数字电子技术中的数字信号和数字电路概述

张霁晨

摘 要 伴随着我国科学技术水平的不断提升，数学电子技术也得到了极大的完善，在现代化电子系统中获得了越来越多的应用。对于数字电子技术来说，数字信号处理是其根本，数字电路是其硬件基础，二者共同促进了电子技术学科的快速发展。本文首先对数字信号和数字电路进行了概述，之后介绍了数字电路的特点、类型与设计，最后对数字信号的分析方法、优缺点及发展趋势进行了逐一分析，力求进一步探析该项技术今后的发展方向。

关键词 数字电子技术;数字信号;数字电路

数字电子技术，顾名思义即通过处理数字逻辑、计算与测定开关量信息的综合性技术。按照结构划分，数字电路可分为分立电路和集成电路;按照半导体器件划分，可分为单极性电路和双极性电路;根据记忆功能的不同进行划分，可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路。由于数字电路同时具有较强的稳定性、可靠性及保密性，故适合批量生产。但数字电路的设计却容易受到数字信号的影响，致使其系统性能有所下降。在这种情况下，有必要针对数字信号和数字电路的特点、分类、优缺点等方面进行分析，为数字信号系统运行过程中的稳定性提供保障[1]。

1数字信号和数字电路概述

数字电子技术的发展离不开模拟电子技术，其中，模拟电子电路中的三极管，其饱和以及截止状态下对应的不同特性是数字电路逻辑的最基本的构成。数字信号的变化具有不连续的特点，就好比库房中的零配件数量或者操场上的人数随時都处于变化之中，而且这种数量上的变动都是1的整倍数，不存在小于1这种可能性。这种代表数字量的信号被人们称之为数字信号，有时也被称之为脉冲信号或者离散信号。方波信号是最为典型的数字信号，常规意义上的数字信号主要包括电位型和脉冲型两种，数字信号经常在两个稳定的状态之间呈现出一种跳跃式变化，如果用“1”和“0”表示电位信号，而对于脉冲型数字信号来说，则通过1和0来表示是否存在脉冲。数字电路主要负责研究脉冲信号的产生、变换、控制以及对数字进行逻辑运算。因此，数字电路又称之为逻辑电路。数字逻辑电路的基本单元是逻辑门处理单元，存储器一般是借助数字电路以二进制方法对数据进行存储。数字电路主要包含数字电路和脉冲电路两种类型。其中，脉冲电路用于研究脉冲信号的产生与变换。从某个角度上看，数字信号同属于电信号，其电压存在高电压和低电压的变化，而且具体的电压数值还要依据电路的实际情况而定。分立的数字电路通过利用现代化集成技术实现了以功能模块化的组装，极大地降低了在分析电路逻辑时的难度。一般情况下，高电压与供电电压相一致，低电压为0。如果一个电路信号同时符合以上特征，那么则说明该电路为数字电路[2]。

2数字电路的分类、特点以及设计难点

2.1 数字电路的分类

数据电路主要按照以下三种方式进行分类：第一种，按结构分类。从数字电路的结构上看，可将其分为分立元电路和集成电路两种类型。如果使用导线将电阻、二极管和场效应管连接到一起，那么该电路则是分立元电路。首先，将每个元器件连接在同一块基片上，之后再对其进行封装，此后便可提供给用户。用户在使用时，如果通过外部管脚来利用芯片内部电路，该电路就称之为集成电路。集成电路具有以下不同的规格：①包含约100个元器件的集成电路属于小规模的集成电路，例如集成触发器或者逻辑门电路都属于此类集成电路;②包含100-1000个元器件的集成电路，属于中规模集成电路，例如计算机、寄存器和编码器等;每块电路包含1000-10000个元器件的则属于大规模集成电路，例如中央控制器、存储器和串联接口电路;每块电路包含10000个以上元器件，则属于超大规模集成电路，例如微处理器就属于此类集成电路;第二种，按半导体器件构成分类。根据半导体器件构成可将数字电路可分为单极电路和双极电路。单极性管是单极性集成电路的基本器件，例如PMOS电路、CMOS电路;内部含有二极管和三极管的器件属于双极半导体器件。双极性管是双极集成电路的基本器件，例如TTL电路和ECL电路都是此类电路的代表者;第三种，根据记忆功能电路课分类。在此种分类中，可将数字电路分成时序逻辑电路和组合逻辑电路两种类型。其中，时序逻辑电路的输出，除了由当前的电路输入所决定以外，还与电路之前的状态存在一定的关联，例如计算器、触发器这些带有过去输入记忆的电路都属于时序逻辑电路。组合逻辑电路与电路过去的状态之间不存在任何关联，例如编码器、译码器和数据选择器这一类器件都属于组合逻辑电路[3]。

2.2 数字电路的特点

数字电路具有以下特点：①数字电路除了可以进行加减乘除的运算以外，还可以进行逻辑运算。这是控制系统必不可少的重要条件。所以，数字电路也被称之为数字逻辑电路;②数字电路的代码只有1和0两种，电路基本单也较为简单，这一特点给批量生产电路带来较大的便捷，进而降低了批量生产的成本;③数字电路只包含高低两种电平信号，这就决定了半导体数字电路只包含导通和截止这两种状态，而且具有消耗量低，抗干扰性强的特点，系统因此而获得较强的稳定性和可靠性;④数字电路可对数字信号进行加密，这样一来，避免了信号传输过程中的盗取密码现象;⑤数字电路系统具有较强通用性，这就决定了数字电路可以广泛应用至多个领域及行业[4]。

2.3 数字电路的设计

通常情况下，数字电路并非完全由数字元件所构成，同时还需要一些模拟电路对其进行补充。这就需要设计人员在设计之初考虑更多的因素，尤其对于飞行控制器、精密医疗器械这些对于系统稳定性以及抗电磁干扰能力要求较高的控制电路来说，存在更大的设计难度。这也是当前乃至今后数字电路模拟部分需要尽快解决的问题之一。除此之外，在设计之初，设计人员还需要结合经济性原则对电路应用环境以及在此基础上衍生出的一系列影响因素进行综合考虑，在尽可能降低成本的前提下，提高系统的功能性与稳定性。但这一目标的实现，需要设计人员具备相当丰富的专业知识及设计经验。例如在单板PCB排布中，每个电子元件之间的排列布局将与区域内的散热、大功率器件的电磁干扰、元件本身的温度漂移、系统的耐压和绝缘等级等一系列问题产生关联性。数字电路中的信号在产生以及传输时，只要是介于所规定的高低电平所在区域即可，相比于模拟信号，其抗干扰能力强。在模拟电路中极易产生干扰作用的电源电压波动、环境温度、制程精度等因素对数字电路正常运行影响极小。因此设计数字电路时难度相对较低。此时，需要设计人员同时精通数字电子技术和模拟电子技术两方面技术，方可使这些问题同时得到妥善解决[5]。

3数字信号的分析方法、优缺点及发展趋势

3.1 数字信号的分析方法

通常情况下，数字信号是通过对模拟信号进行抽样、量化和編码后而得到的。在数字信号的分析中，主要负责完成数字信号进行变换、滤波、检测、频谱分析、调制解调和编解码等工作。在研究数字电路时，需要对电路输出与输入之间的逻辑关系进行重点分析，因此不能采用模拟电路分析法，而是用逻辑代数作为主要的分析工具。电路功能通过真值表、逻辑表达式或波形图表示。H（z）是其中的核心环节，数字信号任务是在理论上建立一套用于描述x（n）、y（n）以及H（z）特性的方法现算法，并且能够在工程上实现这一系统。

ADC负责对采样后的信号进行幅度二进制量化，将原本连续的模拟信号转换成离散的数字信号;H（z）负责对数字信号的处理;DAC将处理后的数字信号y（n）再次转换成模拟信号y（t）;Hr（s）则以平滑DAC的输出，使DAC引起的高频噪声得以降下或者消除[6]。

3.2 数字信号的优点及缺点

数字信号主要通过数字系统完成信号处理的任务，与传统的模拟信号处理方法相比，主要体现出以下几方面优势：①精度高：在传统的模拟信号系统中，组成电路元件的精度在很大程度上决定着电路的精度，但在现有的技术条件下，元件精度的提高显然存在一定的难度，或者说元件精度的提高，会导致制造成本的大幅增加。例如元件精度提高1倍，其制造成本会增加10倍。所以说，元件精度的提升，存在很大的难度。而数字信号系统的电路精度更多地取决于系统中软件的算法。以数字式频谱分析仪为例，其幅值精度和频率分辨率与模拟式频谱分析仪相比高出近百倍，但二者的制造成本却相差不多;②灵活性强：模拟电路的实现需要借助于元件自身的模拟特性，而数字信号系统的整体功能仅需经过以算法作为基础程序即可轻松实现。想要改变系统功能，不涉及硬件电路的更改，只需要对软件系统做出相应的更改即可。这一特点不但较模拟系统体现出更强的灵活性，还可以循环无限次利用[7];③可靠性高：模拟电路系统中的元件可能会受到电压、电流、温度、湿度等各种因素的影响，致使模拟信号出现误差，一旦同时存在多种误差，就会产生放大效应，造成信号的失真;而数字信号则可以有效避免外界因素对其所造成的干扰，在信息传输、存储、处理的过程中始终保持较高的准确率与可靠性;④有利于大规模集成：DSP系统主要由大中规模集成电路等器件构成，数据信号系统的这一特性，决定了它在生产和集成等方面具有较大的成本优势;⑤可对多维信号进行高效处理：数字信号可使存储技术获得大幅提升，进而促进数据处理能力得到大幅提升，尤其针对视频传输以及阵列信号分析等方面，数字信号将体现出更为强大的技术优势;⑥重复使用性强：通过采样点之间的采样间隔可以对多路数字信号同时进行处理，例如时分复用系统。与传统的模拟信号相比，数字信号虽然具备诸多优势，但在具体应用的过程中，也暴露出一些缺陷问题，例如模拟接口的设计在一定程度上增加了系统的复杂性，数字信号的频率范围也会受到A/D转换采样频率的限制。这些缺点问题有待于在今后的研究中有所突破，使数字信号的应用水平获得更大程度的提升[8]。

3.3 数字信号处理技术发展趋势

自从20世纪60-70年代以来，就借助FFT算法理论以及数字滤波器设计方法对数字信号进行分析，截至目前，已经由过去简单的几十位法并行运算向纳秒级数百万次的浮点数据的复杂运算方向发展，信号采样频率也已经由几十赫兹的低频走向数百兆赫的高频发展。信号维度从单一的维度向着多维度发展。在数字电路产生以及发展的早期，其基本功能是代替人类进行简单的数据加减乘除运算。但随着人们对单片机以及微型计算器的进一步完善，更多的逻辑功能被加入到数字电路当中。但所有的逻辑运算，从根本上分析，依然是二进制的数学逻辑运算。通过二进制数据的与或、非、判断、比较、处理等工作，进一步发展出更为复杂的推理、预测、存储、传输等。在进行系统级设计时，清晰的逻辑能够给软件的编制工作带来极大的便利。相信在不久的将来，数字信号处理技术软件方面借助硬件系统的快速发展，将会进入超高速处理时代。届时，以高阶运算为代表的新型数学工具将会得到广泛应用;小波变换的Mallet算法也将进入实用阶段;多DSP协同，专用DSP也将实现进一步发展[9]。

4结束语

现阶段，伴随着数字电子技术的持续发展，数字电路已经在各行各业都取得了较好的应用效果。但是，在数字电路的设计过程中，还依然存在信号反射的完整性问题，这一问题往往会对整个系统的稳定性与可靠性造成诸多不利影响。因此，在今后的研究工作中，仍然需要针对数字信号和数字电路进行更加深刻透彻的分析，使这一问题得到妥善解决，只有在这种前提下，系统才能真正进入到准确、稳定地工作状态当中。届时，数字电子技术又将迈进一个全新的发展时代，为人为发展与社会进步做出更大的贡献。

参考文献

[1] 金鑫.数字电子技术中的数字信号和数字电路[J].现代工业经济和信息化，2015，5（15）：55-56.

[2] 吴婷婷.数字电子技术中的数字信号和数字电路[J].通讯世界， 2015，5（23）：55-56.

[3] 杨长辉.数字电子技术与数字信号处理浅探[J].社会科学（引文版），2016，11（2）：64-65.

[4] 苏连治.数字电子技术与数字信号处理[J].科技致富向导，2014， 17（32）：174-175.

[5] 常文善.离散时间信号和系统的频域分析[J].化工管理，2017，（4）： 37-38.

[6] 王昌明.数字信号处理器中FFT的实现[J].数字化用户，2017，（17）：51.

[7] 张建国.数字电子技术[M].北京：北京理工大学出版社，2007：111.

[8] 罗淼，田梅.数字电子技术的应用和发展[J].山东工业技术，2015， （15）：99-100.

[9] 秦夏伟.浅谈物理电路与数字电路——以高中物理电路为例[J].电子技术与软件工程，2017，（02）：104.