数字定义

数字（Digital）被定义为一种利用高品质电子系统记录声音或利用数字 1 和 0 存储信息的技术。

含义

数字电子产品（Digital electronics）是指那些利用物质的正负状态来生成、存储和处理信息的电子产品。正的状态用数字 1 表示，负的状态用数字 0 表示。因此，通过数字方式传输或保存的信息被表示为由 0 和 1 组成的字符串。这些状态数字被称为位（bits），而字节（byte）是一组计算机可以单独寻址的位。

在数字技术出现之前，模拟技术（Analogue technology）是电子传输的唯一选择，它将具有可变频率或幅度的电子信号添加到特定频率的载波波上。电话和广播媒体的传输传统上一直使用模拟技术。

历史

戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）在 1705 年发表了他对二进制数系的改进，证明了二进制数系可以用于结合逻辑和算术原理。19 世纪中叶，乔治·布尔（George Boole）创建了现代形式的数字逻辑。在 1886 年的一封信中，查尔斯·桑德斯·皮尔士（Charles Sanders Peirce）概述了如何通过电开关电路执行逻辑运算。真空管最终取代了逻辑过程中的继电器。李·德·森林（Lee De Forest）在 1907 年对弗莱明阀（Fleming valve）的改进可以被用作与门（AND gate）。路德维希·维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）在他的《逻辑哲学论》（Tractatus Logico-Philosophicus）（1921）的命题 5.101 中，开发了一种 16 行真值表的变体。沃尔特·博特（Walther Bothe）发明了符合电路（coincidence circuit），并因在 1924 年发明了第一个现代电子与门而于 1954 年获得了诺贝尔物理学奖。

第一个世纪出现了机械模拟计算机，在中世纪，它们被用于天文计算。在第二次世界大战期间，机械模拟计算机系统被用于特殊的军事任务，如鱼雷瞄准。此时也开发了第一批电子数字计算机系统；乔治·斯蒂比茨（George Stibitz）在 1942 年首次使用了“数字”一词。它们曾经占据一个大房间，消耗的能源相当于几百台现代 PC。

Z3 是由康拉德·祖泽（Konrad Zuse）设计的机电计算机。当它在 1941 年完成时，它是世界上第一台功能齐全、完全自主、可编程的数字计算机。真空管是约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）于 1904 年发明。纯电子元件的电路迅速取代了它们的机械和机电等效物，数字计算迅速取代了模拟计算。约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）于 1947 年在贝尔实验室开发了点接触晶体管，而威廉·肖克利（William Shockley）于 1948 年在该实验室开发了双极结型晶体管。

性质

数字电路相对于模拟电路的一个优势在于，能够传输经过数字编码的信号，而不会因噪声引起信号退化。例如，如果传输噪声量不足以阻止 1 和 0 的检测，那么以一系列 1 和 0 形式提供的连续音频信号就可以被准确地重建。

• 在数字系统中，使用更多的二进制数字来表示信号可以获得更精确的表示。尽管这样做需要更多的数字电路来处理信号，因为每个数字都由同类型的硬件处理，但该系统仍然易于扩展。在模拟系统中，增加分辨率需要对信号链中每个环节的线性度和噪声特性进行根本性更改。
• 通过软件更新，可以在不受影响的硬件下为计算机控制的数字系统引入新功能。产品的软件通常可以在工厂外更新。通过这种方法，即使在购买者拥有产品之后，也可以修复设计缺陷。
• 数字系统可以比模拟系统更轻松地存储信息。数字系统对噪声的免疫力使得存储和检索数据而不会损坏信息成为可能。在模拟系统中，与老化和磨损相关的噪声会使存储的信息恶化。在数字系统中，只要总噪声水平低于预定阈值，就可以完全恢复信息。只要错误数量不多，即使在噪声更严重的环境中，冗余也能恢复初始信息。
• 在某些情况下，数字电路完成相同功能所需的能耗要高于模拟电路，会产生更多热量，并且需要使用散热器等设备，从而使电路更加复杂。这可能会使数字系统难以用于电池或便携式供电设备。例如，低功耗模拟前端（analogue front-ends）经常用于电池供电的手机，以放大和调谐基站的无线电信号。基站可以使用耗能但高度适应性的软件无线电（software radios），因为它由电网供电。这些基站易于更新，以处理最新蜂窝标准所需的信号。
• 许多实际的数字系统需要将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。这会导致量化误差（quantization mistakes）。如果系统保存了足够多的数字数据来准确地表示信号，则可以最小化量化误差。奈奎斯特定理（Nyquist-Shannon sampling theorem）为忠实表示特定模拟信号所需数字信息量提供了关键基准。
• 在特定系统中，一个丢失或误读的数字数据点可能只会导致微小错误，而在其他系统中，有意义的连接数据块的含义可能会完全改变。例如，如果音频数据明确存储为线性脉冲编码调制（linear pulse-code modulation），则单比特错误最多只会导致一次可听见的咔哒声。然而，当音频压缩减少存储需求和传输时间时，单比特错误可能会产生更大的影响。
• 用户可能难以确定一个系统是否即将失效，还是能够承受更多的噪声而不会失效，这是因为“悬崖效应”（cliff effect）。通过使数字系统具有弹性，可以减少数字脆性（digital fragility）。例如，信号通道可以修改为包含奇偶校验位（parity bit）或其他错误管理技术。这些协议有助于系统识别错误，然后系统可以修复这些错误或请求重新传输数据。

数字电路的含义

数字电路是一种使用各种逻辑门（logic gates）的电路。通过逻辑门来区分不同的电源信号。电源信号可以通过不同的门发送到电子设备的各种组件。这将更容易产生输出信号，其能量水平与输入信号直接成比例。这些电路中的大多数都使用模拟组件。与模拟电路相比，它们具有更复杂的设计。

数字电路基础

数字电路由各种组件构成，每个组件都有特定的功能。在这个系统中，有有源和无源组件。二极管和晶体管是有源组件，而寄存器、电感器、电容器和其他无源组件是无源组件。此外，还需要一个能够为电路提供直流电源的电源。电路还可以包含其他测量和分析工具。

以下是一些电子电路的基本组成部分：

• 二极管（Diodes）：二极管是一种只允许电流单向流动的器件。二极管由半导体材料制成。
• 晶体管（Transistor）：晶体管本质上是一种三端半导体器件。它可以作为开关机制或放大器。
• 电阻器（Resistor）：在电路中，电阻器是抵抗电流流动的无源元件。电阻遵守欧姆定律。电阻分为固定电阻和可变电阻两种。

我们无法改变固定电阻的阻值。可变电阻允许我们根据需要调整电阻值。

• 电容器（Capacitor）：在两个导电板之间放置一个绝缘体来制造电容器。在电场中，电容器主要用于储存电能。
• 电感器（Inductor）：电感器利用磁场储存电能。它也用于抵抗电流变化。
• 电池（Battery）：电池是电气电路的另一个重要组成部分，作为电源。电池将化学能转化为电能。

逻辑门是数字电路最基本的部分。它们需要两个或多个输入，并产生一个输出。主要有三种类型的逻辑门：

• 基本门（Basic gates）：在此类门中，布尔函数可以表示为积之和（sum of products）或和之积（product of sums）。与门（AND）、或门（OR）和非门（NOT）是基本逻辑门。
• 通用门（Universal gates）：所有其他逻辑门都可以通过通用门构建，它们是逻辑的基础。与非门（NAND）和或非门（NOR）是两种通用门。
• 特殊门（Special gates）：异或门（EX-OR）和同或门（EX-NOR）是两种特殊门，它们分别是或门和或非门的两种特殊情况。

电系统的一个组成部分是开关，它可以控制通过电路的电流大小。