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模拟与数字

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楼主
maychang|  楼主 | 2007-4-19 07:31 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
  最近一段时间,本坛又有几帖讨论模拟电路与数字电路的关系。
  其实这个问题,先前已经讨论过多次了。网友各抒己见,有说所有电路都是模拟电路,数字电路只是模拟电路的一部分的;有说模拟电路和数字电路各成系统,井水不犯河水的;有说线性的就是模拟电路,非线性的就是数字电路的……不一而足。
  昨天忽然想到这个问题,便一直想下去,却总也想不出个结果。现在将所想到的贴出来,再和各位讨论讨论。
  首先我们讨论的是电路,油路水路气路都不在讨论范围。
  说到电,人类最早研究的是静电。静电因为不能产生持续的电流,一般不认为那是电路。只有在伏打于1799年发明了电池之后,能够产生持续的电流了,才有了电路。
  最早的几个著名电路是:
1800年尼科尔逊电解水,随后戴维于1807年用电解法还原出金属钠和金属钾,后来又得到金属钙、镁等。
1820年奥斯特发现通有电流的导线可以使磁针偏转。
1826年欧姆通过实验总结出后人所称的欧姆定律。
1831年法拉第发现电磁感应定律。
  现在的问题是:这些著名的电路,例如欧姆做实验的电路,是不是模拟电路?
  你可以选择“是”,也可以选择“否”。
  有些人选择“是”。他们选择“是”的理由是:欧姆实验中的电动势电流等都是可以连续变化的,当然这是模拟电路。
  此论言之有理。
  选择了“是”,那么没有一个电路不是模拟电路,包括数字电路在内。选择“是”的人认为数字电路只是模拟电路的一部分,用数学语言说,数字电路是模拟电路的一个真子集。
  不过,既然所有的电路都是模拟电路,又何必在电路前面加上“模拟”二字呢?
  还有一些人选择“否”。他们选择“否”的理由是:模拟和数字是对信号而言的。处理模拟信号的电路就是模拟电路,处理数字信号的电路就是数字电路,不处理信号的电路那就既不是模拟电路也不是数字电路。
  此论也言之有理。
  不过,这样一来,“模拟是数字的基础”就不成立了。世界上第一个处理信号的电路是1837年莫理斯发明的电报——有线电报。众所周知,电报是由导线中电流“有”和“无”来传输信号的,所以电报毫无疑问是数字电路。数字电路的发明比第一个模拟电路——贝尔于1876年发明的电话早了差不多40年。
  忽然又想到,电报不仅是数字电路,而且电报是串行传输信号的——只有一条线,电报还是异步的——没有同步信号,所以电报还是第一个异步串行口。千万别以为有了计算机之后才有异步串行口,早在计算机之前,甚至爱迪生发明电灯之前,甚至西门子发明发电机之前,就有了同步串行口了。
  有没有既是模拟又是数字的信号?我们都知道,两台计算机要通过电话线传递信息,需要用调制解调器。发送的一方用调制器,接收的一方用解调器。调制解调器在电话线上传送的信号,用示波器看,虽然有些歪歪扭扭,大体上看着和正弦波差不太多(调相),这应该说是模拟信号。可是,它是离散取值的,就是说,是数字信号。倒底是什么,我也拿不准。
  看来,模拟与数字的关系,还得继续讨论下去。
  

相关帖子

来自 2楼
jz0095| | 2007-4-21 15:59 | 只看该作者

其实,模拟这个词怎么来的并不要紧,

区别是存在的,它仅是个称呼而已。

我没看过最近的讨论,估计内容已经综合在maychang的帖子中了。

这里讨论的模拟与数字的关系问题涉及了三个内容:
A。硬件电路的自然属性
B。模拟电路的分类及属性
C。数字电路的分类及属性

对于A,电路的材料取自于自然界,无论是天然的材料还是人工改造的器件,其特性都是遵循自然规律的。当电路工作时,被利用的材料、器件等并不知道自己在为什么目的工作,只是按照自身的特性对外界的变化产生反应。无论是欧姆原理的实验电路还是集成电路,也无论产生的结果是线性的还是非线性的、连续的还是脉冲的、周期的还是非周期的,等等,它们的反应靠的是硬件电路的自然属性,不管人们主观上将它们归于哪类。变化的连续性是它们的共性,也是自然界物理量的共性。

与客观的自然属性相对照的是主观的分类。C是主观分类的结果,B是C的对照物,也是主观分类的结果。B和C必须同时存在,并且都是以A的全部或者部分为依托的。

在主观分类上,以脉冲电路为例,不少人把它划入数字电路,因为数字电路大量地用到脉冲电路。但是如果我的目的是要产生一个或者数个有一定指标要求的脉冲,比如指标有脉冲宽度、高度、沿的上升速率、下降速率、过冲,等等,对这些电量的控制,你是考虑它的电特性还是比如0、1的数字特性?显然,这些量和控制手段跟数字内容是沾不上边的。脉冲电路可以是模拟的。

当脉冲属于数字量时,需要人为地对其赋予某些含义,比如“有”或“无”,“0”或“1”等。对这类电路类别的划分,我还是持以前的观点:当你关注数字量时,该电路为数字电路;当你关注电量时,该电路为模拟的-我中有你。关注电量的例子有:信号的完整性、消除阻尼振荡、信号的延时、干扰,等等。

作为数字电路对照面的模拟电路B,它不需要象数字电路那样对其结果赋予额外的含义,其结果是电路自然属性使然。也就是说,B与A之间有着天然的联系。这样,在给“A和B归于同类”找到理由的同时,也给忽视两者的区别打下了基础。

在当今复杂的调制、解调技术和电路中,输入、输出可以各是、或者同是数字量,中间处理过程中量的性质是难以用波形来区分的,仅用输入、输出是否为数字量来区分这些电路是否属于数字电路会是行不通的。由此有“混合信号、混合电路”一说。“混合”是对上述纯数字性质的否定,言外之意,被否定的部分属于模拟。如果先把混合电路的内容排除在外,模拟与数字讨论的结果可能会清晰一些。

不一定严谨的小结:
A是不依赖于主观(B、C)的客观存在;B和C是建立在A上的主观产物,B和C对照共存;B和A因其自然属性而存在着天然的联系;客体上B可以全部接纳A,两者的区别就在于各自的主、客观属性上。

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板凳
jz0095| | 2007-4-20 13:11 | 只看该作者

maychange的认真态度实在可嘉,

以至于说错了也值得回复一下。

我这里先冒个泡,等有空了再回复。

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地板
maychang|  楼主 | 2007-4-20 13:55 | 只看该作者

I am waiting for you .

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5
HWM| | 2007-4-20 16:21 | 只看该作者

这实际上是一个信息表达的成本和可靠性的问题

用分离物理量来表达信息比用连续量可靠性高大家都明白(因为有冗余)。
但用怎样的分离量形式来表示信息成本最低呢,可证明有e进制时成本最低,这样取整,2或3进制就是可选的值。但对于我们所掌握的技术来看,用2进制更为可行。这样就形成了目前的数字电路形式。

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6
小嘿| | 2007-4-20 18:13 | 只看该作者

我感兴趣的是"模拟"这个概念怎么来的

是谁提出的

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7
awey| | 2007-4-20 19:40 | 只看该作者

这个真的没关心过,觉得与研究和应用的角度不同有关

比如,一个数字集成电路,对使用者来说,是数字电路,但对IC设计的人来说,可能是个模拟电路。

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8
and| | 2007-4-21 19:17 | 只看该作者

同意楼上,有个范畴的问题

用微分方程计算的是模拟电路,用布尔代数计算的是数字电路,即使计算的对象可能是同一个客观实体。

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9
maychang|  楼主 | 2007-4-21 20:38 | 只看该作者

jz0095 果然不凡

本人此帖意图抛砖引玉,看来初步达到目的。

本坛曾有一帖,谈开关电源是模拟电路还是数字电路。
经 jz0095 这么一分析,结论就很明显了:开关电源中当然是脉冲工作,但我们关心的是脉冲的宽度或占空比而非“有”、“无”的数字特性,所以开关电源本身是模拟电路。当然,有可能加入单片机之类来做键盘、显示甚至控制工作,那一部分是数字电路,在那里我们关心的不是脉冲宽度等,而是高电平低电平的数字特性。

请各路高人继续。

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10
thw| | 2007-4-22 01:10 | 只看该作者

我觉得是从逻辑上分吧

既然是电路,必然有他的电气属性,所有电路都是“模拟电路”

但是数字电路的重点已经不在电路上了。所以很多教材已经把数字电路的教学改名叫 数字逻辑 了

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11
iC921| | 2007-4-22 07:19 | 只看该作者

一言难尽

事实上,典型的模拟电路并不是连续的。如反馈放大器,由于放大器本身的放大倍数有限,从而有了最小灵敏度的问题,既然有了最小灵敏度的问题,那么就说明它不是连续的。现在产业论坛有个帖子说他的温度测量(-2~35)℃达到±0.02 ℃的准确度(精度)。这个问题还不能单单从它给的结果来说,如果所谓的±0.02 ℃对应的模拟信号电平梯度小于放大器的最小灵敏度,那么,它的结果显然是用了普通人不易识破的障眼法----软件拟合。不要轻易给骗过去了。

模拟电路,我想并不是因为脉冲的存在就说它是数字电路。如同楼上各位讲的开关电源、脉冲宽度调整等等。数字电路必须赋予它数字意义,不然,谈不上数字电路。脱离数字意义谈数字电路,似乎没有什么价值。数字电路的本质是模拟电路的脉冲电路,当脉冲赋予数字意义时,才称为数字电路。

讲到数字电路,必然涉及逻辑判断的问题。涉及判断问题自然涉及模拟电路。这下,逻辑电路算不算数字电路呢?还是一言难尽。我通常认为,数字电路是简化了的模拟电路,数字电路必须溶入到模拟电路中才能正常工作,数字电路只需关心逻辑标准,不必关心传统意义上的连续不连续的问题。而判断一个电平是否革命既定的逻辑标准,必须由模拟电路来实现,亦即判断一个信号是不是符合数字逻辑的标准,完全是模拟上的问题。这就更加证明了,数字电路只是对于信号的意义而言,决不是对于信号的波形而言。因此,一切所谓的数字电路事实上就是模拟电路。换言之,数字电路的说法并非是讲电路实质而是讲电路中信号的意义,它的正确说法应当是模拟电路的数字意义。

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maychang|  楼主 | 2007-4-22 14:41 | 只看该作者

继续

74HC系列(包括比较早的LS等)通常我们认为是数字电路,但并非全都如此。
例如74HC123,这是单稳态电路。显然我们关心的不是其输入输出的逻辑意义,而是脉冲宽度,这是模拟电路。
还有一些芯片,倒底是模拟电路还是数字电路,要看用在何处。例如74HC04,有两个名字,一个叫“非门”,一个叫“反相器”。从这两个名字就可以看出来,“非门”是数字电路,“反相器”是模拟电路。同样一块芯片,用作“非门”时我们关心的是输入输出的逻辑关系,用作“反相器”时我们并不关心其逻辑关系。例如用74HC04加一片晶体构成振荡器,其输出并没有逻辑意义,我们关心的是其频率,这是模拟电路,虽然用通常认为是数字电路的芯片构成。

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13
maychang|  楼主 | 2007-4-22 14:46 | 只看该作者

再举个例子

74HC393是异步计数器,也可以用作二分频、四分频等。用作计数器时它是数字电路,我们关心的是计数值,即各输出引脚的逻辑意义。用作分频时它是模拟电路,我们并不关心引脚逻辑,而是关心输出的频率。

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14
jz0095| | 2007-4-23 07:55 | 只看该作者

所见略同,

说的都不错。

其中,感觉IC921和thw描述的起点和我的、还有一些人的不同。一方是基于硬件都是模拟性质的结论;另一方是基于早期将电路分为两类的现象。虽然表达的方式不同,大家最终的结论是一致的,通俗的说法:数字电路由模拟硬件及其处理的数字信号两部分组成,其功能是“模拟电路处理数字、逻辑量”。

逻辑量是数字量,它们都是状态量,以步长或者范围区分状态、逻辑。

另外,感到IC921对连续的理解和我的略有不同。我理解的连续不是输入、输出量线性关系、保真的连续,而是任何物理量的连续。放大器最小灵敏度影响到放大的范围,这是电路的特性所至。按我的理解,由特性导致的任何输出也都是满足自然规律的连续,跟任何例子无关。是不是这么回事?

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15
wolver| | 2007-4-23 10:07 | 只看该作者

随便说两句看法

模拟:模仿、比拟,用于电路的最初创始形态。
数字:可以量化的,用于量值计算的电路。

所以,模拟意味着不断的实验、求证和创新....数字意味着不断的量化、精确和客观。一个由外而内,一个由内而外,殊途同归....

少林和武当,谁是武学正宗?我们都不知道,只知道大师都是内外兼修的....

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16
lihuanjie| | 2007-4-23 12:39 | 只看该作者

说的好

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17
iC921| | 2007-4-24 19:38 | 只看该作者

我想,不同人的心里,模拟的概念没有一个是相同的

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HHYY| | 2007-4-30 18:06 | 只看该作者

电路

有些道理,不过还是没有答案。

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19
赖城基| | 2007-5-2 01:21 | 只看该作者

好耍

这个立论命名为“电子嵌入式哲学”

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20
jz0095| | 2007-5-3 05:58 | 只看该作者

谈 -- 下一个话题

(村长赵大宝悲哀地一嚎)

如何看待观点的不统一?能否统一?如果统一,需要对原分类作什么更正?
......

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