1.1.1 数字信号及其描述方法

1.模拟信号与数字信号

自然界中绝大多数物理量，如温度、压力、速度、流量、位移等，一般都具有在时间和数值上连续变化的特点，称为模拟量。在生产或工程应用中，许多待控制和测量对象在实现控制和测量等功能时，将其对应的各种温度、压力、速度等模拟量（非电物理量）通过传感器转变为相应的电压或电流信号，这些电信号模拟了实际的物理量，所以称为模拟信号。模拟信号再由模数转换器（ADC）转换为对应的二进制数字信号，才能被计算机、单片机等数字处理系统所识别，进而实现控制、测量等功能；计算机、单片机对这些数字信号进行各种计算和处理后的数字输出量需要经过数模转换器（DAC）转换为相应的模拟输出量，进而去驱动执行机构，实现被控制的物理量按照预先的设定变化，计算机自动控制系统如图1-1所示。

信号分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号是在时间和数值上连续的电信号，例如人们常用温度传感器将温度转化为电压信号，如图1-2a所示。产生、传送、接收、处理模拟信号的电子电路叫做模拟电路。随着计算机的广泛应用，绝大多数电子系统都采用计算机来对信号进行处理。由于计算机无法直接处理模拟信号，所以需要将模拟信号进行取样、保持、量化、编码。为便于理解，选取量化单位为1V，用取样点的值除以量化单位并按照“四舍五入”方式取二进制整数，如图1-2b所示A点、B点、C点的数值分别为1.6V、1.7V、2V，四舍五入量化后的数值都是2V，都用010表示。按照此方法，最终一个连续的模拟信号就变成了在时间和数值上都离散，并且能用多位二进制数表示的数字信号，如图1-2b所示，只考虑时间轴上整点的温度值，这实际上是对温度曲线的特定点处进行取样。取样越密，取样值就越多，其取样信号的包络线也就越接近模拟信号的波形。可见，如果取样点足够多，量化单位足够小，数字信号就可以较真实地反映模拟信号。产生、传送、接收、处理数字信号的电子电路叫做数字电路。如何实现模拟信号向数字信号的转化（数字化）是我们将要研究的数字电路问题。

2.数字信号的描述方法

在数字电路中，数字信号的描述方法是采用二值数字逻辑、逻辑电平及对应的数字波形来表示。

数字信号可以用两个离散值1和0来表示。1和0表示数值的大小时，称为二进制数。1和0也可以用来描述客观世界中两种相互对立的状态，比如是否、开关、高低、通断、亮灭等，此时，1和0表示的不再是数值，而是两种对立的逻辑状态，称为二值数字逻辑1和逻辑0，简称数字逻辑，可以进行逻辑运算和逻辑判断，实现数字电路的各种功能，所以又将数字电路称为数字逻辑电路。

数字信号还可以用逻辑电平来表示。在数字电路中，电子器件导通和截止时输出的高低电平统称为逻辑电平。逻辑电平通常与一定范围内的电压值相对应，如图1-3所示。电压值在V_Lmin到V_Lmax范围内称为低电平，通常用逻辑0表示。电压值在V_Hmin到V_Hmax范围内就称为高电平，通常用逻辑1表示。电压值在中间V_Lmax到V_Hmin范围内，电路无法准确判别其为何种电平，这有可能使电路产生逻辑错误。因此，该范围为不允许的电平范围，未定义，不允许使用，这种表示称为正逻辑体制，是一种常用的表示方法。本书将采用这种逻辑体制。实际电路中总是存在噪声和干扰。它们通常叠加在原信号之上，使信号产生畸变。作为数字信号，只要噪声和干扰不使信号超出原高低电平的取值范围，则信号的电平维持不变，仍然能够被正确地识别和判定，恢复出原数字信号。但是对于模拟信号，其叠加的噪声和干扰则很难完全消除。因此，与模拟信号相比，数字信号具有较强的抗干扰能力。

数字信号的第三种表示方法为数字波形。数字波形是逻辑电平相对于时间的图形表示。当电路的电压值在高电平和低电平之间变化时，就可以将电压值随时间变化的关系用脉冲波形表示出来。在只关注各信号之间的逻辑关系时，通常将数字波形画成理想波形，图1-4a所示的波形标出了时间及幅值。在同一数字系统中，通常采用统一的逻辑电平标准，因此，数字波形不标注高、低电平的电压值，同时也不画时间轴，如图1-4b所示。