今天，我们被数字电子产品所包围。使用模拟电子设备的设备非常罕见。计算机、电话、相机、CD播放器、打印机、收音机和电视都使用了数字技术。我们每天都听到数字电子产品，但可能很少有人真正了解它的含义和功能。有几个定义可以描述它。数字电子涉及处理和控制数字数据的系统。该术语源自“digit”一词，而“digit”又源自拉丁语“digitum”(手指)。要完全理解这个概念，有必要完全清楚“模拟”和“数字”这两个词之间的区别，这将在接下来的几段中明确阐述。
模拟值是随时间连续变化的量。它可以取无限多的值——例如，温度、电池电压或扬声器中的音频信号。图1显示了模拟值的时间过程。模拟的概念可以通过连续性条件来表示。在实践中，数值沿着一个以无限位置为特征的路径移动。不用说，模拟值保留了被测量的所有特征，并且其质量不会下降。模拟系统将数量视为“连续数字”，即它们之间具有其他数值的数字(例如，5、5.000001、5.000002、5.000003等)，模拟系统将它们视为“连续数字”。处理的小数位数是无限的。
图1：模拟值的时间过程
从图中可以看出，这个数学函数，由于相当复杂，我们没有描述，在Y轴上包含了无限的数值。由于x-y对是无限的，因此对此类图形的任何缩放都会始终显示连续的数值趋势。因此，模拟曲线包含完整和真实的信息，并且不会损失数据质量，即使将它存储在存储介质上或进行电子处理实际上是不可能的。
数字值是“逐步”变化的数量。它只能采用有限数量的值。不幸的是，数字值并不能保留被测量的所有特征，其质量也不再与原始信号相同。一些信息丢失了。在实践中，同一条路径被分成几个步骤，几个彼此接近的值被等同并归为一个类。打个很笼统的比方，就好比画一个十二边形来表示一个圆。图2显示了数字值的时间过程。数字系统将数量视为“离散数字”，即它们之间没有其他值的数字(例如，1、2、3等)。数字世界还包括那些处理数字0和1(并且只有这些)的设备。数字电子设法以一种非常简单的方式组织和使用这种数字，这就是为什么它被广泛用于今天的技术。
图2：数字值的时间过程
图中可以看到同样的数学函数，并且这次在y轴中包含其数字值。出于实用和电子记忆的原因，y轴的整个范围已逐步分为几个部分。数字曲线包含近似信息，并失去了数据质量。但其在存储介质上的存储或其电子管理是极其简化的。图3显示了叠加的两个模拟和数字信号，以更好地理解它们之间的区别。可以看出，在纵轴上，不再有描述信号幅度的无限值，这些值已减少到仅九个大小类别。这是一个有点限制的案例，但它清楚地显示了从模拟值到数字值的转换效果(ADC转换)。
图3：叠加在数字信号上的模拟信号突出了它们之间的巨大差异。
在逻辑系统中，响应始终与作为输入提供的条件相一致。此类系统仅提供两种可能的信号状态：逻辑真(1)和逻辑假(0)。该系统为电路可能遇到的所有可能情况提供了一个确定的解决方案。逻辑输出总是可以用“是”或“否”的回答形式来表达。不存在任何形式的不确定性，因为数字系统仅提供两个值。一种最简单的逻辑电路如图4所示，其中有以下电子元件：
如果开关连接到电路的“A”点，电流显然会从电池流向负载，并且“Out”节点会出现5V的电压。在这种情况下，LED会亮起。另一方面，如果开关连接到电路的“B”点，则没有电流流向负载，“Out”节点处的电压为0V，因为线路通过下拉电阻接地。在这种情况下，LED不会亮起。
图4：最简单的逻辑电路之一
可以从两个不同的角度来研究该电路。从模拟的角度来看，有一个5V的电压(但它也可能是不同的电压，例如4V、7V或5.5V)，根据开关的位置，它会流过或不流过负载。从数字的角度来看，根据分流器的位置，它取值1(分流器在位置“A”)或0(分流器在位置“B”)。存在哪个电压并不重要，因为这最初是在设计阶段定义的。因此，该电路的特点是只有两种信号选择：
| 真 | 假 |
| 1 | 0 |
| 5V | 0V |
| 是 | 否 |
在正逻辑符号中，5V信号表示“真”、“是”和“逻辑1”的条件。0V信号(接地)表示“假”、“否”和“逻辑0”的条件。当然，逻辑电路的电压不只是5V和0V，它们可以是最多样化的，这取决于电路的要求。例如，它们可以是12V和0V，或者12V和–12V，甚至是5V和–2V。最常用的逻辑是5V和0V(分别代表真和假)。
因此，5V电压是模拟的，但从数字的角度来看，它被视为“真的逻辑”。因此，简单来说：
图5阐明了这一方面的问题。真的逻辑电平是负载(或其他节点)连接到电压发生器时。该连接可直接或间接通过电阻(上拉电阻)进行。假的逻辑电平是负载(或其他节点)连接到电路接地时。该连接可直接或间接通过电阻(下拉电阻)进行。因此，逻辑假的信号以电连接到地为前提，而不是浮动节点，即没有连接。
图5：逻辑高电平(1)和逻辑低电平(0)的连接
在定义逻辑状态的电平时，幸运的是，在定义不同的区间电压时，有很小的容差，使人可以放心的操作。图6显示了在5V下运行的逻辑系统的工作范围。工作范围如下：
图6：逻辑状态的级别必须在精确的间隔内。
数字系统和电路的设计比模拟系统简单得多。故障追踪更直接，运行更安全、更稳定。未来的文章将进一步探讨在所有当前设备中支持该领域的更多概念。
(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Digital Electronics Course — Part 1: Binary Logic and Signals，由Ricardo Xie编译。)
最前沿的电子设计资讯
