數位電子課程-第1部分：二進位邏輯和訊號
作者 : Giovanni Di Maria
數位電子涉及處理和控制數字資料的系統。該術語源自「digit」一詞，而digit又源自拉丁語「digitum(手指)」。要完全理解這個概念，有必要完全清楚類比和數位這兩個詞之間的區別，這將在本文接下來的幾段中明確闡述。
今天，我們被數位電子產品所包圍。使用類比電子設備的設備非常罕見。電腦、電話、相機、CD播放機、印表機、收音機和電視都使用了數位技術。我們每天都聽到數位電子產品，但可能很少有人真正瞭解它的含義和功能。有幾個定義可以描述它。數位電子涉及處理和控制數字資料的系統。
類比值
類比值是隨時間連續變化的量。它可以取無限多的值——例如，溫度、電池電壓或揚聲器中的音訊訊號。圖1顯示了類比值的時間過程。類比的概念可以通過連續性條件來表示。在實踐中，數值沿著一個以無限位置為特徵的路徑移動。不用說，類比值保留了被測量的所有特徵，並且其品質不會下降。類比系統將數量視為連續數位，即它們之間具有其他數值的數位(例如，5、5.000001、5.000002、5.000003等)，類比系統將它們視為連續數位。處理的小數位數是無限的。
圖1：類比值的時程。
從圖中可以看出，這個數學函數，由於相當複雜，我們沒有描述，在Y軸上包含了無限的數值。由於x-y對是無限的，因此對此類圖形的任何縮放都會始終顯示連續的數值趨勢。因此，類比曲線包含完整和真實的資訊，並且不會損失資料品質，即使將它存儲在存儲介質上或進行電子處理實際上是不可能的。
數位值
數位值是逐步變化的數量。它只能採用有限數量的值。不幸的是，數位值並不能保留被測量的所有特徵，其品質也不再與原始訊號相同。一些資訊丟失了。在實踐中，同一條路徑被分成幾個步驟，幾個彼此接近的值被等同並歸為一個類。
打個很籠統的比方，就好比畫一個十二邊形來表示一個圓。圖2顯示了數位值的時間過程。數位系統將數量視為離散數位，即它們之間沒有其他值的數位(例如，1、2、3等)。數位世界還包括那些處理數位0和1(並且只有這些)的設備。數位電子設法以一種非常簡單的方式組織和使用這種數位，這就是為什麼它被廣泛用於今天的技術。
圖2：數位值的時程。
圖中可以看到同樣的數學函數，並且這次在y軸中包含其數位值。出於實用和電子記憶的原因，y軸的整個範圍已逐步分為幾個部分。數位曲線包含近似資訊，並失去了資料品質。但其在存儲介質上的存儲或其電子管理是極其簡化的。
圖3顯示了疊加的兩個類比和數位訊號，以更好地理解它們之間的區別。可以看出，在縱軸上，不再有描述訊號幅度的無限值，這些值已減少到僅九個大小類別。這是一個有點限制的案例，但它清楚地顯示了從類比值到數位值的轉換效果(ADC轉換)。
圖3：類比值疊加在數位值上，顯現出兩者間的差異。
真和假
在邏輯系統中，回應始終與作為輸入提供的條件相一致。此類系統僅提供兩種可能的訊號狀態：邏輯真(1)和邏輯假(0)。該系統為電路可能遇到的所有可能情況提供了一個確定的解決方案。邏輯輸出總是可以用是或否的回答形式來表達。不存在任何形式的不確定性，因為數位系統僅提供兩個值。一種最簡單的邏輯電路如圖4所示，其中有以下電子元件：
- 1×5V電池
- 1×10kΩ下拉電阻
- 1×220Ω電阻
- 1×LED
如果開關連接到電路的A點，電流顯然會從電池流向負載，並且Out節點會出現5V的電壓。在這種情況下，LED會亮起。另一方面，如果開關連接到電路的B點，則沒有電流流向負載，Out節點處的電壓為0V，因為線路通過下拉電阻接地。在這種情況下，LED不會亮起。
圖4：最簡單的邏輯電路之一。
可以從兩個不同的角度來研究該電路。從模擬的角度來看，有一個5V的電壓(但它也可能是不同的電壓，例如4V、7V或5.5V)，根據開關的位置，它會流過或不流過負載。從數位的角度來看，根據分流器的位置，它取值1(分流器在位置A)或0(分流器在位置B)。存在哪個電壓並不重要，因為這最初是在設計階段定義的。因此，該電路的特點是只有兩種訊號選擇：
在正邏輯符號中，5V訊號表示真、是和邏輯1的條件。0V訊號(接地)表示假、否和邏輯0的條件。當然，邏輯電路的電壓不只是5V和0V，它們可以是最多樣化的，這取決於電路的要求。例如，它們可以是12V和0V，或者12V和–12V，甚至是5V和–2V。最常用的邏輯是5V和0V(分別代表真和假)。
下拉電阻和上拉電阻
因此，5V電壓是類比的，但從數位的角度來看，它被視為真的邏輯。因此，簡單來說：
- 當節點直接或間接連接到5V電壓發生器時，會出現數位1訊號。
- 當節點直接或間接連接到電路接地時，會出現數位0訊號。
圖5闡明了這一方面的問題。真的邏輯電平是負載(或其他節點)連接到電壓發生器時。該連接可直接或間接通過電阻(上拉電阻)進行。假的邏輯電平是負載(或其他節點)連接到電路接地時。該連接可直接或間接通過電阻(下拉電阻)進行。因此，邏輯假的訊號以電連接到地為前提，而不是浮動節點，即沒有連接。
圖5：邏輯高電平和邏輯低電平的接線圖。
在定義邏輯狀態的電平時，幸運的是，在定義不同的區間電壓時，有很小的容差，使人可以放心的操作。圖6顯示了在5V下運行的邏輯系統的工作範圍。工作範圍如下：
- 0V至1V：系統將該電壓識別為邏輯“0”，即“假”值。
- 4V至5V：系統將該電壓識別為邏輯“1”，即“真”值。
- 1V至4V：系統將此電壓識別為不確定狀態。
圖6：邏輯狀態的層級必須在精準的間隔內。
結論
數位系統和電路的設計比類比系統簡單得多。故障追蹤更直接，運行更安全、更穩定。未來的文章將進一步探討在所有當前設備中支援該領域的更多概念。
本文刊登於EDN China網站
(參考原文：Digital Electronics Course — Part 1: Binary Logic and Signals，By Giovanni Di Maria)
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