第1章 数字逻辑基础

1.1 模拟电路与数字电路

自从人类发现了电现象，模拟电路就诞生了。随着制造工艺的进步，20世纪初有了电子管，从此模拟电路能够完成功率放大、产生振荡等功能。结合模拟电路理论，模拟电路可进行算术运算、微积分运算，以至于最终造出了模拟计算机，实现了当时人们进行计算机仿真的愿望。然而，随着科技的飞速发展，许多军事和民用科学研究迫切需要进行大量快速计算，模拟计算机则表现出显著的局限性，不能满足人们日益增长的需求。主要表现为：（1）体积庞大、笨重、功耗高。电子管是在气密性封闭容器（一般为玻璃管）内利用电场对真空中的电子流作用以获得信号放大或振荡的。复杂的电路中，众多电子管在一起，必然体积庞大。虽然在出现晶体管后，模拟电路的体积大大减小，但是相对于集成电路而言，模拟电路在体积和功耗上仍然是不可比拟的。（2）可靠性差，容易受干扰。模拟电路的干扰源较多，如电压不稳定、元器件之间的耦合和非线性等。（3）模拟电路的数值计算能力弱，不能满足科学计算的需要。

数字技术早在19世纪末就已经有了工程应用，比如电报就是一个简单的二值数字系统。1846年，英国数学家George Boole创立了布尔代数，从此数字逻辑电路有了分析方法和设计方法，为数字技术的后来发展奠定了理论基础。数字电路最初也经历了电子管时期，由电子管的导通和截止来表示数字信号。1946年出现的第一台电子计算机，就是以电子管为基本元件制成的。但是，由于当时电子管性能指标的缺陷，这台计算机故障频发。从20世纪60年代开始，随着半导体制造工艺的突破，晶体管诞生了。由于晶体管体积小、功耗低、工作速度快、工作寿命长等特点，数字电路的体积大大缩小，有了小规模数字电路。从此，数字电路的发展进入了快车道。20世纪70年代末，出现了集成电路，可以把成千上万的晶体管、电阻等元器件制造在一块面积很小的芯片上，并且价格大幅度下降，性能大幅度上升，数字技术开始进入国民经济的各行各业中。20世纪80年代后，大规模、超大规模集成电路的生产技术日渐成熟，工作性能等指标取得突破性进展，诞生了微处理器，除了在各学科领域得到广泛使用外，还深入到人们生活的各个方面。进入21世纪，数字技术已经成为人们生活中的一部分，与人们朝夕相处，形影不离。数字技术伴随着人类迈进信息社会。

回顾模拟电路与数字电路的发展历程，不难看出数字电路与模拟电路相比，具有以下一些优点：

（1）集成度高、功耗低、计算能力强；

（2）抗干扰能力强，工作性能可靠；

（3）功能多样化，适应性强。

环顾身边的各种电路与系统可以发现：很少有系统是由全模拟电路构成的，也很少有系统是由全数字电路构成的。一般来讲，在一个系统中模拟电路与数字电路会各司其职，紧密配合共同完成设计者指定的任务。模拟电路与数字电路的联系纽带是模数（A/D）、数模（D/A）转换。形象地说，模拟电路、A/D转换、数字电路三者之间的关系可以用一个鸡蛋来表示，模拟电路是蛋壳，数字电路是蛋黄，而A/D转换是介于蛋壳与蛋黄之间的蛋清。三者既有区别，又紧密联系。