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当前位置：走进数字化-数字电路的预备知识
当今文明社会的运作，是由大量的信息传送、交换、处理、存储支撑着的，因而，迫切要求信息质量的提高。
在这些信息传送及处理中，可以分为
1 如电话、广播及声音那样处理连续的电流信号的线性电路。
2 像电子计算机那样处理断续的电流信号的数字电路（包含脉冲电路。）
然而，现在即使在如同声音信号那样用线性电路来处理的领域中，只要有可能，都在进行向数字化方向转化的技术开发。
那么，现在为什么要推进数字化技术的发展呢？
1.1 数字信号
1.1.1 数字信号
古今中外的文章、诗歌中都有描述人的一双万能的手的字句，从文学的世界到最新的数字式电子计算机，优美、柔软的手指，引起了多少人的注意。
Digit是指“手指（finger）、阿拉伯数字（0，1，2，… ，9）”，在很久很久以前，人们扳着手指来计数。由此digital computer中的digital有“计数型的…”意义。
这一章中，希望读者能够理解计数型的电子计算机、计数型的电子测量仪器等数字电子机器为什么会被广泛使用的原因。
1.1.2 电子电路中的信号
在电动机、电热器中，只有用来输送能量的电流流动。而如图1.4所示，在音频放大器中，除了从电源处流入电流以外，还混有来自话筒处的声音电流。这个声音电流是由信息（讲话的内容或音乐等）经话筒转换而得到的，即为信号。
这样，在电子电路中，其特征为电源电流（提供能源）与信号电流（传送信息）混合流动。这与人体的心脏和血管网传送能量、脑与神经系统传送出信息（信号）以使人体能进行各种活动相似。
学习在“信息”变换成电信号时，用将“信息”转换为“数字信号”处理的电子电路，这就是本书的目的。
1.1.3 数字信号与模拟信号
“黑就是黑、白就是白……！”这是有吵架的味道，但也让人感到干脆、利落。而在电流情况下，电流流动着（ON），没有流动（OFF），或者电灯亮了，灭了却并不是很干脆利落的。
经常有电灯光变成粉红色、浅黄色，或者说电灯很暗之类不明朗的现象，这时测定与判断变得复杂，也容易出现判断误差。如果出现如图1.5所示的情况，那么，大家还愿意支付电费吗？
在传送信息时也一样，例如，我们向远方的人传送“75”这个数（信息）时，可以如图1.6(a)所示，传送“75次断续电流（脉冲）”，或者如图1.6(b)所示，用“电压大小”来传送。像图1.6(b)那样用电压大小来传送时，在接收端的电压下降情况下，到底“是74，75，还是76呢？”判断将出现困难，而在图1.6(a)中，即使由于距离远而引起电压下降，若电流的“有、无”可以判断的话，则信息就可以确切传送出去。
如图1.6(a)所示，信号以断续电流（或者电压）的形式表现的为数字信号。如图1.6(b)所示，信号以连续电流（或电压）的方式表现的为模拟信号。一般情况下，处理与数量有关的信息时，作为数字信号来处理，信号为“有、无”即“白、黑”可以明确分清，因而比较有利。
处理数字信号的电子电路即数字电路，处理模拟信号（例如用音频放大器处理的声音电流等）的电子电路即线性电路。
1.1.4 脉冲与数字信号
医生将人的心脏跳动称为脉搏。在电子电路中，如脉搏那样断续的电流与电压称之为脉冲（图1.7）。
用一个脉冲，只能表现“白、黑”那样的单纯的信息。通过脉冲的组合，例如像图1.6那样，可以作为信号传送稍微多一些的信息。但是，用这个方法不可能传送“大的数”和“复杂内容的信息”。实际上，用图1.8中所说明的一些“规则”组合脉冲，即产生数字信号。
1.1.5 产生数字信号的“规则”举例
通过脉冲组合，产生有效数字信号传送的方法，可用图1.8来说明。图1.8中用5条线路，传送0～10的数值。这里，在A～D线路中所流动脉冲的大小均相同（例如10V），当各线路本身服从表1.1所示的“规则”时，图1.8的情况，整个传送的信息为“75”。
[问] 在图1.8中，希望传送“6”的数值时，脉冲的组合应该如何呢？
[答] B与D：ON，或A，B，C：ON
将图1.8中的A，B，C，D各线路的脉冲传送时间以一定间隔错开，如图1.9所示的，只用+与-一组线路，利用其流动的电流，也可以传送相同的数字信号。图1.8是将脉冲并联组合的方法，图1.9是将脉冲串联组合产生数字信号的方法。无论哪种方法，将这与图1.6中电铃的方法相比较，可以知道有用“较少脉冲，传送较多的信息”的可能性。但是，在表1.1的规定中，在传送“3，4，5，6，7”的数时，各有两种方法。这是传送效率不够高的一个表现。因而，实际上，在A，B，C，D各线路中，用“2进制”（参见4.2.3节）比较多。
1.1.6 微机的位数
图1.8是用4条+线路传送与处理数字信号的例子，一台4位的微机与此相当。因此，8位的微机相当于有8条+线路。+线路多，可以传送与处理更复杂内容的信息。
1.2
数字信号在“杂草丛中”不会埋没1.2.1 噪声与杂草相同
典型的模拟信号是音频电压（或电流），图1.11示出其波形。声音大的部分其波形的振幅大，声音小的部分其波形的振幅小。
这里，将放大器前的话筒拿走，将音量旋钮（电位器）开到最大，再有高灵敏度的示波器观测其输出波形，则出现了如图1.12所示的波形。这个波形是在放大器没有输入情况下出现的，即是从放大器内部的电子电路产生的“噪声电压”。
这个噪声电压主要是由于在电子电路内的电阻中，电子的不规则热运动而产生的，称为“热噪声”。通过放大器进行放大，最终输出。这种噪声，只要不将放大器放到-273○C(绝对零度)的条件下，一定会产生。而且，在宇宙空间中，也充满了天体等产生的噪声电波。
这种“噪声（noise：噪声电压或噪声电波）”即使不想要，它也自然而然地会产生出来，可以将信号和噪声的关系比喻为农作物和杂草的关系。
1.2.2 信号与噪声
将图1.12中出现的噪声电压变为声音来听时，与接收FM（调频）广播没有选准电台时听到的“沙……”的声音是一样的，这是因为FM接收机接收到了噪声信号。而且，这样的噪声在磁带自身也存在。在放唱片时，唱针与声道之间也产生噪声。因此，如图1.14所示，模拟信号中的微弱信号容易埋没在“噪声”中。
为证明以上所说的情况，可以用图1.15所示的磁带复制的例子。磁带每复制一次，因为信号通过电子电路，噪声必然增加。如果将复制过20～30次的磁带与原音带比较，用耳朵来听，一定会对二种磁带的差别大吃一惊。
1.2.3 数字信号与噪声的消除
模拟信号的微弱部分容易受到噪声的影响，将噪声从信号中分离出来，完全剔除是不可能的。这与小花草与杂草生长在一起时，无法单单剔除杂草是一个道理。
然而，数字信号的脉冲大小是完全一样的（没有微弱部分），因此噪声即使混入，也可以将噪声与信号分离开来。这与苹果园中生有杂草相似，只剔除杂草的工作这时是简单易行的。
特别是在电子计算机的情况下，都是数字信号的复制（写入与读出）。每复制一次，即剔除出噪声，因此没有像模拟信号那样，出现噪声增大，埋没信号的情况。这是数字信号的一个突出优点。
1.2.4 数字音频
声音信号的录音，从发明到现在都是用相同的方法。如图1.17所示，是将声音变化的波形，原封不动地在唱片上刻上槽沟。这样，当唱片上的槽沟有破损时即产生噪声。这种噪声即使再小，在电子电路中也是不可能剔除的。
数字音频又称为PCM(Pulse Code Modulation)，如图1.17(c)所示，是将声音信号（模拟）变换成数字信号（脉冲码）后再记录到磁盘上的方法。在磁盘上记录的信号，是如图1.17(d)所示的莫尔斯符号的形式。这时，混入磁盘中的噪声信号，可以用前面所说的在电子电路中“削掉脉冲的脚”的方法除去。因此，PCM录音噪声少，可以欣赏到美妙的音乐。
1.3
用开关产生数字信号1.3.1 开关的动作与脉冲
通过开关的ON、OFF动作可以产生脉冲，开关ON期间为脉冲宽度，如图1.18所示，将脉冲进行组合可以产生数字信号。因而在处理数字信号的电气电路中，有必要用很多的开关。实际上，过去也曾有过用非常多的电源开关（继电器）制成电气计算机的时代。
现在，在处理数字信号的数字电路中，使用作为“电子开关”的半导体器件。这里对作为电子开关的代表性器件：二极管、晶体管、FET（场效应晶体管）的开关动作进行说明。
1.3.2 二极管的开关动作
二极管的构造如图1.21(a)所示，即P型半导体与N型半导体的面接合。电气方面的性质如图1.21(a)中所示，电流易于从电极A向K流动，这个方向称为正方向。相反的，电流很难从K流向A，这个方向称为反方向。也即是二极管可以比作为水流动时的阀门，因此可以称为“电流阀门”。图1.21(b)所示为二极管的图示符号及电路名称。
另外，图1.19是将二极管连接成桥式的全波整流电路，其工作情况如图1.22所示。随着电源极性的变化，通过其阀门的作用，在加正向电压时二极管导通（ON），加反向电压时二极管截止（OFF），来实现整流。通过加到二极管上的电压极性的变化，二极管导通或截止，这就是所说的开关动作。
1.3.3 晶体管的开关动作
在图1.20左侧的电路中，当将手动开关SW处于ON时，晶体管的基极电流IB流入，其结果为集电极电流流动，灯泡接通点亮。这是因为晶体管起了如图右侧的继电器的作用。
为了使晶体管的集电极与发射极之间如同继电器接点那样动作，必须使集电极电流达到饱和。这时，相当于继电器激励电流的是晶体管的基极电流IB，它必须大于集电极电流IC的1/hFE倍。例如在图1.20的左图和图1.23中，为使IC有0.2A流动，IB要大于（或等于）0.2/100，即需要有2mA以上的基极电流。
1.3.4 FET的开关动作
在图1.24中，使用FET时，它的电极D-S（漏极与源极）间起开关接点的作用，而G-S（栅极与源极）间起相当于继电器激励线圈的作用。这里相当于继电器的激励作用的，在晶体管时是基极电流，而对于FET，却是栅极电压，这是其不同点。
1.4
开关的条件与动作1.4.1 接点的振动和ON、OFF的动作时间
一般，有接点的机械开关，在ON、OFF动作时，要有一个“较长的时间”。
例如，图1.25(b)是控制用继电器的实测值。表示了激励电压的ON、OFF和接点的ON、OFF的时间差。另外，图1.25(c)中，当激励电压的脉冲宽度过窄时（ON时间短）则接点不动作。这样，当然不可能制造出高速的机器。
而且，在机械开关的接点处，ON动作的一瞬间，由于接点与接点间的反作用力，引起振动，其结果是接点中流动的电流也振动起来（如图1.26所示）。这个现象称为振颤。在数字电路中，振颤引起的振动为有害的脉冲，成为电路误动作的原因。
1.4.2 电子开关的动作时间和特性
二极管、晶体管、FET等半导体器件，现在市场上可买到的高频器件，一般可用于100MHZ的高频信号的检波或放大（如图1.27）。
这些器件作为电子开关使用时，可以认为其动作时间大约在0.01μs(≈1/100MHZ)。而且，半导体电子开关，由于没有可动部分和接点，不产生振颤现象和接点污染而引起的劣化。但是，如图1.28所示，电子开关动作时，这些元件上有0.3～?.5的电压降。
由上述内容可知，使用电子开关，就可以制造高速的数字电路了。
1.5
电子开关的动作与载流子1
.5.1 水面上漂浮的草半导体二极管的结构如图1.29(b)所示，是以N型半导体与P型半导体接合而构成的。N型半导体内有携带负电荷的自由电子，P型半导体中有携带有正电荷的空穴。
在这种二极管上，施加如图1.29(c)所示的反向电压后，自由电子与空穴由于静电力，吸引到电极处。正如水面上漂动的浮草被风吹动聚集在岸边一样。其结果，在P型与N型的接合面附近没有自由电子也没有空穴，形成了电流不流动的部分，称之为耗尽层。有了这个耗尽层，在图1.29(c)的情况下，二极管处于OFF状态。
如果如图1.29(d)所示，加上正向电压时，自由电子及空穴均通过接合面而移动。其结果，不足的电子与空穴由电池供给，这样，电流就流动了。因此，二极管处于ON状态。从自由电子与空穴能“运载”电流这个意义上，即称之为载流子。
另外，如图1.30中所示，在FET情况下，VGS是零时，沟道内电子可以自由通过，所以FET为ON。但是在源极与栅极间加上反向电压时，沟道内产生了耗尽层，电子不能通过，FET为OFF。这个过渡层相当于下水道中被污泥堵塞的情况。
1.5.2 烟熏眼睛
已经在图1.23中说明过，晶体管基极电流IB的流动，造成集电极与发射极间有电流IC流动。IB为零时，集电极与基极的接合面形成耗尽层不让IC通过。这即是OFF状态。
但是，基极与发射极间加上正向电压后，自由电子在发射极与基极的接合面，越过边界向基极开始流动。越过边界的电子，因为有扩散现象而扩大，电子的一部分从基极流出，成为IB。但是，晶体管的基极非常薄，因此，大多数的电子，直接到达基极与集电极的接合面，越过过渡层进入了集电极，进入集电极的电子流即为IC，晶体管为ON状态。这里扩散所具有的意义如同烟雾在空间扩散一样。
1.6
数字信号与RC电路1.6.1 耐久力有多少（积分电路）
数字信号是脉冲序列，因此讨论一下脉冲与RC电路的关系。
图1.32所示的RC电路与用虹吸管使水流动相似，通过R和C大小的不同，电容上的电压上升需的时间发生变化。电路中R×C称为时间常数。经过R×C[秒]后，VO变为约是Vi的63％。而经过4RC[秒]后，VO接近Vi（如图1.33）。如图1.35(a)所示，用开关产生脉冲，观察RC电路的输出电压VO，可看到如图1.35(b)那样变化。SW处于A处时，由于充电VO上升，在B处时，由于放电VO下降，这两种情况下，都是经过RC[秒]后，有63％的变化。
电路中均提到了VO变化到结束时的时间长短这个问题。这相当于体育运动中的耐久力的测定一样，电压VO表示电荷积蓄的数量，所以称这个电路为积分电路。
1.6.2 有否暴发力（微分电路）
将积分电路中R与C的位置对换，外加如图1.34所示的台形脉冲时，输出电压VO正比于脉冲的上升沿和下降沿的斜率。这样，VO显示了输入波形微细部分的变化，所以称这个电路为微分电路。台形脉冲的斜率相当于短距离垒员突然起动飞奔时的快速性，或者车子发动时的加速度，也相当于体育选手的暴发力。
微分电路是用于从宽幅的脉冲产生狭幅的“尖形脉冲”，其原理与用途在2.2.6节中说明。
本章小结
为什么要选择数字方法。
·“digital”的一词源于“扳手指计数……”、“计数形的……”的意义。
·信号是将信息变为状态，例如，语言这一个信息，通过麦克风变化为声音电压或电流再输出，此为信号。
·数字信号为“白与黑”、“高与低”或者“1与0”，易于判别。
·数字信号易于放大与剔除传送过程中混入的噪声。
·数字信号是脉冲序列，脉冲通过开关产生。
·产生脉冲的开关，较多使用半导体等的电子开关。
·二极管加正向电压，开关ON，加反向电压，开关OFF。
·晶体管通过IB操作，C-E间有开关动作。
·场效应管通过栅极电压使D-S间有开关动作。
·机械开关其动作迟钝，发生称为振颤的接点振动。
·晶体管与二极管等的电子开关，其速度快，不发生振颤之类的有害振动。
·半导体电子开关，通过载流子移动实现ON、OFF动作。
·积分电路充电完成时间与电路时间常数（R×C）有关。
·微分电路，是将输入波形的缓急变化作为输出，输入上升时输出为正，输入下降时输出为负。
由于上述的理由，由数字信号进行信息处理与传送、存储，其信息的再现性能非常高，所以推进了数字化的发展。
