說說我瞭解的模擬電路與數字電路

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       模擬和數字,現在在初學者來看是兩個分立的部分,但其實本人感覺對於數字和模擬本身在非理想的狀況下並不是分立的,他們你中有我我中有你,而AD轉換本質上也是一種放大數字和模擬之間區別的一種方式。數字和模擬本是一體,學習和分析時最好常常拿來對比,加強和深化認識。

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有說所有電路都是模擬電路,數字電路只是模擬電路的一部分的;有說模擬電路和數字電路各成系統,井水不犯河水的;有說線性的就是模擬電路,非線性的就是數字電路的……不一而足。

昨天忽然想到這個問題,便一直想下去,卻總也想不出個結果。現在將所想到的貼出來,再和各位討論討論。

首先我們討論的是電路,油路水路氣路都不在討論範圍。

說到電,人類最早研究的是靜電。靜電因爲不能產生持續的電流,一般不認爲那是電路。只有在伏打於1799年發明了電池之後,能夠產生持續的電流了,纔有了電路。

最早的幾個著名電路是:

1800年尼科爾遜電解水,隨後戴維於1807年用電解法還原出金屬鈉和金屬鉀,後來又得到金屬鈣、鎂等。

1820年奧斯特發現通有電流的導線可以使磁針偏轉。

1826年歐姆通過實驗總結出後人所稱的歐姆定律。

1831年法拉第發現電磁感應定律。

現在的問題是:這些著名的電路,例如歐姆做實驗的電路,是不是模擬電路?

你可以選擇“是”,也可以選擇“否”。

有些人選擇“是”。他們選擇“是”的理由是:歐姆實驗中的電動勢電流等都是可以連續變化的,當然這是模擬電路。

此論言之有理。

選擇了“是”,那麼沒有一個電路不是模擬電路,包括數字電路在內。選擇“是”的人認爲數字電路只是模擬電路的一部分,用數學語言說,數字電路是模擬電路的一個真子集。

不過,既然所有的電路都是模擬電路,又何必在電路前面加上“模擬”二字呢?

還有一些人選擇“否”。他們選擇“否”的理由是:模擬和數字是對信號而言的。處理模擬信號的電路就是模擬電路,處理數字信號的電路就是數字電路,不處理信號的電路那就既不是模擬電路也不是數字電路。

此論也言之有理。

不過,這樣一來,“模擬是數字的基礎”就不成立了。世界上第一個處理信號的電路是1837年莫理斯發明的電報——有線電報。衆所周知,電報是由導線中電流“有”和“無”來傳輸信號的,所以電報毫無疑問是數字電路。數字電路的發明比第一個模擬電路——貝爾於1876年發明的電話早了差不多40年。

忽然又想到,電報不僅是數字電路,而且電報是串行傳輸信號的——只有一條線,電報還是異步的——沒有同步信號,所以電報還是第一個異步串行口。千萬別以爲有了計算機之後纔有異步串行口,早在計算機之前,甚至愛迪生髮明電燈之前,甚至西門子發明發電機之前,就有了同步串行口了。

有沒有既是模擬又是數字的信號?我們都知道,兩臺計算機要通過電話線傳遞信息,需要用調制解調器。發送的一方用調製器,接收的一方用解調器。調制解調器在電話線上傳送的信號,用示波器看,雖然有些歪歪扭扭,大體上看着和正弦波差不太多(調相),這應該說是模擬信號。可是,它是離散取值的,就是說,是數字信號。倒底是什麼,我也拿不準。

看來,模擬與數字的關係,還得繼續討論下去。

其實,模擬這個詞怎麼來的並不要緊,

區別是存在的,它僅是個稱呼而已。

我沒看過最近的討論,估計內容已經綜合在maychang的帖子中了。

這裏討論的模擬與數字的關係問題涉及了三個內容:

A。硬件電路的自然屬性

B。模擬電路的分類及屬性

C。數字電路的分類及屬性

對於A,電路的材料取自於自然界,無論是天然的材料還是人工改造的器件,其特性都是遵循自然規律的。當電路工作時,被利用的材料、器件等並不知道自己在爲什麼目的工作,只是按照自身的特性對外界的變化產生反應。無論是歐姆原理的實驗電路還是集成電路,也無論產生的結果是線性的還是非線性的、連續的還是脈衝的、週期的還是非週期的,等等,它們的反應靠的是硬件電路的自然屬性,不管人們主觀上將它們歸於哪類。變化的連續性是它們的共性,也是自然界物理量的共性。

與客觀的自然屬性相對照的是主觀的分類。C是主觀分類的結果,B是C的對照物,也是主觀分類的結果。B和C必須同時存在,並且都是以A的全部或者部分爲依託的。

在主觀分類上,以脈衝電路爲例,不少人把它劃入數字電路,因爲數字電路大量地用到脈衝電路。但是如果我的目的是要產生一個或者數個有一定指標要求的脈衝,比如指標有脈衝寬度、高度、沿的上升速率、下降速率、過沖,等等,對這些電量的控制,你是考慮它的電特性還是比如0、1的數字特性?顯然,這些量和控制手段跟數字內容是沾不上邊的。脈衝電路可以是模擬的。

當脈衝屬於數字量時,需要人爲地對其賦予某些含義,比如“有”或“無”,“0”或“1”等。對這類電路類別的劃分,我還是持以前的觀點:當你關注數字量時,該電路爲數字電路;當你關注電量時,該電路爲模擬的-我中有你。關注電量的例子有:信號的完整性、消除阻尼振盪、信號的延時、干擾,等等。

作爲數字電路對照面的模擬電路B,它不需要象數字電路那樣對其結果賦予額外的含義,其結果是電路自然屬性使然。也就是說,B與A之間有着天然的聯繫。這樣,在給“A和B歸於同類”找到理由的同時,也給忽視兩者的區別打下了基礎。

在當今複雜的調製、解調技術和電路中,輸入、輸出可以各是、或者同是數字量,中間處理過程中量的性質是難以用波形來區分的,僅用輸入、輸出是否爲數字量來區分這些電路是否屬於數字電路會是行不通的。由此有“混合信號、混合電路”一說。“混合”是對上述純數字性質的否定,言外之意,被否定的部分屬於模擬。如果先把混合電路的內容排除在外,模擬與數字討論的結果可能會清晰一些。

不一定嚴謹的小結:

A是不依賴於主觀(B、C)的客觀存在;B和C是建立在A上的主觀產物,B和C對照共存;B和A因其自然屬性而存在着天然的聯繫;客體上B可以全部接納A,兩者的區別就在於各自的主、客觀屬性上。

事實上,典型的模擬電路並不是連續的。如反饋放大器,由於放大器本身的放大倍數有限,從而有了最小靈敏度的問題,既然有了最小靈敏度的問題,那麼就說明它不是連續的。現在產業論壇有個帖子說他的溫度測量(-2~35)℃達到±0.02 ℃的準確度(精度)。這個問題還不能單單從它給的結果來說,如果所謂的±0.02 ℃對應的模擬信號電平梯度小於放大器的最小靈敏度,那麼,它的結果顯然是用了普通人不易識破的障眼法----軟件擬合。不要輕易給騙過去了。

模擬電路,我想並不是因爲脈衝的存在就說它是數字電路。如同樓上各位講的開關電源、脈衝寬度調整等等。數字電路必須賦予它數字意義,不然,談不上數字電路。脫離數字意義談數字電路,似乎沒有什麼價值。數字電路的本質是模擬電路的脈衝電路,當脈衝賦予數字意義時,才稱爲數字電路。

講到數字電路,必然涉及邏輯判斷的問題。涉及判斷問題自然涉及模擬電路。這下,邏輯電路算不算數字電路呢?還是一言難盡。我通常認爲,數字電路是簡化了的模擬電路,數字電路必須溶入到模擬電路中才能正常工作,數字電路只需關心邏輯標準,不必關心傳統意義上的連續不連續的問題。而判斷一個電平是否革命既定的邏輯標準,必須由模擬電路來實現,亦即判斷一個信號是不是符合數字邏輯的標準,完全是模擬上的問題。這就更加證明了,數字電路只是對於信號的意義而言,決不是對於信號的波形而言。因此,一切所謂的數字電路事實上就是模擬電路。換言之,數字電路的說法並非是講電路實質而是講電路中信號的意義,它的正確說法應當是模擬電路的數字意義。
關於觀點的統一

“模擬電路”的叫法,據網上的搜索,是出於電路用電量對物理量的模擬。

但是當把這種性質的電路與數字應用電路進行對比,並因此將電路從硬件上分爲模擬和數字兩類時,探討模擬與數字更深層性質的區別就是不可避免的了,模擬的含義也因此將覆蓋更廣泛的電路而脫離原始電路的侷限。

目前看來,不統一在於基於現有硬件分類的解釋和基於硬件不可分類的解釋。而後者是更接近底層性質的表達。要統一,就需要聚焦在最基本的性質上,現有的硬件分類就不一定合適了。


蘿蔔白菜各有所愛,認可哪種分類並不要緊,只要能分辨出各種區別就可以了。

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