当前课程知识点：电子信息科学与技术导引(1) > 第三讲：电路抽象 > 第九节 数字化抽象 > 第九节 数字化抽象
下面我们来讲第九小节
数字化抽象
前面我们考察了
MAP图的第二层
电势与电路下一节课
将会讨论第三层比特与逻辑
下面我们就简要地分析一下
从第二层如何
抽象到第三层
这个抽象我们称其
为数字化抽象
首先什么是数字化
数字化就是离散化
将时间连续和幅度
连续的模拟信号
时间离散化和幅度
离散化为数字信号
那么这里就存在三个问题
第一为什么要数字化
第二离散化就是把
连续不可数变成离散可数
信息必然会受损
那么离散化后信息
受损是否可以承受呢
第三离散化为二进制
0、1或逻辑0、1后
如何用电路实现
这个逻辑0、1
首先回答为什么
要数字化对这个
问题的回答下节课会
有更详尽的分析
这里仅从信号
处理角度看
我们说有两点
第一数字化后信息可存储了
模拟量的存储十分困难
容易受损容易丢失
而数字量的存储则
相对简单至少离散化后
存储空间要求是量化的
我们还可以通过编码技术
对存储过程中出现的
错误进行纠正
第二信号处理技术
变得十分简单从而
应用变得丰富多彩
除了放大振荡等
同时伴随着能量
转换的信号处理
无法数字化处理
也就是说我们无法用
逻辑0、1来实现信号
放大和产生对于
那些不纠结能量转换的
其它的信号处理功能
都可以在数字域完成
包括滤波变频调制解调等
同时模拟域不能实现
或难以实现的数据压缩
编码在数字域都
变得十分简单
下面我们来回答
第二个问题数字化
以后信息是否受损
数字化包括时间
离散和幅度离散
对于时间离散由
奈奎斯特-香农
采样定理来保证
只要采样频率高于
信号带宽的2倍
信息就没有损失
因而时间离散带来的
信息受损是可控的
我们只要控制了
采样频率和模拟
信号的带宽就
控制了信息受损程度
对于幅度离散
就是把一段连续的
电压幅值用一个离散的
数值来替代这
一定会引入量化误差
只要量化误差等效的
噪声功率低于
系统噪声功率
幅度离散化带来的
信息受损就是可忽略的
因为系统可处理的
信息已经被系统噪声
限制死了只要量化
噪声足的够小
就可以忽略不计
那么剩下的就是
第三个问题如何
利用电路来实现逻辑0、1
我们注意到开关有
闭合和断开两种状态
恰好对应二值逻辑01
因而数字电路
可以用开关来实现。
如图所示当开关闭合后
输出电压为0
对应逻辑0状态输出
当开关断开后
输出电压为电源电压5V
对应逻辑1的状态输出
当我们用N沟道MOS场
效应晶体管实现
开关的时候
该电路就是可实现
逻辑求非的非门电路
当输入电压为
低电平逻辑0时
晶体管是截止的
开关断开输出就是
高电平逻辑1
当输入电压为
高电平逻辑1的时候
晶体管欧姆导通
开关闭合了输出为
低电平逻辑0
大家会看到输入为0
输出就是1输入为1
输出就是0显然
这个电路实现了
逻辑求非功能
这种NMOS非门电路
最大的问题是功耗
当NMOS开关断开时
这条支路没有电流
电源无需输出电能
也就是说输出逻辑
1时静态功耗为0
但是当NMOS开关处于
闭合状态时电源
电压加载到电阻上
就有电流流下来
电源需要输出电能
也就是说输出逻辑0时
NMOS非门有很大
的静态功耗怎么来
解决这个问题呢
我们可以采用CMOS工艺
所谓CMOS就是互补MOS
它利用了PMOS场效应
晶体管和NMOS场效应
晶体管两种开关的互补特性
如图所示上面是PMOS开关
下面是NMOS开关
当输入为高电
平逻辑1的时候
NMOS开关是闭合的
PMOS开关则是断开的
于是输出为低电平逻辑0
当输入为低
电平逻辑0的时候
NMOS开关断开了
但是PMOS开关又闭合了
于是输出为高电平逻辑1
不管是哪种状态输出
两个开关总是有一个断开的
因此电源都不需要输出电能
也就是说CMOS非门在
输出逻辑1或逻辑0的时候
静态功耗极小
几乎可以认为没有静态功耗
前面我们用开关实现了
逻辑求非功能
我们还可以利用
开关的串联来实现
逻辑求与的功能
用开关的并联实现
逻辑求或的功能
这里是两个开关的串联
当这两个开关串联的时候
两个开关必须同时
逻辑1闭合的时候
才能形成逻辑1的导通
两个开关中有一个
开关逻辑0断开
则无法形成通路
对应着逻辑0也就是说
两个输入都是逻辑1的时候
输出才是逻辑1
这种逻辑运算就是与运算
当两个开关并联的时候
两个开关中只要有
一个逻辑1闭合
就能形成逻辑1的导通
只有两个开关同时
逻辑0断开了
才无法形成通路
对应着逻辑0
也就是说两个输入
有一个是逻辑1时
输出就是逻辑1
这种逻辑运算就是或运算
我们可以利用与运算
或运算和非运算
实现逻辑判断功能
下节课会说到
我们还可以将数学运算
如加减乘除等
转化为与或非逻辑运算
而与或非逻辑运算
采用开关就可以实现
开关又可以
晶体管来实现
尤其是采用CMOS工艺以后
静态功耗极小
从而CMOS工艺成为
数字电路的主流工艺
数字电路只有两个状态
逻辑1状态和逻辑0状态
它的容差性极强
不容易受到干扰
就算有干扰出现了误码
也可以通过编码检错纠错
在传输过程中不会
导致误差的积累
同时我们采用CMOS工艺以后
数字电路的功耗极低
而晶体管自身的面积又极小
因而可以在一个很
的空间内大规模地
集成众多晶体管
比如说当前PC机
它的CPU就集成了
10亿量级的晶体管
从而我们可以用它
来实现复杂的运算
处理和控制功能
最后我们来做一个小结
数字电路可以采用
开关实现逻辑运算功能
开关又可以用晶体管
电路来实现数字电路
抗干扰能力强功耗低
面积小因而可以
大规模地集成
形成复杂的运算和控制系统
因而数字化是一个趋势
信息化的社会
必然是数字化的
然而模拟电路并
不能完全被替代
第一点同时伴随能量转换
或者通过能量转换才能
实现的的信号处理功能
无法用逻辑01运算来实现
如放大器振荡器
传感器等等必须以
模拟电路形态存在
我们没办法用纯的逻辑01
运算来实现一个信号放大
第二 有些信号处理功能
不得以必须在模拟域来实现
比如说模拟到数字转换
这种ADC之前的抗混叠滤波器
必须在模拟域完成
对信号的滤波限带功能
第三GHz以上的高频或
射频信号处理
由于频率过高
目前的数字电路或者
因为寄生电容等寄生
效用导致无法工作在
更高的时钟频率上
或者数字集成芯片
自身无法承受如此
高频所带来的动态功耗
因而极高频率的射频信号
只能在模拟域进行信号处理
但是我们又希望能够
利用数字信号处理的
灵活性所以我们可以
把高频的信号下变频到低频
然后在低频再通过
模数转换将它转换到数字域
再进行数字信号处理
第四点当数字电路
时钟频率很高的时候
由于寄生效应的影响
数字电路的工作状态接近于
模拟电路我们需要用模拟
电路设计理念来
设计高速数字电路
高速数字电路
才能正常工作
好。MAP图中电势与
电路这一层的
内容到此为止
电势与电路这一层是物质
能量信息的交汇点
MAP图后面的层次则
更多地关注信息的
表述和信息的处理
而电路正是信息
处理的物理层基础
欢迎同学们继续进入
更高一层次抽象
逻辑与比特的学习
谢谢
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁学和分析数学发展史：磁学
-第三节 电磁学与分析数学发展史：静电
-第四节 电磁学和分析数学发展史：动电
-第五节 电子器件的发明及电子技术的发展
-第六节 电磁学的广泛应用
-第七节 电磁系统理论
-第八节 电子科学技术各学科间的关系
-第九节 电子科学技术的学科体系
-第一讲：电磁学与分析数学史概览--第一次作业
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁场（一）
-第三节 电磁场（二）
-第四节 物质
--第四节 物质
-第五节 电磁场与物质的相互作用：非共振作用
-第六节 电磁场与物质的相互作用：共振作用
-第七节 电磁场理论与电路理论
-第一节 空间离散化
-第二节 静场电路分析
-第三节 非静场电路抽象
-第三讲：电路抽象--电路抽象 练习题
-第四节 电路元件抽象
-第五节 非线性元件抽象
-第六节 电路抽象三原则
-第七节 分层抽象思想
-第八节 电路基本问题
-第九节 数字化抽象
-第三讲：电路抽象--Quiz 3
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 什么是比特
-第三节 比特与编码
-第四节 比特与信息
-第五节 比特的用途示例
-第六节 什么是逻辑
-第七节 逻辑的用途示例
-第八节 与数字电路的关系
-第九节 小结
--第九节 小结
-第四讲：比特与逻辑--Quiz4
-第一节：从算盘到ENIAC
-第二节：通用计算机模型
-第三节：指令集体系结构
-第四节：程序和程序设计语言
-第五节：处理器的工作原理
-第六节：性能问题
--第六节：性能问题
-第七节：小结
--第七节：小结
-第一节：数据与数据处理技术的发展
-第二节：数据处理举例
-第三节：数据模型和算法的概念
-第四节：问题的抽象和建模
-第五节：数值分析问题研究
-第六节：数据和算法的关系I
-第七节：数据和算法的关系II
-第八节：大数据
--第八节：大数据
-第九节：数据挖掘技术和数据算法的展望
-第六讲：数据与算法--Quiz6
-第一节：基本内容简介
-第二节：信息的基本概念和传输的几种方式
-第三节：交换的概念和网络的几种形式
-第四节：模拟与数字通信
-第五节：调制和解调
-第六节：传输涉及的基本理论
-第七节：信息论和几种相关的编码方式
-第八节：多址方式
--第八节：多址方式
-第九节：交换的基本概念
-第十节：网络分层的基本概念
-第十一节：互联网的基本原理和有限状态机模型
-第七讲：通讯与网络--Quiz7
-第一讲：内容简介
--第一讲：内容简介
-第二讲：信息与媒体
-第三讲：人类感知与认知
-第四讲：智能信息处理
-第五讲：媒体与认知相互作用
-第六讲：媒体认知应用
-第七讲：总结
--第七讲：总结
-第八讲：媒体与认知--Quiz8
-期末考试--Final Exam
