數字電(dian)路(lu)或數(shu)字電(dian)子(zi)設備(bei)是使(shi)用數(shu)字(zi)信號的電(dian)子(zi)設備(bei)。它們(men)與模擬(ni)電(dian)路(lu)的不(bu)同之處(chu)在於(yu)，模擬(ni)電(dian)路(lu)對(dui)模擬(ni)信號進(jin)行操(cao)作(zuo)，模擬(ni)信號的操(cao)作(zuo)通(tong)常(chang)更容(rong)易受到(dao)信號衰減、制造公差(cha)和噪(zao)聲(sheng)的影(ying)響(xiang)，設(she)計人員通(tong)常(chang)在集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)上使(shi)用大型邏輯(ji)門組件來制(zhi)作(zuo)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)。

在這(zhe)個(ge)友好(hao)的(de)指南中，我們(men)讓您了(le)解有關數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)的壹(yi)切(qie) 。請(qing)繼續閱讀(du)以(yi)了(le)解更多信息(xi)。

數字(zi)電(dian)路(lu)簡史

1705 年(nian)，戈(ge)特弗裏德·威(wei)廉·萊布(bu)尼(ni)茨 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 改進(jin)了(le)二(er)進(jin)制數(shu)系統(tong)。萊(lai)布(bu)尼(ni)茨(ci)確定(ding)通(tong)過使(shi)用(yong)二(er)進(jin)制系統(tong)，可(ke)以(yi)將(jiang)算(suan)術(shu)和邏(luo)輯(ji)原(yuan)理結合起(qi)來。在 19 世(shi)紀(ji)中葉(ye)，喬治(zhi)·布爾(er)構(gou)思了(le)我們(men)今天所(suo)知的(de)數(shu)字哲學。後(hou)來，在 1886 年(nian)，查爾(er)斯·桑(sang)德斯(si)·皮爾(er)斯 (Charles Sanders Peirce) 解(jie)釋(shi)了(le)科學家如(ru)何通過切(qie)換(huan)電(dian)氣開關電(dian)路(lu)來執行邏輯(ji)運算(suan)。然後(hou)，設計(ji)人員(yuan)開始(shi)使(shi)用(yong)真(zhen)空(kong)管(guan)，而(er)不(bu)是用(yong)於(yu)邏輯(ji)運算(suan)的繼電(dian)器。

隨(sui)著二(er)戰後(hou)數字(zi)計算(suan)機的(de)發(fa)展(zhan)，數(shu)字(zi)計(ji)算(suan)取(qu)代(dai)了(le)模擬(ni)計(ji)算(suan)。很快，純電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)元件(jian)取(qu)代(dai)了(le)它們(men)的機(ji)械(xie)和機(ji)電(dian)元(yuan)件(jian)。 

1959 年(nian)，Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 發(fa)明了(le) MOSFET 晶體(ti)管，極大地(di)改變了(le)電(dian)子(zi)行業。從(cong) 20 世(shi)紀(ji)後(hou)期開始(shi)，MOSFET 晶(jing)體(ti)管(guan)在數字(zi)電(dian)路(lu)的構(gou)建(jian)中(zhong)發(fa)揮了(le)不(bu)可或(huo)缺的作(zuo)用(yong)。目前，它是全球最(zui)受(shou)歡(huan)迎的(de)半(ban)導體器件(jian)。 

最初(chu)，每(mei)個集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)芯片(pian)只有幾個(ge)晶(jing)體(ti)管。隨著(zhe)技術(shu)的進(jin)步(bu)，在單個(ge)芯(xin)片中(zhong)放(fang)置數(shu)百(bai)萬個(ge) MOSFET 晶體(ti)管成為可(ke)能。今天，設計(ji)人(ren)員可以(yi)在單個(ge)芯(xin)片中(zhong)放(fang)置數(shu)十(shi)億(yi)個 MOSFET 晶體管(guan)。這(zhe)證(zheng)明了(le)數字(zi)電(dian)路(lu)自早(zao)期以(yi)來已(yi)經取(qu)得了(le)多大(da)的進(jin)步(bu)。

2. 數字電(dian)路(lu)的特性

正如(ru)我們(men)前面(mian)提到(dao)的，數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)具(ju)有高(gao)度(du)可(ke)訪(fang)問(wen)性的最大原(yuan)因之壹是很容(rong)易以(yi)數(shu)字(zi)方式表示(shi)它們(men)而(er)不(bu)會降(jiang)低(di)噪(zao)聲(sheng)。例如(ru)，只要(yao)在傳輸(shu)過(guo)程中(zhong)拾(shi)取(qu)的(de)聲(sheng)音(yin)不(bu)足以(yi)阻(zu)止識別路(lu)線，就(jiu)可以(yi)按(an)照(zhao) 1 s 和 0 s 的(de)順序(xu)重建(jian)連續的音(yin)頻信號而(er)不(bu)會出(chu)現(xian)任何錯誤。

為了(le)在數字(zi)系統(tong)中(zhong)獲(huo)得更精確的(de)表(biao)示(shi)，您可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)更多的(de)二(er)進(jin)制數(shu)字來表(biao)示(shi)信號。當然，這(zhe)需要(yao)更多的(de)數字(zi)電(dian)路(lu)，但由於(yu)相同類型的(de)硬(ying)件處(chu)理(li)每(mei)個數(shu)字，系統(tong)很容(rong)易擴(kuo)展(zhan)。模擬(ni)系統(tong)則不(bu)同，它(ta)需要(yao)從根本(ben)上(shang)改進(jin)噪(zao)聲(sheng)特性和線(xian)性度以(yi)產(chan)生新(xin)的(de)分辨率。 

在您使(shi)用(yong)計算(suan)機控(kong)制(zhi)的(de)數字系統(tong)的(de)地(di)方，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)軟件修(xiu)訂來添加(jia)更多功能。換(huan)句(ju)話說，您不(bu)需要(yao)任何硬件更改。此(ci)外，您(nin)只需更新(xin)軟件即可在工(gong)廠(chang)外(wai)對(dui)數(shu)字(zi)系統(tong)進(jin)行任(ren)何改進(jin)。

數字(zi)電(dian)路(lu)的另壹個(ge)特性是它們允(yun)許(xu)更容(rong)易地(di)存(cun)儲(chu)信息(xi)。這(zhe)是(shi)因為數字(zi)系統(tong)不(bu)受幹(gan)擾(rao)，可以(yi)在不(bu)降(jiang)低(di)性能的(de)情況(kuang)下(xia)存(cun)儲(chu)和檢(jian)索數據。

許(xu)多最(zui)新的(de)數(shu)字(zi)系統(tong)通(tong)常(chang)將(jiang)連續模擬(ni)系統(tong)轉換為數字(zi)信號。這(zhe)可(ke)能會(hui)導致(zhi)量(liang)化(hua)錯誤。為了(le)將(jiang)這(zhe)些(xie)誤差(cha)保持(chi)在最低(di)限(xian)度(du)，請確保(bao)數(shu)字系統(tong)可(ke)以(yi)存(cun)儲(chu)足夠的(de)數(shu)字數(shu)據來以(yi)理(li)想(xiang)的(de)保真(zhen)度表(biao)示(shi)信號。 

3. 數字電(dian)路(lu)的構(gou)建(jian)

工(gong)程(cheng)師(shi)使用各種方法(fa)來構(gou)建(jian)邏(luo)輯(ji)門。我們(men)將(jiang)在下面(mian)調(tiao)查其(qi)中的(de)壹些(xie)。

3.1 使(shi)用邏輯(ji)門構(gou)建(jian)

數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)制造商(shang)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)稱(cheng)為邏輯(ji)門的(de)小型電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)來創建(jian)數(shu)字(zi)課程(cheng)。使(shi)用這(zhe)些(xie)邏輯(ji)門，可(ke)以(yi)創建(jian)組合邏輯(ji)。每(mei)個邏(luo)輯(ji)門作(zuo)用(yong)於(yu)邏輯(ji)信號以(yi)執行布爾(er)邏輯(ji)的(de)功能。通(tong)常(chang)，設(she)計人員使(shi)用電(dian)子(zi)控制開關來創建(jian)邏(luo)輯(ji)門。通(tong)常(chang)，這(zhe)些(xie)開關是晶體管。熱(re)離(li)子(zi)閥也可以(yi)幫(bang)助完(wan)成同樣(yang)的工(gong)作(zuo)。壹(yi)個(ge)邏(luo)輯(ji)門的(de)輸(shu)出(chu)可以(yi)饋入其(qi)他(ta)邏輯(ji)門或(huo)控(kong)制它(ta)們(men)。

3.2 使用(yong)查找表(biao)構(gou)建(jian)

第(di)二(er)種數(shu)字電(dian)路(lu)的特點(dian)是從(cong)查找表(biao)構(gou)造。通常(chang)，查找表(biao)執行與基於(yu)邏輯(ji)門的(de)數(shu)字電(dian)路(lu)類似的(de)功能。基於(yu)查找表(biao)的數字(zi)通(tong)道(dao)的壹個(ge)顯(xian)著(zhe)優勢(shi)是設(she)計(ji)人員可(ke)以(yi)輕(qing)松(song)地(di)對(dui)其(qi)重新(xin)編(bian)程，而(er)無(wu)需對(dui)接(jie)線(xian)進(jin)行任(ren)何更改。換句(ju)話說，無需更改電(dian)線(xian)的(de)排列(lie)即可輕(qing)松(song)修(xiu)復設計錯誤。在處(chu)理(li)小體積產(chan)品時(shi)，設(she)計(ji)人(ren)員因(yin)此(ci)更喜(xi)歡可(ke)編程(cheng)邏(luo)輯(ji)器件(jian)而(er)不(bu)是其(qi)他(ta)類型的(de)數(shu)字電(dian)路(lu)。在設計(ji)這(zhe)些(xie)可編程邏(luo)輯(ji)器件(jian)時(shi)，工(gong)程(cheng)師(shi)通常使(shi)用設(she)計自動(dong)化(hua)軟件。

3.3 集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu) 

在構(gou)建(jian)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)時(shi)，工(gong)程(cheng)師(shi)在壹個(ge)矽芯片(pian)上使(shi)用(yong)多個(ge)晶體(ti)管(guan)。這(zhe)是(shi)創建(jian)大(da)量(liang)互(hu)連邏輯(ji)門的(de)最(zui)實惠(hui)的(de)方式。通常，設計(ji)人(ren)員(yuan)在印刷電(dian)路(lu)板 (PCB) 上(shang)互連集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)，PCB 是壹(yi)塊容(rong)納各種電(dian)子(zi)元件並(bing)用(yong)銅跡(ji)線將(jiang)它們連接(jie)起(qi)來的(de)板(ban)。 

4. 數字(zi)電(dian)路(lu)設計(ji)

在設計(ji)數(shu)字電(dian)路(lu)時(shi)，工(gong)程(cheng)師(shi)使用各種方法(fa)來減少邏(luo)輯(ji)冗(rong)余(yu)，從而(er)將(jiang)電(dian)路(lu)復雜(za)度降(jiang)至最(zui)低(di)。但是為(wei)什(shen)麽(me)必須(xu)保持低電(dian)路(lu)復雜(za)度呢(ne)？好(hao)吧(ba)，最(zui)小的復雜(za)性減少了(le)組件數量(liang)並(bing)避免(mian)了(le)潛在的錯誤，從而(er)降(jiang)低(di)了(le)成本(ben)。壹些(xie)減少邏(luo)輯(ji)冗(rong)余(yu)的最常用(yong)技術(shu)包(bao)括(kuo)布爾(er)代(dai)數(shu)、二(er)元決(jue)策(ce)圖(tu)、Quine-McCluskey 算(suan)法、卡(ka)諾(nuo)圖(tu)和啟(qi)發式計算(suan)機方法(fa)。軟件工(gong)程(cheng)師(shi)通常使(shi)用啟(qi)發式計算(suan)機方法(fa)來執行這(zhe)些(xie)操(cao)作(zuo)。 

4.1 代(dai)表(biao)

當涉及到數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)的設(she)計時(shi)，表(biao)示(shi)是必(bi)不(bu)可少的(de)部(bu)分。 經典(dian)工(gong)程(cheng)師(shi)表示(shi)數字(zi)電(dian)路(lu)使用(yong)壹組等(deng)效(xiao)的邏輯(ji)門，其(qi)中設(she)計人(ren)員(yuan)使用不(bu)同的(de)形狀來表(biao)示(shi)每(mei)個邏(luo)輯(ji)符(fu)號。工(gong)程(cheng)師(shi)還可以(yi)構(gou)建(jian)壹(yi)個(ge)等(deng)效(xiao)的電(dian)子(zi)開關系統(tong)來表(biao)示(shi)數字(zi)電(dian)路(lu)。表示(shi)通常(chang)具(ju)有用於(yu)自動(dong)分析的數字(zi)文件格式。

4.1.1 組合與順序

在選擇(ze)圖(tu)像時(shi)，設(she)計(ji)人(ren)員通(tong)常(chang)會考(kao)慮各種類型的(de)數(shu)字系統(tong)。兩組常見的(de)數(shu)字(zi)系統(tong)是(shi)組合系統(tong)和順(shun)序系統(tong)。組合系統(tong)對(dui)於(yu)相同的(de)輸入呈現(xian)相同的(de)輸出(chu)。另壹方面(mian)，順序(xu)系統(tong)是(shi)將(jiang)某(mou)些輸(shu)出(chu)作(zuo)為(wei)輸(shu)入進(jin)行反(fan)饋的組合系統(tong)。

時(shi)序(xu)系統(tong)還(hai)有另外兩個子(zi)類別：同時(shi)改變狀(zhuang)態的(de)同步(bu)時(shi)序(xu)系統(tong)和每(mei)次輸(shu)入改變時(shi)都改變的(de)異(yi)步(bu)時(shi)序(xu)系統(tong)。

4.1.2 計(ji)算(suan)機設(she)計(ji)

計(ji)算(suan)機是(shi)最(zui)普(pu)通的通(tong)用寄(ji)存(cun)器傳(chuan)輸邏(luo)輯(ji)設(she)備(bei)。本機(ji)為自動(dong)二(er)元算(suan)盤。微(wei)定(ding)序(xu)器運行網(wang)絡(luo)的控制(zhi)單元(yuan)，它(ta)本(ben)身(shen)就(jiu)是壹個微(wei)程序(xu)。盡管(guan)市(shi)場(chang)上也有異步(bu)計算(suan)機，但絕大多數(shu)計算(suan)機都是同步(bu)的。 

4.2 數字(zi)電(dian)路(lu)中的(de)設計問(wen)題(ti)

當工(gong)程(cheng)師(shi)在數字(zi)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)中使(shi)用模擬(ni)組件時(shi)，這(zhe)些(xie)組件的模擬(ni)特性會幹(gan)擾(rao)所(suo)需的(de)數字行(xing)為。因(yin)此(ci)，數字(zi)通道(dao)的設計(ji)需要(yao)管理諸(zhu)如(ru)時(shi)序(xu)余(yu)量(liang)、噪(zao)聲(sheng)、電(dian)容(rong)和寄(ji)生電(dian)感等(deng)主題(ti)。  

4.3 數字電(dian)路(lu)設計(ji)工(gong)具(ju)

多年(nian)來，工(gong)程(cheng)師(shi)們設計(ji)了(le)相當大(da)的(de)邏(luo)輯(ji)機(ji)器，旨(zhi)在最大(da)限(xian)度(du)地(di)減少昂貴(gui)的工(gong)程(cheng)工(gong)作(zuo)。目前，存(cun)在用於(yu)此(ci)目的的(de)稱(cheng)為電(dian)子(zi)設計自動(dong)化(hua)工(gong)具(ju) (EDA) 的計(ji)算(suan)機程(cheng)序(xu)。例(li)如(ru)，有壹個(ge)可(ke)制造性軟件可為數字電(dian)路(lu)設計(ji)人員提供出(chu)色的(de)幫(bang)助。 

4.4 測試(shi)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)

工(gong)程(cheng)師(shi)測試(shi)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)的主(zhu)要原(yuan)因是(shi)為(wei)了(le)驗證(zheng)設計(ji)是(shi)否符合時(shi)序(xu)和功能規範。檢(jian)查數字(zi)通道的(de)每(mei)個副本(ben)以(yi)確定(ding)制(zhi)造過程(cheng)沒(mei)有引入缺陷至關(guan)重要(yao)。

5. 數(shu)字電(dian)路(lu)設計(ji)註(zhu)意(yi)事(shi)項

數字電(dian)路(lu)設計(ji)的進(jin)展(zhan)緩(huan)慢(man)但穩定。我們(men)通(tong)過查看下面(mian)的各種邏(luo)輯(ji)系列(lie)來追(zhui)溯(su)這(zhe)段(duan)旅程。

5.1 繼電(dian)器

數(shu)字頻道的第(di)壹(yi)個(ge)設(she)計以(yi)繼電(dian)器邏(luo)輯(ji)為(wei)特色(se)。這(zhe)種(zhong)設計既(ji)可靠(kao)又便宜。然而(er)，它(ta)很慢(man)，偶爾(er)會出(chu)現(xian)機械(xie)故障(zhang)。通(tong)常(chang)有十(shi)個(ge)扇出(chu)在觸點上(shang)形成弧形。 

5.2 真(zhen)空(kong)

真(zhen)空(kong)邏(luo)輯(ji)緊(jin)隨(sui)繼電(dian)器邏(luo)輯(ji)。真(zhen)空(kong)吸(xi)塵(chen)器的(de)主要(yao)好(hao)處(chu)是(shi)它們很快。但是，真(zhen)空(kong)會(hui)產(chan)生大(da)量(liang)熱(re)量(liang)，燈(deng)絲(si)會經常燒(shao)壞。1950 年(nian)代(dai)計(ji)算(suan)機管(guan)的(de)發(fa)展(zhan)是(shi)對(dui)空(kong)隙(xi)的(de)重大(da)改進(jin)，因為(wei)這(zhe)些(xie)計算(suan)機管(guan)可(ke)以(yi)運行數(shu)十(shi)萬(wan)小時(shi)。

5.3 電(dian)阻(zu)-晶(jing)體管(guan)邏輯(ji)

這(zhe)是(shi)第壹個半(ban)導體邏(luo)輯(ji)系列(lie)。電(dian)阻(zu)晶(jing)體管(guan)邏輯(ji)比電(dian)子(zi)管可靠(kao)數(shu)千(qian)倍。它(ta)使用更少的(de)功率並(bing)且(qie)運行溫(wen)度(du)更低(di)。然而(er)，它(ta)的(de)扇出(chu)非常(chang)低：總共(gong) 3 個(ge)。後(hou)來二(er)極管晶體管(guan)邏(luo)輯(ji)將(jiang)扇出(chu)提高(gao)到(dao) 7 並(bing)進(jin)壹步(bu)降(jiang)低(di)了(le)功率。 

5.4 晶(jing)體(ti)管-晶(jing)體管邏輯(ji)

與(yu)以(yi)前的邏輯(ji)相比，晶體(ti)管(guan)-晶體管邏輯(ji)的(de)扇出(chu)為 10，這(zhe)是(shi)壹個顯(xian)著(zhe)的改進(jin)。後(hou)來，扇出(chu)改進(jin)為 20。這(zhe)種(zhong)邏輯(ji)也非常快。該(gai)邏(luo)輯(ji)今天仍在特定(ding)數字(zi)電(dian)路(lu)設計(ji)中使用。

5.5 發射(she)極耦合邏輯(ji) 

發(fa)射(she)極耦合模型非(fei)常(chang)快。然而(er)，這(zhe)個(ge)邏輯(ji)使(shi)用(yong)了(le)很多權(quan)力。具(ju)有中等(deng)規模組件的高(gao)性能計(ji)算(suan)機廣(guang)泛(fan)使用此(ci)邏輯(ji)。

5.6 CMOS 邏(luo)輯(ji)

CMOS 邏(luo)輯(ji)是(shi)目前集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)中最(zui)流行的邏輯(ji)。邏(luo)輯(ji)速(su)度(du)快，每(mei)個邏(luo)輯(ji)門提(ti)供(gong)高(gao)電(dian)路(lu)密(mi)度和低(di)功耗。即使是(shi)大型(xing)快速計(ji)算(suan)機也使用這(zhe)種(zhong)邏輯(ji)。

數字(zi)電(dian)路(lu)領(ling)域的最(zui)新發展(zhan)

數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)領(ling)域的研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)最近取(qu)得了(le)重大(da)進(jin)展(zhan)。下(xia)面(mian)是壹(yi)些例(li)子(zi)： 

6.1 憶阻器的(de)使用(yong)

例如(ru)，2009 年(nian)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)發現(xian)憶阻(zu)器可(ke)以(yi)幫(bang)助實(shi)現(xian)布爾(er)狀態存(cun)儲(chu)。這(zhe)提(ti)供了(le)壹個(ge)完(wan)整的(de)邏輯(ji)系列(lie)，其(qi)特點(dian)是使(shi)用簡(jian)單的(de) CMOS 工(gong)藝(yi)而(er)具(ju)有少量(liang)的(de)功率和空(kong)間。 

6.2 RSFQ 的發(fa)現(xian)

研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)還發現(xian)了(le)超(chao)導性。這(zhe)壹(yi)發現(xian)使工(gong)程(cheng)師(shi)能夠開發利用約(yue)瑟(se)夫森結而(er)不(bu)是晶(jing)體管(guan)的快速單(dan)通(tong)量(liang)量(liang)子(zi) (RSFQ) 電(dian)路(lu)技術(shu)。工(gong)程(cheng)師(shi)最近壹(yi)直在嘗試(shi)構(gou)建(jian)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)非線性視覺(jiao)元(yuan)素(su)處(chu)理(li)數字信息(xi)的純光(guang)學(xue)計(ji)算(suan)系統(tong)。

概(gai)括(kuo)

數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)是當今數字(zi)電(dian)子(zi)和計(ji)算(suan)機處(chu)理(li)的核(he)心。由於(yu)它們(men)對(dui)噪(zao)聲(sheng)和質量(liang)下(xia)降(jiang)的(de)低(di)敏感性，這(zhe)些(xie)電(dian)路(lu)比模擬(ni)電(dian)路(lu)更可(ke)取(qu)。隨(sui)著工(gong)程(cheng)師(shi)和研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)致(zhi)力於(yu)數字(zi)通道(dao)領(ling)域的進(jin)步(bu)，這(zhe)些(xie)設備(bei)的設(she)計和性能只(zhi)會(hui)變(bian)得更好(hao)。 

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