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

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

數(shù)字電路簡史

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

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

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 世紀后期開始，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，每個集成電路芯片只有幾個晶體管。隨著技術(shù)的進步，在單個芯片中放置數(shù)百萬個 MOSFET 晶體管成為可能。今天，設(shè)計人員可以在單個芯片中放置數(shù)十億個 MOSFET 晶體管。這證明了數(shù)字電路自早期以來已經(jīng)取得了多大的進步。

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降低噪聲。例如，只要在傳輸過程中拾取的聲音不足以阻止識別路線，就可以按照 1 s 和 0 s 的順序重建連續(xù)的音頻信號而不會出現(xiàn)任何錯誤。

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制數(shù)字來表示信號。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數(shù)字，系統(tǒng)很容易擴展。模擬系統(tǒng)則不同，它需要從根本上改進噪聲特性和線性度以產(chǎn)生新的分辨率。 

在您使用計算機控制的數(shù)字系統(tǒng)的地方，可以使用軟件修訂來添加更多功能。換句話說，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數(shù)字系統(tǒng)進行任何改進。

數(shù)字電路的另一個特性是它們允許更容易地存儲信息。這是因為數(shù)字系統(tǒng)不受干擾，可以在不降低性能的情況下存儲和檢索數(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。這可能會導(dǎo)致量化錯誤。為了將這些誤差保持在最低限度，請確保數(shù)字系統(tǒng)可以存儲足夠的數(shù)字數(shù)據(jù)來以理想的保真度表示信號。 

3. 數(shù)字電路的構(gòu)建

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

3.1 使用邏輯門構(gòu)建

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

3.2 使用查找表構(gòu)建

第二種數(shù)字電路的特點是從查找表構(gòu)造。通常，查找表執(zhí)行與基于邏輯門的數(shù)字電路類似的功能。基于查找表的數(shù)字通道的一個顯著優(yōu)勢是設(shè)計人員可以輕松地對其重新編程，而無需對接線進行任何更改。換句話說，無需更改電線的排列即可輕松修復(fù)設(shè)計錯誤。在處理小體積產(chǎn)品時，設(shè)計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)計這些可編程邏輯器件時，工程師通常使用設(shè)計自動化軟件。

3.3 集成電路 

在構(gòu)建集成電路時，工程師在一個硅芯片上使用多個晶體管。這是創(chuàng)建大量互連邏輯門的最實惠的方式。通常，設(shè)計人員在印刷電路板 (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的板。 

4. 數(shù)字電路設(shè)計

在設(shè)計數(shù)字電路時，工程師使用各種方法來減少邏輯冗余，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)式計算機方法。軟件工程師通常使用啟發(fā)式計算機方法來執(zhí)行這些操作。 

4.1 代表

當(dāng)涉及到數(shù)字電路的設(shè)計時，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，其中設(shè)計人員使用不同的形狀來表示每個邏輯符號。工程師還可以構(gòu)建一個等效的電子開關(guān)系統(tǒng)來表示數(shù)字電路。表示通常具有用于自動分析的數(shù)字文件格式。

4.1.1 組合與順序

在選擇圖像時，設(shè)計人員通常會考慮各種類型的數(shù)字系統(tǒng)。兩組常見的數(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行反饋的組合系統(tǒng)。

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

4.1.2 計算機設(shè)計

計算機是最普通的通用寄存器傳輸邏輯設(shè)備。本機為自動二元算盤。微定序器運行網(wǎng)絡(luò)的控制單元，它本身就是一個微程序。盡管市場上也有異步計算機，但絕大多數(shù)計算機都是同步的。 

4.2 數(shù)字電路中的設(shè)計問題

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

4.3 數(shù)字電路設(shè)計工具

多年來，工程師們設(shè)計了相當(dāng)大的邏輯機器，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)計自動化工具 (EDA) 的計算機程序。例如，有一個可制造性軟件可為數(shù)字電路設(shè)計人員提供出色的幫助。 

4.4 測試邏輯電路

工程師測試邏輯電路的主要原因是為了驗證設(shè)計是否符合時序和功能規(guī)范。檢查數(shù)字通道的每個副本以確定制造過程沒有引入缺陷至關(guān)重要。

5. 數(shù)字電路設(shè)計注意事項

數(shù)字電路設(shè)計的進展緩慢但穩(wěn)定。我們通過查看下面的各種邏輯系列來追溯這段旅程。

5.1 繼電器

數(shù)字頻道的第一個設(shè)計以繼電器邏輯為特色。這種設(shè)計既可靠又便宜。然而，它很慢，偶爾會出現(xiàn)機械故障。通常有十個扇出在觸點上形成弧形。 

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，真空會產(chǎn)生大量熱量，燈絲會經(jīng)常燒壞。1950 年代計算機管的發(fā)展是對空隙的重大改進，因為這些計算機管可以運行數(shù)十萬小時。

5.3 電阻-晶體管邏輯

這是第一個半導(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行溫度更低。然而，它的扇出非常低：總共 3 個。后來二極管晶體管邏輯將扇出提高到 7 并進一步降低了功率。 

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，這是一個顯著的改進。后來，扇出改進為 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，這個邏輯使用了很多權(quán)力。具有中等規(guī)模組件的高性能計算機廣泛使用此邏輯。

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，每個邏輯門提供高電路密度和低功耗。即使是大型快速計算機也使用這種邏輯。

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)憶阻器可以幫助實現(xiàn)布爾狀態(tài)存儲。這提供了一個完整的邏輯系列，其特點是使用簡單的 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元素處理數(shù)字信息的純光學(xué)計算系統(tǒng)。

概括

數(shù)字電路是當(dāng)今數(shù)字電子和計算機處理的核心。由于它們對噪聲和質(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)域的進步，這些設(shè)備的設(shè)計和性能只會變得更好。 

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