1.2 基本概念

数字电子技术的应用离不开实际问题中的信息（物理量）。电信号（数字信号）与电路或系统（数字电路、数字系统），以及数字电路和系统的设计方法研究是学习数字电子技术的重要内容。

1.2.1 数字信号

1.物理量

物理量（Physical Quantity）是指物理学中所描述的现象、物体或物质可定性区别和定量确定的属性。物理量分为模拟量（AnalogQuantity）和数字量（DigitalQuantity），它们的最大区别在于前者在时间与数值上都连续，而后者则都离散。在我们生活的世界中，物理量主要是模拟量，如声音、图像、压力、温度、湿度、速度、加速度等。数字量的变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间；数字量是离散量，是可以分散开来、不存在中间值的量；数字量的数值大小和每次的增减变化都是某一个最小数量单位的整数倍，而小于这个最小数量单位的数值没有任何物理意义。例如，人数、页数等；计算机键盘是一个将按键信息变换成电信号的装置，按键信息本身就是离散的物理量。

2.模拟信号与数字信号

采用电子系统处理物理量时，首先要用变换器（传感器）将物理量转换成电信号（E-lectrical Signal）。例如，利用压电变换原理制作的麦克风可以将声音变换成模拟电压信号（Analog Signal），即语音信号；温度传感器可以将温度变化转换为电压变化。图1-1描述了正弦波电压信号（语音或其他模拟电压信号中某一频率成分对应的模拟信号）的时域波形，该信号在时间和幅值上具有连续变化的特点。

二值数字信号（Digital Signal）波形如图1-2所示。数字信号在任一时刻只呈现高电平和低电平这两种离散电平值之一。在数字电子系统中，通常用逻辑值“0”和“1”表示电平的高和低。注意，0表示低、1表示高是最自然的，称为正逻辑；相反，一般不采用0表示高、1表示低的负逻辑方式。

数字信号具有突出的逻辑特点，因而通过采用逻辑代数中各种抽象方法来描述电路中简单的0和1运算，就可以对数字逻辑电路进行功能上的分析与设计。

1.2.2 数字电路

和模拟电路（Analog Circuit）用来处理模拟信号一样，数字电路（Digital Circuit）是用来对数字信号进行逻辑运算和算术运算的电路，由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称为数字逻辑电路。数字系统（Digital System）是相对于功能部件级的数字电路而言的，其规模可大可小，但必须含有控制器，这也是区别数字系统和数字电路的标志。

本书主要为数字电子技术课程编写，内容上重点介绍有关数字电路的基本概念、基本器件与功能原理、典型应用电路、基本分析与设计方法。

现代的数字电路是由半导体工艺制成的数字集成器件构造而成，按照功能和结构分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。数字电路的基本电路为逻辑门和触发器，其他典型电路还包括编码器、译码器、数据选择器、计数器、移位寄存器等。逻辑代数是数字电路分析与设计的数学基础。

相比模拟电路，数字电路具有以下特点：

1）抗干扰性能更突出。数字信号具有离散取值特性，便于实现信号再生，在数据通信中采取各种检错码、纠错码后，能够进一步提高数据通信的可靠性，使得数字电子技术在数据传输、处理场合具有广泛应用。

2）大规模集成更易于实现。集成电路中有源器件面积很小，而面积很大的元件主要是电感和电容元件。模拟集成电路中采用有源器件、电感、电容和电阻等，而数字集成电路则主要采用有源器件，这使得数字集成电路更容易实现高集成度。

3）数据存储能力强大。相比模拟信号的连续性，数字信号取值的有限性使得数字电路具有很强的数据存储能力。

4）数据处理速度快、能力强。以计算机为典型代表的数字系统，对数据的处理能力强大而且发展飞速。

5）编程灵活，功能丰富。与模拟电路相比，数字电路便于使用计算机工具，设计方便、自动化程度高，尤其是可编程逻辑器件及相应开发工具的出现。

6）数字电路也具有模拟性。数字信号的实际波形（上升和下降的边沿具有变化过程）即表明了这一特点。随着工作频率的升高，数字信号的模拟性更加明显，需要根据模拟电路的方法分析和设计电路。因此，数字设计时知道电路的模拟性、运用模拟性很重要。

1.2.3 设计方法

数字电路与数字系统的设计简称数字设计。现代数字设计是一种自顶向下（Top-to-Down）、分层次的设计方法，或者说设计思路、流程，如图1-3所示。设计往往在几个不同的层次上实现，即使只在某个层次上学习和练习设计，还是需要涉及上、下一个或两个层次的技术才能很好地完成设计任务。

系统级（性能级）和物理级设计分别是数字设计的最高和最低层次。本书主要在门级及以上层次进行设计学习，不涉及物理级和IC制造这个层次。此外，本书也列举一些典型数字电路的分析问题，因为优秀的数字设计过程中离不开数字分析能力，大量的数字分析既能为数字设计提供宝贵的经验，也能及时发现设计存在的问题。

了解了设计思路和层次之后，需要注意的是，数字设计的具体实现方法和采用的工具在微电子与计算机发展的不同阶段有很大不同，归纳总结为以下三种。

1.传统设计方法（人工设计）

在传统设计中，逻辑功能的描述主要采用真值表，利用逻辑代数和卡诺图化简法得到最优的表达式，采用相应逻辑门就可以实现功能电路，其流程如图1-4所示。传统设计方法从方案的提出，到验证和修改均采用人工手段完成，尤其是电路与系统的验证需要经过实际搭建测试电路来完成，因此这种方法花费大、效率低、制造周期长。

尽管传统的设计方法在现代数字设计中基本不再被采用，但是相比其他方法，传统设计方法更适合培养和锻炼电路分析、设计的能力。因此，本书中基本的组合逻辑和时序逻辑电路设计仍然采用传统的设计方法。

2.计算机辅助设计方法

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）中，人和计算机共同完成电路设计。CAD借助计算机完成数据处理、模拟评价、设计验证等部分工作，设计阶段中主要工作尚需人工来完成。

随着数字器件的发展，进入到现代数字电路、系统阶段，主要采用可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）和硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）来设计。CAD通过程序描述逻辑电路的行为、仿真、调试、实现。

（1）可编程逻辑器件

可编程逻辑器件（PLD）是电子设计领域中极具活力和发展前途的元器件。PLD能够完成任何数字逻辑器件的功能，上至高性能的CPU，下至简单的74电路。PLD如同一张白纸或一堆积木，工程师通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一个数字电路或系统。通过软件仿真，可以预先验证设计的正确性。此外，PLD具有在线修改的特点，修改设计时不需要改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路或系统，可以大大缩短设计时间，提高电路和系统的可靠性。目前，比较流行的PLD是现场可编程门阵列（Field Pro-grammable Gates Array，FPGA），在教材的第6章会为大家详细介绍可编程逻辑器件的概念、原理和应用。

（2）硬件描述语言

硬件描述语言（HDL）是数字电路与系统行为描述、结构描述、数据流描述的语言。利用这种语言，可以从顶层到底层（从抽象到具体）逐层描述设计者的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字电路与系统；然后，利用EDA工具，逐层进行仿真、验证，再把其需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换至门级电路网表。接下来，再用FP GA或专用集成电路自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构，这种高层次的设计方法已被广泛使用。HDL包括VHDL和Verilog HDL两大主要类型，在本章1.3节会简要介Verilog HDL的概念。

3.电子设计自动化（EDA）

电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）中，电路与系统的整个设计过程或大部分设计均由计算机来完成。EDA是CAD发展的必然趋势，也是CAD的高级阶段。基于EDA技术的现代数字电路与系统设计往往采取自顶向下的设计方法，由抽象的定义到具体的实现、由高层次到低层次的转换逐步求精的设计方法。首先从系统设计开始，在顶层进行功能划分和结构设计，并在系统级采用仿真手段验证设计的正确性，然后再逐级设计底层的结构，实现设计、仿真、测试一体化，其方案的验证与设计、电路与PCB设计、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）设计等都由工程师借助EDA工具完成。EDA技术借助于大规模集成的可编程逻辑器件（PLD）和高效的设计软件，使工程师可以直接对芯片结构的设计，实现多种数字电路与系统功能。