构建数字电路的综合指南

数字电路或数字电子产品是使用数字信号的电子产品。它们与模拟电路的不同之处在于，模拟电路在模拟信号上运行，模拟信号的运行更容易受到信号衰减、制造公差和噪声的影响，设计人员通常在集成电路上使用大型逻辑门组件来制作数字电路。

在这个友好的指南中，我们让您了解有关数字电路的所有信息。继续阅读以了解更多信息。

数字电路简史

1705 年，戈特弗里德·威廉·莱布尼茨改进了二进制数系统。莱布尼茨确定，通过使用二进制系统，可以将算术和逻辑的原理结合起来。在 19 世纪中叶，乔治布尔构想了我们今天所知的数字哲学。后来，在 1886 年，查尔斯·桑德斯·皮尔斯 (Charles Sanders Peirce) 解释了科学家如何通过切换电气开关电路来进行逻辑运算。然后，设计师开始使用真空管代替继电器进行逻辑运算。

随着二战后数字计算机的发展，数字计算取代了模拟。很快，纯电子电路元件取代了机械和机电元件。

1959 年，Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 发明了 MOSFET 晶体管，这极大地改变了电子行业。从 20 世纪后期开始，MOSFET 晶体管在数字电路的构建中发挥了不可或缺的作用。目前，它是全球最受欢迎的半导体器件。

最初，每个集成电路芯片只有几个晶体管。随着技术的进步，将数百万个 MOSFET 晶体管放置在单个芯片中成为可能。如今，设计人员可以将数十亿个 MOSFET 晶体管放置在单个芯片中。这证明了数字电路自早期以来已经取得了多大的进步。

2.数字电路的特性

正如我们前面提到的，数字电路易于访问的最大原因之一是很容易以数字方式表示它们而不会降低噪声。例如，只要传输过程中拾取的声音不足以阻止路径被识别，连续的音频信号就可以按照1s和0s的顺序进行重构而不会出现任何错误。

为了在数字系统中获得更精确的表示，您可以使用更多的二进制数字来表示信号。当然，这需要更多的数字电路，但由于相同类型的硬件处理每个数字，系统很容易扩展。对于需要从根本上改进噪声特性和线性度以产生新分辨率的模拟系统，情况就不同了。

在您使用计算机控制的数字系统的地方，可以使用软件版本添加更多功能。换句话说，您不需要任何硬件更改。此外，您只需更新软件即可在工厂外对您的数字系统进行任何改进。

数字电路的另一个特性是它们允许更方便地存储信息。这是因为数字系统不受干扰，可以在不降低性能的情况下存储和检索数据。

许多最新的数字系统通常将连续模拟系统转换为数字信号。这可能会导致量化误差。为将这些错误保持在最低限度，请确保数字系统可以存储足够的数字数据，以达到理想的保真度。

3.数字电路的构建

工程师使用各种方法来构建逻辑门。我们将在下面调查其中的一些。

3.1 使用逻辑门构造

数字电路制造商通常使用称为逻辑门的小型电子电路来创建数字课程。使用这些逻辑门，可以创建组合逻辑。每个逻辑门都作用于逻辑信号以执行布尔逻辑的功能。通常，设计人员使用电子控制开关来创建逻辑门。通常，这些开关是晶体管。热离子阀也可以帮助完成同样的工作。一个逻辑门的输出可以馈送到其他逻辑门或控制它们。

3.2 使用查找表构建

第二种类型的数字电路具有查找表的构造。通常，查找表执行与基于逻辑门的数字电路类似的功能。基于查找表的数字通道的一个显着优势是设计人员可以轻松地对其进行重新编程，而无需对布线进行任何更改。换句话说，无需更改电线的排列即可轻松修复设计错误。在处理小批量产品时，设计人员因此更喜欢可编程逻辑器件而不是其他类型的数字电路。在设计这些可​​编程逻辑器件时，工程师通常会使用设计自动化软件。

3.3 集成电路

在构建集成电路时，工程师在一个硅芯片上使用多个晶体管。这是创建大量互连逻辑门的最经济实惠的方式。通常，设计人员在印刷电路板 (PCB) 上互连集成电路，印刷电路板是一块容纳各种电气元件并用铜迹线连接它们的电路板。

4.数字电路设计

在设计数字电路时，工程师使用各种方法来减少逻辑冗余，从而将电路复杂性保持在最低限度。但是为什么保持低电路复杂性很重要呢？好吧，最小的复杂性减少了组件数量并避免了潜在的错误，从而降低了成本。减少逻辑冗余的一些最常见的技术包括布尔代数、二元决策图、Quine-McCluskey 算法、卡诺图和启发式计算机方法。软件工程师通常使用启发式计算机方法来执行这些操作。

4.1 表示

表示是数字电路设计的重要组成部分。 经典工程师表示数字电路使用一组等效的逻辑门，其中设计人员使用不同的形状来表示每个逻辑符号。工程师还可以构建一个等效的电子开关系统来表示数字电路。表示通常具有用于自动分析的数字文件格式。

4.1.1 组合与顺序

在选择图像时，设计师通常会考虑各种类型的数字系统。两组常见的数字系统是组合系统和顺序系统。组合系统为相同的输入提供相同的输出。另一方面，顺序系统是将一些输出作为输入反馈的组合系统。

顺序系统还有两个子类别：一次更改状态的同步顺序系统和每次输入更改时都更改的异步顺序系统。

4.1.2 计算机设计

计算机是最普通的通用寄存器传输逻辑设备。该机器是一个自动二进制算盘。微定序器运行网络的控制单元，它本身就是一个微程序。尽管市场上也有异步计算机，但绝大多数计算机都是同步的。

4.2 数字电路中的设计问题

由于工程师在数字电子电路中使用模拟组件，因此此类组件的模拟性质可能会干扰所需的数字行为。因此，数字通道的设计需要管理时序裕量、噪声、电容和寄生电感等主题。

4.3 数字电路设计工具

多年来，工程师们设计了相当大的逻辑机器，旨在最大限度地减少昂贵的工程工作量。目前，存在为此目的而存在的称为电子设计自动化工具 (EDA) 的计算机程序。例如，有一种可制造性软件可以为数字电路设计人员提供出色的帮助。

4.4 测试逻辑电路

工程师测试逻辑电路的主要原因是为了验证设计是否符合时序和功能规范。检查数字渠道的每个副本以确定制造过程没有引入缺陷至关重要。

5.数字电路设计注意事项

数字电路设计的进展缓慢而稳定。我们通过查看下面的各种逻辑系列来追踪这一旅程。

5.1 继电器

数字通道的第一个设计具有继电器逻辑。这种设计既可靠又便宜。但是，速度很慢，偶尔会出现机械故障。通常有十个扇出在触点上形成弧形。

5.2 吸尘器

真空逻辑紧跟继电器逻辑。真空吸尘器的主要好处是速度快。然而，真空会产生大量热量，并且灯丝会经常烧坏。 1950 年代计算机管的发展是对空隙的显着改善，因为这些计算机管可以运行数十万小时。

5.3 电阻-晶体管逻辑

这是第一个半导体逻辑系列。电阻晶体管逻辑的可靠性是电子管的数千倍。它使用更少的电力并且运行更凉爽。但是，它的扇出非常低：总共 3 个。后来二极管晶体管逻辑将扇出提升到 7 并进一步降低了功率。

5.4 晶体管-晶体管逻辑

与以前的逻辑相比，晶体管-晶体管逻辑有了显着的改进，其扇出为 10。后来，该扇出提高到 20。这种逻辑也非常快。该逻辑至今仍在特定的数字电路设计中使用。

5.5 发射极耦合逻辑

发射极耦合模型非常快。然而，这个逻辑使用了大量的权力。具有中等规模组件的高性能计算机广泛使用这种逻辑。

5.6 CMOS 逻辑

CMOS 逻辑是迄今为止最流行的集成电路逻辑。逻辑速度快，提供高电路密度和每个逻辑门的低功耗。即使是大型快速计算机也使用这种逻辑。

数字电路领域的最新进展

数字电路领域的研究人员最近取得了重大进展。下面是一些例子：

6.1 忆阻器的使用

例如，在 2009 年，研究人员发现忆阻器可以帮助实现布尔状态存储。这提供了一个完整的逻辑系列，使用简单的 CMOS 工艺，具有少量的功率和空间。

6.2 RSFQ的发现

研究人员还发现了超导性。这一发现使工程师能够开发利用约瑟夫森结而不是晶体管的快速单通量量子 (RSFQ) 电路技术。工程师们最近一直在尝试构建可以使用非线性视觉元素处理数字信息的纯光学计算系统。

总结

数字电路是当今数字电子和计算机处理的中心。由于它们对噪声和质量下降的敏感性较低，这些电路比模拟电路更可取。并且随着工程师和研究人员致力于数字通道领域的进步，这些设备的设计和性能只会变得更好。

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