數字電路或數字電子設備是使用數字信號的電子設備。它們與模擬電路的不同之處在于，模擬電路對模擬信號進行操作，模擬信號的操作通常更容易受到信號衰減、制造公差和噪聲的影響，設計人員通常在集成電路上使用大型邏輯門組件來制作數字電路。

在這個友好的指南中，我們讓您了解有關數字電路的一切 。請繼續閱讀以了解更多信息。

數字電路簡史

1705 年，戈特弗里德·威廉·萊布尼茨 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 改進了二進制數系統。萊布尼茨確定通過使用二進制系統，可以將算術和邏輯原理結合起來。在 19 世紀中葉，喬治·布爾構思了我們今天所知的數字哲學。后來，在 1886 年，查爾斯·桑德斯·皮爾斯 (Charles Sanders Peirce) 解釋了科學家如何通過切換電氣開關電路來執行邏輯運算。然后，設計人員開始使用真空管，而不是用于邏輯運算的繼電器。

隨著二戰后數字計算機的發展，數字計算取代了模擬計算。很快，純電子電路元件取代了它們的機械和機電元件。 

1959 年，Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 發明了 MOSFET 晶體管，極大地改變了電子行業。從 20 世紀后期開始，MOSFET 晶體管在數字電路的構建中發揮了不可或缺的作用。目前，它是全球最受歡迎的半導體器件。 

最初，每個集成電路芯片只有幾個晶體管。隨著技術的進步，在單個芯片中放置數百萬個 MOSFET 晶體管成為可能。今天，設計人員可以在單個芯片中放置數十億個 MOSFET 晶體管。這證明了數字電路自早期以來已經取得了多大的進步。

2. 數字電路的特性

正如我們前面提到的，數字電路具有高度可訪問性的最大原因之一是很容易以數字方式表示它們而不會降低噪聲。例如，只要在傳輸過程中拾取的聲音不足以阻止識別路線，就可以按照 1 s 和 0 s 的順序重建連續的音頻信號而不會出現任何錯誤。

為了在數字系統中獲得更精確的表示，您可以使用更多的二進制數字來表示信號。當然，這需要更多的數字電路，但由于相同類型的硬件處理每個數字，系統很容易擴展。模擬系統則不同，它需要從根本上改進噪聲特性和線性度以產生新的分辨率。 

在您使用計算機控制的數字系統的地方，可以使用軟件修訂來添加更多功能。換句話說，您不需要任何硬件更改。此外，您只需更新軟件即可在工廠外對數字系統進行任何改進。

數字電路的另一個特性是它們允許更容易地存儲信息。這是因為數字系統不受干擾，可以在不降低性能的情況下存儲和檢索數據。

許多最新的數字系統通常將連續模擬系統轉換為數字信號。這可能會導致量化錯誤。為了將這些誤差保持在最低限度，請確保數字系統可以存儲足夠的數字數據來以理想的保真度表示信號。 

3. 數字電路的構建

工程師使用各種方法來構建邏輯門。我們將在下面調查其中的一些。

3.1 使用邏輯門構建

數字電路制造商通常使用稱為邏輯門的小型電子電路來創建數字課程。使用這些邏輯門，可以創建組合邏輯。每個邏輯門作用于邏輯信號以執行布爾邏輯的功能。通常，設計人員使用電子控制開關來創建邏輯門。通常，這些開關是晶體管。熱離子閥也可以幫助完成同樣的工作。一個邏輯門的輸出可以饋入其他邏輯門或控制它們。

3.2 使用查找表構建

第二種數字電路的特點是從查找表構造。通常，查找表執行與基于邏輯門的數字電路類似的功能。基于查找表的數字通道的一個顯著優勢是設計人員可以輕松地對其重新編程，而無需對接線進行任何更改。換句話說，無需更改電線的排列即可輕松修復設計錯誤。在處理小體積產品時，設計人員因此更喜歡可編程邏輯器件而不是其他類型的數字電路。在設計這些可編程邏輯器件時，工程師通常使用設計自動化軟件。

3.3 集成電路 

在構建集成電路時，工程師在一個硅芯片上使用多個晶體管。這是創建大量互連邏輯門的最實惠的方式。通常，設計人員在印刷電路板 (PCB) 上互連集成電路，PCB 是一塊容納各種電子元件并用銅跡線將它們連接起來的板。 

4. 數字電路設計

在設計數字電路時，工程師使用各種方法來減少邏輯冗余，從而將電路復雜度降至最低。但是為什么必須保持低電路復雜度呢？好吧，最小的復雜性減少了組件數量并避免了潛在的錯誤，從而降低了成本。一些減少邏輯冗余的最常用技術包括布爾代數、二元決策圖、Quine-McCluskey 算法、卡諾圖和啟發式計算機方法。軟件工程師通常使用啟發式計算機方法來執行這些操作。 

4.1 代表

當涉及到數字電路的設計時，表示是必不可少的部分。 經典工程師表示數字電路使用一組等效的邏輯門，其中設計人員使用不同的形狀來表示每個邏輯符號。工程師還可以構建一個等效的電子開關系統來表示數字電路。表示通常具有用于自動分析的數字文件格式。

4.1.1 組合與順序

在選擇圖像時，設計人員通常會考慮各種類型的數字系統。兩組常見的數字系統是組合系統和順序系統。組合系統對于相同的輸入呈現相同的輸出。另一方面，順序系統是將某些輸出作為輸入進行反饋的組合系統。

時序系統還有另外兩個子類別：同時改變狀態的同步時序系統和每次輸入改變時都改變的異步時序系統。

4.1.2 計算機設計

計算機是最普通的通用寄存器傳輸邏輯設備。本機為自動二元算盤。微定序器運行網絡的控制單元，它本身就是一個微程序。盡管市場上也有異步計算機，但絕大多數計算機都是同步的。 

4.2 數字電路中的設計問題

當工程師在數字電子電路中使用模擬組件時，這些組件的模擬特性會干擾所需的數字行為。因此，數字通道的設計需要管理諸如時序余量、噪聲、電容和寄生電感等主題。  

4.3 數字電路設計工具

多年來，工程師們設計了相當大的邏輯機器，旨在最大限度地減少昂貴的工程工作。目前，存在用于此目的的稱為電子設計自動化工具 (EDA) 的計算機程序。例如，有一個可制造性軟件可為數字電路設計人員提供出色的幫助。 

4.4 測試邏輯電路

工程師測試邏輯電路的主要原因是為了驗證設計是否符合時序和功能規范。檢查數字通道的每個副本以確定制造過程沒有引入缺陷至關重要。

5. 數字電路設計注意事項

數字電路設計的進展緩慢但穩定。我們通過查看下面的各種邏輯系列來追溯這段旅程。

5.1 繼電器

數字頻道的第一個設計以繼電器邏輯為特色。這種設計既可靠又便宜。然而，它很慢，偶爾會出現機械故障。通常有十個扇出在觸點上形成弧形。 

5.2 真空

真空邏輯緊隨繼電器邏輯。真空吸塵器的主要好處是它們很快。但是，真空會產生大量熱量，燈絲會經常燒壞。1950 年代計算機管的發展是對空隙的重大改進，因為這些計算機管可以運行數十萬小時。

5.3 電阻-晶體管邏輯

這是第一個半導體邏輯系列。電阻晶體管邏輯比電子管可靠數千倍。它使用更少的功率并且運行溫度更低。然而，它的扇出非常低：總共 3 個。后來二極管晶體管邏輯將扇出提高到 7 并進一步降低了功率。 

5.4 晶體管-晶體管邏輯

與以前的邏輯相比，晶體管-晶體管邏輯的扇出為 10，這是一個顯著的改進。后來，扇出改進為 20。這種邏輯也非常快。該邏輯今天仍在特定數字電路設計中使用。

5.5 發射極耦合邏輯 

發射極耦合模型非?？?。然而，這個邏輯使用了很多權力。具有中等規模組件的高性能計算機廣泛使用此邏輯。

5.6 CMOS 邏輯

CMOS 邏輯是目前集成電路中最流行的邏輯。邏輯速度快，每個邏輯門提供高電路密度和低功耗。即使是大型快速計算機也使用這種邏輯。

數字電路領域的最新發展

數字電路領域的研究人員最近取得了重大進展。下面是一些例子： 

6.1 憶阻器的使用

例如，2009 年，研究人員發現憶阻器可以幫助實現布爾狀態存儲。這提供了一個完整的邏輯系列，其特點是使用簡單的 CMOS 工藝而具有少量的功率和空間。 

6.2 RSFQ 的發現

研究人員還發現了超導性。這一發現使工程師能夠開發利用約瑟夫森結而不是晶體管的快速單通量量子 (RSFQ) 電路技術。工程師最近一直在嘗試構建可以使用非線性視覺元素處理數字信息的純光學計算系統。

概括

數字電路是當今數字電子和計算機處理的核心。由于它們對噪聲和質量下降的低敏感性，這些電路比模擬電路更可取。隨著工程師和研究人員致力于數字通道領域的進步，這些設備的設計和性能只會變得更好。 

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