数字电路

4.1 模拟电信号 与 数字电信号

在讲模拟电信号和模拟电信号之前，首先来看看电信号，

 

4.1.1 电信号：数据的表现方式

对于电子设备而言，数据不可能凭空存在，必须以某种方式表现出来，对于电子设备而言，数据是以电信号（电流/电压）的方式表现的，电信号分为了两种，

（1）是模拟电信号：模拟电路中流通的就是模拟电信号。

（2）是数字电信号：数字电路中流通的就是数字电信号。

4.1.2 模拟电信号和数字电信号异同

（1）模拟电信号

1） 模拟电信号，直接使用电压值、或者电流值表示现实世界的各种情况（数据）

比如外界温度为15摄氏度，当温度传感器感受到15度的温度后，会将感受到的温度转换为电压或者电流，然后直接使用电压、电流值表示温度值，比如得到的电压值为15v的话，也就是说这个15v直接表示的就是温度15度，直接使用电压、电流值表示数据。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2）模拟电信号是连续变化的

模拟电信号直接通过电压值、电流值模拟真实情况（比如温度），由于现实的温度是连续变化的，因此模拟电信号也跟着连续变化，其实这就是“模拟”现实情况的这么一个过程，也因为这个“模拟”的过程，电信号就被称为了“模拟”电信号。

3）模拟电信号流通于模拟电路中

 

4）总结

（a）模拟电信号，就是直接使用电压或者电流值，反应（模拟）现实世界各种情况的电信号，直接电压、电流值来表示数据的

（b）由于现实世界的情况是连续变化，所以反应现实情况的模拟电信号，也跟着是连续变化。  

（c）模拟电信号流通于模拟电路中

 

（2）数字电信号

1）数字电信号是如何表示现实世界的

（a）回顾“模拟电信号”是如何表示温度的

直接使用电压或者电流值表示（模拟）外界的温度，电压、电流值会跟着温度连续变化。

但是需要强调一点的是，电压、电流表示温度时存在精度问题，比如实际温度是13.4567567.....，由于受到精度影响，模拟的电压、

电流值只能表示到13.45这个程度，后面的可能表示不出来，无法100%准确反映。

 

（b）数字电信号是如何表示温度的

还是温度的例子，实际温度为15摄氏度，温度传感器仍然还是会先得到模拟电压值15v，然后再将这个模拟电压的电压值转为二进制数据，15的二进制为1111，在数字电路中，如果使用2.5v表示1，0v表示0的话，使用数字电信号表示1111（15）的话，应为2.5v 2.5v 2.5v 2.5v。

 

转（温传）                 转（模数转换）

15摄氏度  ———————> 15v模拟电压  ————————>  数字电信号表示的二进制数：2.5v 2.5v 2.5v 2.5v（1111）

转（温传）                 转（模数转换）

12摄氏度  ———————> 12v模拟电压  ————————>  数字电信号表示的二进制数：2.5v 2.5v  0v   0v （1100）

 

直白点理解：

·模拟电信号：使用电压或者电流值直接表示外界情况(温度)。

·数字电信号：使用高低电平组合而成二进制数，来表示外界的情况，数字电信号不可能凭空出现，需要从模拟电信号转换而来。

2）数字电信号是离散的

为什么说数字电信号是离散的呢，要搞清楚这个问题，首先要弄清楚“模拟电信号”如何被转成“数字电信号”。

 

 

 

 

 

 

 

 

图中过程的特点：

（a）数字电信号都是由模拟电信号转换而来，转换的过程分两步，

·第一步：采样，采样之后，原本时间上连续的模拟电信号，就变成了离散的电信号

·第二步：将采样后的、离散的电压/电流值，转为数字电信号形式的二进制数所表示温度值

（b）采样频率越高，数字电信号就越逼近出真实情况

 

（3）总结

1）模拟电信号与数字电信号的区别和联系

（a）区别：模拟电信号是连续的，数字电信号时离散的，模拟电信号流通于模拟电路中，数字电信号流通于数字电路中

（b）联系：数字电信号不可能凭空得到，需要从模拟电信号转换而来

 

2）A/D和D/A转换  

（a）A/D转换：将模拟电信号转换为数字电信号，这个过程叫模数转换(A/D转换)，A表示Analog(模拟)，D表示Digital(数字)

（b）D/A转换：有A/D转换就有D/A转换，D/A就是将数字电信号转为模拟电信号，称为数模转换。

 

在后面的单片机课程中，会详细讲解A/D和D/A的电路原理，以及如何通过编程控制A/D和D/A转换。

 

4.2 信号/数据/信息之间的关系

在前面，我们已经提到了电信号和数据之间的关系，我们说过，在电子设备中，数据是以电信号的形式存在的，在这里我们再加入一个概念“信息”，然后对信号/数据/信息这三者，做一个的对比理解。

 

当然，如果你要是实在的分不清楚的话，那么你可以认为这三个是一回事。

 

4.2.1 概念描述

（1）数据：一种是数学上的逻辑关系

（2）信号：用于表现数据，比如以电/磁/光信号(能量)表现数据，信号又分为模拟信号和数字信号两种

（3）信息：从数据中提取出得到的，客观世界在人脑中的反映

 

4.2.2 通过例子来理解信号/数据/信息之间的关系

例子：计算机如何表示“冷”？

 

首先：计算机不可能直接存储冷这个字形，所是以“中文编码”的形式存储在计算机中。

其次：当然如果人要看懂“冷”这个意思的话，显示器需要将“中文编码”换为“冷”的字形。

最后：当人看到“冷”的字形后，自然就能理解冷所表达的信息了。

 

我们假设“冷”这个字的中文编码为18，对应的二进制的 1 0 0 1 0。

（1）数据：一种是数学上的逻辑关系

“冷”的中文编码为18，二进制为10010，不管是10010还是18，事实上指的是同一个数据。

（2）信号：数据的表现方式

在数字电子设备中，使用数字电信号来表示10010这个二进制数，数字电信号为2.5v 0v 0v 2.5v 0v，如果是在光纤中，则使用数字光信号表示10010。

（3）信息：从数据中提取出得到的，客观世界在人脑中的反映

显示器最后将18翻译为“冷”这个字形后，人看到后就能得到“冷”这个信息，总之最后从18这个数里面提取出了“冷”这个信息。

 

4.2.3 数据可以被各种信号表现

使用各种不同的信号表现同一个数据，尽管表现形式有所不同，但是表示的都是同一个数，比如二进制的10010，不管使用电信号、磁信号还是光信号表示，都是同一个数。

（1）数字电信号：   2.5v  0v   0v  2.5v 0v ，使用电平表示数据

（2）磁信号：         正向 反向 反向 正向 反向， 使用磁性方向表示数据

（3）人识别的符号：    1    0    0    1    0   ， 眼睛可以通过光信号读到这个数据

 

总之，不管使用什么信号表现数据，数据逻辑关系所表示的都是18这个数（10010），至于这18这个数应该怎么解读，暗含了什么信息，这个要根据具体情况来看，因为18可以表示18个人，也可以表示18头猪，也可以表示18块钱，也可以表示你今年18岁，也有可能表示“冷”。

 

4.2.4 具体使用那种信号来表现数据，需要看数据使用者的特点

（1）对于人来说

对于人来说，主要靠视觉（光信号）/听觉（声音信号）来感知世界，因此人所识别的数据，主要以光/声音（振动）信号进行表现的。

 

（2）对于计算机来说

主要使用数字电信号/磁信号/光信号（光纤通信）来表现数据。

作者：佳嵌工作室

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