模拟电路与数字电路的区别辨析

【摘 要】随着科学技术的突飞猛进,电子电路的自身功能不断增强,系统规模不断扩大,应用领域不断拓展,与人类生产、生活的密切度不断提升.电子电路按照功能可以分为数字电路和模拟电路两大类,这两种电路有着诸多显著的区别,辨析清楚两者的区别对电子电路的改进、设计和研发有着十分重要的意义.

【关 键 词】模拟电路,数字电路,区别辨析

Abstract：Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,electroniccircuit’unctionioreprehensiveandsystemscalebeeslargerandlarger,soitcanbeappliedinwiderfieldsandclosertohumanproductionandlife.Electroniccircuitcanbedividedintotwomajorcategories,digitalcircuitandanalogcircuit,accordingtotheirfunction.Therearemanynotabledifferencesbetweenthetwokindsofcircuits.Itisofextremelyvitalsignificancetodistinguishthetwoclearly,soastoimprovethedesignandoptimizationofelectroniccircuit.

Keywords：analogcircuit,digitalcircuit,difference

随着科学技术的突飞猛进,电子电路的自身功能不断增强,晶体管的尺寸不断减小,系统规模不断扩大,应用领域不断拓展,与人类生产、生活的密切度不断提升.电子电路按照功能可以分为数字电路和模拟电路两大类.模拟电路是处理连续函数形式的模拟信号的电子电路.数字电路是用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路,又称数字逻辑电路（以“开”、“关”两种状态或者以高、低电平来对应“1”和“0”二进制数字量）.模拟电路和数字电路有着显著的区别.

1.信号变化的特点不同

模拟信号的大小是随着时间连续变化的,即模拟信号在时间和数值上是连续的,幅值可由无限个数值表示.而数字信号在时间和数值上是离散的,幅值表示被限制在有限个数值之内.因此,模拟电路更加关注电压、电流的具体值,而数字电路则更加关注电平的高低.

2.处理信号的手段不同

模拟电路和数字电路都是信号变化的载体,对模拟信号能够执行的操作,如滤波、放大、限幅等都可以对数字信号进行操作.

模拟电路对信号的处理主要是通过场效应管的放大特性来实现的,当然还包括电阻、电容、二极管、双极型晶体管等元器件的特性,最终利用一定的数学模型所组成的运算网络来实现.处理方式有测量电桥、信号放大、信号滤波、调制解调、信号变换和AD变换.而数字电路对信号的传输主要是通过场效应管的开关特性来实现操作的,并由场效应管构成与或非等基本门电路、触发器、寄存器、编码/译码器、算术逻辑单元等完成复杂的算术与逻辑操作.

尽管模拟电路和数字电路对信号的处理方式不同,但其实从根本上来说,所有的数字电路都是模拟电路,其基本的电学规律、电学原理,都与模拟电路一致.例如,用PMOS管和NMOS管可以构成互补式CMOS电路,其对称且互补的结构,恰好使其能处理高低数字逻辑电平.

3.信号抗扰动能力的强弱不同

通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声,把来自外部原因的扰动称为干扰,干扰有一定的规律性,可以减少或消除.

在模拟电路中,由于信号几乎完全将真实信号按比例表现为电压或电流的形式,造成模拟电路对于噪声的影响比数字电路更加敏感,模拟电路系统中各个不同部分的偏差积累起来,使得偏差量的负面影响变得较为显著.模拟信号在多次处理和长距离传输的过程中,波形会发生改变,若处理不当,将造成信息损失,具体表现为图像、声音失真,严重时甚至会出现信号中断现象.通过使用屏蔽导线,或者在电路中引入低噪声运算放大器,可以尽量缓解噪声的负面影响.而数字电路是由许多的逻辑门组成的电路,信息只取决于高低电平,只要信号的偏差在一定范围内,就不会造成误码.

因此,从信号处理的角度看,对信息进行量化的数字电路系统比模拟电路系统抵御噪声的能力、信号抗干扰能力更强,信号的精度更高.

4.电路设计的难易程度不同

模拟电路的设计常常需要更多的手工运算,其设计过程的自动化程度低于数字电路,因此模拟电路的设计通常比数字电路的设计更难,对设计人员的水平和能力要求更高.这也是数字电路系统比模拟电路系统更加普及的原因之一.但是因为自然界的大多数实际信号是模拟的,所以数字式电子设备、电子产品要在真实的物理世界中得到应用,就离不开一个模拟的接口.例如,数字电视机的基本原理就是将电视台送出的图像及声音信号数字化后调制发送,由数字电视接收后,解调还原出原来的图像及声音.因为全程均采用数字技术处理,因此,信号损失小,接收效果好.

目前电路设计自动化程度日益上升,常用的电子电路设计和分析软件主要有：EWB、PSPICE、Protel、Mentor、Graphics、Synopsys、Cadence等等.我们根据软件功能分为以下几类：

（1）电子电路设计与仿真工具

包括SPICE/PSPICE、EWB、Matlab、SystemView等.它们可以进行各类电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出,并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果.（2）PCB设计软件

包括Protel、AutiumDesigner等.这两者功能类似,都包含了原理图绘制、印刷电路板设计、模拟电路与数字电路混合信号仿真、可编程逻辑器件设计等功能,界面友好、使用方便,目前主要用于电路设计和PCB设计.

（3）IC设计软件

Cadence、MentorGraphics和Synopsys是ASIC设计领域相当有名的软件供应商,提供的软件都非常适用于深亚微米的IC设计.对于模拟电路而言,普遍使用HSPICE,是因为它的模型最多,仿真的精度也最高,可以满足大多数设计者的需要.

（4）PLD设计工具

PLD是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路.目前主要有两大类型：CPLD和FPGA.由于PLD的在线编程能力和强大开发软件（如Xilinx公司的ISE、Altera公司的Quartus）的存在,工程师可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内,大大缩小了电路的尺寸以及开发周期.

5.总结

模拟电路和数字电路有着诸多显著的区别,辨析清楚两者的区别对电子电路的改进、设计和研发有着十分重要的意义.

人类电子学发展史上第一个被发明出来并得到大规模生产的器件是模拟的.后来随着微电子学的发展,数字技术的成本大大降低,加之计算机对于数字信号的要求,使得数字式的方法在人机交互等领域具有可行性和较高的性价比.当然,尺有所长,寸有所短,模拟电路和数字电路有着各自的优缺点,适用的方向也不同.电子电路的发展,经历了从模拟到数字的进步,但不等于数字电路可以完全取代模拟电路,也不能简单地说哪一个更实用、更有效.我们设计电路时,应该扬二者之长,避二者之短,使两者融为一体、交相辉映（如数模混合电路、数字模拟电路、模拟数字电路）,从而达到电路体积更小、功能更强、功耗更低、成本更低、集成度更高、稳定性更好、可靠性更高的理想效果.

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