数字电子技术?

数字电子技术不是由一个人发明的，而是许多科学家和工程师研究工作的成果，例如乔治·布尔、G. W. 莱布尼茨、克劳德·香农、约翰·巴丁、W. 布拉顿、威廉·肖克利等。

6. 数字电子技术中的"时钟"是什么?

在数字电子技术中，时钟是一种以恒定频率在高状态和低状态之间振荡的信号，用于同步数字电路中的动作。

7. 组合电路和顺序电路有何不同?

组合逻辑电路只是一组相互连接的逻辑门，根据所施加的输入产生输出。

另一方面，顺序电路是一组组合电路和存储元件。因此，时序电路的输出由当前输入和过去输出控制。

8. 数字逻辑设计在集成电路 (IC) 制造中的作用是什么?

数字逻辑设计是集成电路制造中的一个重要概念。它有助于设计人员完成以下过程 −

• 确定 IC 的规格和设计参数。
• 技术映射，即选择和映射逻辑门和其他组件。
• 准备物理设计和结构以了解组件的位置和互连。
• 测试和验证设计是否存在任何错误或缺陷。
• 大规模最终产品生产。

9.什么是 FPGA 及其在数字电子中的作用?

现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种数字设备，其中可配置逻辑块 (CLB) 矩阵通过可编程互连连接在一起。

用户可以重新编程 FPGA 以满足所需应用的需求。因此，它使我们能够设计各种自定义数字电路，例如组合电路和顺序电路、算术逻辑单元、内存块、控制系统、数据处理系统等。