數(shù)字電路或數(shù)字電子設(shè)備是使用數(shù)字信號(hào)的電子設(shè)備。它們與模擬電路的不同之處在于，模擬電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行操作，模擬信號(hào)的操作通常更容易受到信號(hào)衰減、制造公差和噪聲的影響，設(shè)計(jì)人員通常在集成電路上使用大型邏輯門(mén)組件來(lái)制作數(shù)字電路。

在這個(gè)友好的指南中，我們讓您了解有關(guān)數(shù)字電路的一切 。請(qǐng)繼續(xù)閱讀以了解更多信息。

數(shù)字電路簡(jiǎn)史

1705 年，戈特弗里德·威廉·萊布尼茨 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 改進(jìn)了二進(jìn)制數(shù)系統(tǒng)。萊布尼茨確定通過(guò)使用二進(jìn)制系統(tǒng)，可以將算術(shù)和邏輯原理結(jié)合起來(lái)。在 19 世紀(jì)中葉，喬治·布爾構(gòu)思了我們今天所知的數(shù)字哲學(xué)。后來(lái)，在 1886 年，查爾斯·桑德斯·皮爾斯 (Charles Sanders Peirce) 解釋了科學(xué)家如何通過(guò)切換電氣開(kāi)關(guān)電路來(lái)執(zhí)行邏輯運(yùn)算。然后，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始使用真空管，而不是用于邏輯運(yùn)算的繼電器。

隨著二戰(zhàn)后數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字計(jì)算取代了模擬計(jì)算。很快，純電子電路元件取代了它們的機(jī)械和機(jī)電元件。 

1959 年，Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 發(fā)明了 MOSFET 晶體管，極大地改變了電子行業(yè)。從 20 世紀(jì)后期開(kāi)始，MOSFET 晶體管在數(shù)字電路的構(gòu)建中發(fā)揮了不可或缺的作用。目前，它是全球最受歡迎的半導(dǎo)體器件。 

最初，每個(gè)集成電路芯片只有幾個(gè)晶體管。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在單個(gè)芯片中放置數(shù)百萬(wàn)個(gè) MOSFET 晶體管成為可能。今天，設(shè)計(jì)人員可以在單個(gè)芯片中放置數(shù)十億個(gè) MOSFET 晶體管。這證明了數(shù)字電路自早期以來(lái)已經(jīng)取得了多大的進(jìn)步。

2. 數(shù)字電路的特性

正如我們前面提到的，數(shù)字電路具有高度可訪問(wèn)性的最大原因之一是很容易以數(shù)字方式表示它們而不會(huì)降低噪聲。例如，只要在傳輸過(guò)程中拾取的聲音不足以阻止識(shí)別路線，就可以按照 1 s 和 0 s 的順序重建連續(xù)的音頻信號(hào)而不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。

為了在數(shù)字系統(tǒng)中獲得更精確的表示，您可以使用更多的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示信號(hào)。當(dāng)然，這需要更多的數(shù)字電路，但由于相同類型的硬件處理每個(gè)數(shù)字，系統(tǒng)很容易擴(kuò)展。模擬系統(tǒng)則不同，它需要從根本上改進(jìn)噪聲特性和線性度以產(chǎn)生新的分辨率。 

在您使用計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字系統(tǒng)的地方，可以使用軟件修訂來(lái)添加更多功能。換句話說(shuō)，您不需要任何硬件更改。此外，您只需更新軟件即可在工廠外對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行任何改進(jìn)。

數(shù)字電路的另一個(gè)特性是它們?cè)试S更容易地存儲(chǔ)信息。這是因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)不受干擾，可以在不降低性能的情況下存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)。

許多最新的數(shù)字系統(tǒng)通常將連續(xù)模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這可能會(huì)導(dǎo)致量化錯(cuò)誤。為了將這些誤差保持在最低限度，請(qǐng)確保數(shù)字系統(tǒng)可以存儲(chǔ)足夠的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)以理想的保真度表示信號(hào)。 

3. 數(shù)字電路的構(gòu)建

工程師使用各種方法來(lái)構(gòu)建邏輯門(mén)。我們將在下面調(diào)查其中的一些。

3.1 使用邏輯門(mén)構(gòu)建

數(shù)字電路制造商通常使用稱為邏輯門(mén)的小型電子電路來(lái)創(chuàng)建數(shù)字課程。使用這些邏輯門(mén)，可以創(chuàng)建組合邏輯。每個(gè)邏輯門(mén)作用于邏輯信號(hào)以執(zhí)行布爾邏輯的功能。通常，設(shè)計(jì)人員使用電子控制開(kāi)關(guān)來(lái)創(chuàng)建邏輯門(mén)。通常，這些開(kāi)關(guān)是晶體管。熱離子閥也可以幫助完成同樣的工作。一個(gè)邏輯門(mén)的輸出可以饋入其他邏輯門(mén)或控制它們。

3.2 使用查找表構(gòu)建

第二種數(shù)字電路的特點(diǎn)是從查找表構(gòu)造。通常，查找表執(zhí)行與基于邏輯門(mén)的數(shù)字電路類似的功能。基于查找表的數(shù)字通道的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)人員可以輕松地對(duì)其重新編程，而無(wú)需對(duì)接線進(jìn)行任何更改。換句話說(shuō)，無(wú)需更改電線的排列即可輕松修復(fù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。在處理小體積產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)人員因此更喜歡可編程邏輯器件而不是其他類型的數(shù)字電路。在設(shè)計(jì)這些可編程邏輯器件時(shí)，工程師通常使用設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。

3.3 集成電路 

在構(gòu)建集成電路時(shí)，工程師在一個(gè)硅芯片上使用多個(gè)晶體管。這是創(chuàng)建大量互連邏輯門(mén)的最實(shí)惠的方式。通常，設(shè)計(jì)人員在印刷電路板 (PCB) 上互連集成電路，PCB 是一塊容納各種電子元件并用銅跡線將它們連接起來(lái)的板。 

4. 數(shù)字電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，工程師使用各種方法來(lái)減少邏輯冗余，從而將電路復(fù)雜度降至最低。但是為什么必須保持低電路復(fù)雜度呢？好吧，最小的復(fù)雜性減少了組件數(shù)量并避免了潛在的錯(cuò)誤，從而降低了成本。一些減少邏輯冗余的最常用技術(shù)包括布爾代數(shù)、二元決策圖、Quine-McCluskey 算法、卡諾圖和啟發(fā)式計(jì)算機(jī)方法。軟件工程師通常使用啟發(fā)式計(jì)算機(jī)方法來(lái)執(zhí)行這些操作。 

4.1 代表

當(dāng)涉及到數(shù)字電路的設(shè)計(jì)時(shí)，表示是必不可少的部分。 經(jīng)典工程師表示數(shù)字電路使用一組等效的邏輯門(mén)，其中設(shè)計(jì)人員使用不同的形狀來(lái)表示每個(gè)邏輯符號(hào)。工程師還可以構(gòu)建一個(gè)等效的電子開(kāi)關(guān)系統(tǒng)來(lái)表示數(shù)字電路。表示通常具有用于自動(dòng)分析的數(shù)字文件格式。

4.1.1 組合與順序

在選擇圖像時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)考慮各種類型的數(shù)字系統(tǒng)。兩組常見(jiàn)的數(shù)字系統(tǒng)是組合系統(tǒng)和順序系統(tǒng)。組合系統(tǒng)對(duì)于相同的輸入呈現(xiàn)相同的輸出。另一方面，順序系統(tǒng)是將某些輸出作為輸入進(jìn)行反饋的組合系統(tǒng)。

時(shí)序系統(tǒng)還有另外兩個(gè)子類別：同時(shí)改變狀態(tài)的同步時(shí)序系統(tǒng)和每次輸入改變時(shí)都改變的異步時(shí)序系統(tǒng)。

4.1.2 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)是最普通的通用寄存器傳輸邏輯設(shè)備。本機(jī)為自動(dòng)二元算盤(pán)。微定序器運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的控制單元，它本身就是一個(gè)微程序。盡管市場(chǎng)上也有異步計(jì)算機(jī)，但絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都是同步的。 

4.2 數(shù)字電路中的設(shè)計(jì)問(wèn)題

當(dāng)工程師在數(shù)字電子電路中使用模擬組件時(shí)，這些組件的模擬特性會(huì)干擾所需的數(shù)字行為。因此，數(shù)字通道的設(shè)計(jì)需要管理諸如時(shí)序余量、噪聲、電容和寄生電感等主題。  

4.3 數(shù)字電路設(shè)計(jì)工具

多年來(lái)，工程師們?cè)O(shè)計(jì)了相當(dāng)大的邏輯機(jī)器，旨在最大限度地減少昂貴的工程工作。目前，存在用于此目的的稱為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具 (EDA) 的計(jì)算機(jī)程序。例如，有一個(gè)可制造性軟件可為數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員提供出色的幫助。 

4.4 測(cè)試邏輯電路

工程師測(cè)試邏輯電路的主要原因是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合時(shí)序和功能規(guī)范。檢查數(shù)字通道的每個(gè)副本以確定制造過(guò)程沒(méi)有引入缺陷至關(guān)重要。

5. 數(shù)字電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

數(shù)字電路設(shè)計(jì)的進(jìn)展緩慢但穩(wěn)定。我們通過(guò)查看下面的各種邏輯系列來(lái)追溯這段旅程。

5.1 繼電器

數(shù)字頻道的第一個(gè)設(shè)計(jì)以繼電器邏輯為特色。這種設(shè)計(jì)既可靠又便宜。然而，它很慢，偶爾會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障。通常有十個(gè)扇出在觸點(diǎn)上形成弧形。 

5.2 真空

真空邏輯緊隨繼電器邏輯。真空吸塵器的主要好處是它們很快。但是，真空會(huì)產(chǎn)生大量熱量，燈絲會(huì)經(jīng)常燒壞。1950 年代計(jì)算機(jī)管的發(fā)展是對(duì)空隙的重大改進(jìn)，因?yàn)檫@些計(jì)算機(jī)管可以運(yùn)行數(shù)十萬(wàn)小時(shí)。

5.3 電阻-晶體管邏輯

這是第一個(gè)半導(dǎo)體邏輯系列。電阻晶體管邏輯比電子管可靠數(shù)千倍。它使用更少的功率并且運(yùn)行溫度更低。然而，它的扇出非常低：總共 3 個(gè)。后來(lái)二極管晶體管邏輯將扇出提高到 7 并進(jìn)一步降低了功率。 

5.4 晶體管-晶體管邏輯

與以前的邏輯相比，晶體管-晶體管邏輯的扇出為 10，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)。后來(lái)，扇出改進(jìn)為 20。這種邏輯也非常快。該邏輯今天仍在特定數(shù)字電路設(shè)計(jì)中使用。

5.5 發(fā)射極耦合邏輯 

發(fā)射極耦合模型非常快。然而，這個(gè)邏輯使用了很多權(quán)力。具有中等規(guī)模組件的高性能計(jì)算機(jī)廣泛使用此邏輯。

5.6 CMOS 邏輯

CMOS 邏輯是目前集成電路中最流行的邏輯。邏輯速度快，每個(gè)邏輯門(mén)提供高電路密度和低功耗。即使是大型快速計(jì)算機(jī)也使用這種邏輯。

數(shù)字電路領(lǐng)域的最新發(fā)展

數(shù)字電路領(lǐng)域的研究人員最近取得了重大進(jìn)展。下面是一些例子： 

6.1 憶阻器的使用

例如，2009 年，研究人員發(fā)現(xiàn)憶阻器可以幫助實(shí)現(xiàn)布爾狀態(tài)存儲(chǔ)。這提供了一個(gè)完整的邏輯系列，其特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單的 CMOS 工藝而具有少量的功率和空間。 

6.2 RSFQ 的發(fā)現(xiàn)

研究人員還發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性。這一發(fā)現(xiàn)使工程師能夠開(kāi)發(fā)利用約瑟夫森結(jié)而不是晶體管的快速單通量量子 (RSFQ) 電路技術(shù)。工程師最近一直在嘗試構(gòu)建可以使用非線性視覺(jué)元素處理數(shù)字信息的純光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)。

概括

數(shù)字電路是當(dāng)今數(shù)字電子和計(jì)算機(jī)處理的核心。由于它們對(duì)噪聲和質(zhì)量下降的低敏感性，這些電路比模擬電路更可取。隨著工程師和研究人員致力于數(shù)字通道領(lǐng)域的進(jìn)步，這些設(shè)備的設(shè)計(jì)和性能只會(huì)變得更好。 

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