現(xiàn)在，電子學(xué)是一個(gè)廣闊的領(lǐng)域，有必要?jiǎng)澐謳讉€(gè)子領(lǐng)域來進(jìn)行討論和研究。你將聽到這些說法如：醫(yī)療電子學(xué)、儀器電子學(xué)、自動(dòng)化電子學(xué)、航空電子學(xué)、消費(fèi)電子學(xué)、工業(yè)電子學(xué)等等。而其中一種分類方法是將它分為數(shù)字電子學(xué)和模擬電子學(xué)。
數(shù)字電子器件和電路只能識(shí)別和產(chǎn)生幾個(gè)有限的狀態(tài)。例如，大多數(shù)的數(shù)字電路只響應(yīng)兩種輸入狀態(tài)：低電平和高電平。數(shù)字電路也可以稱為二進(jìn)制電路，因?yàn)樗腔谥挥? 和1 這兩個(gè)數(shù)碼的系統(tǒng)。
模擬電路是能夠響應(yīng)和產(chǎn)生無限多個(gè)輸出狀態(tài)的電路。例如，模擬電路的輸入或輸出可以在0v 和10v 之間變化，它的實(shí)際值可以是1.5v ，2.8v ，甚至是7.653v ，理論上，模擬電路的輸入或輸出信號(hào)是有無限多可能取值的連續(xù)信號(hào)。另一方面，典型的數(shù)字電路把輸入范圍從0 到0.4v 電壓確認(rèn)為低電平（二進(jìn)制0 ），從2.0v 到5v 的確認(rèn)為高電平（二進(jìn)制1 ）。數(shù)字電路對(duì)2v 和4v 電壓的響應(yīng)沒有什么不同，因?yàn)檫@兩個(gè)電壓都屬于高電平的范圍。在數(shù)字系統(tǒng)中，輸入電壓不允許在0.4v 和2.0v 之間，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致不確定的輸出。
在過去很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，幾乎所有的電子元件和電路都工作在模擬形式下。其中的原因是顯而易見的，畢竟，在自然界中大多數(shù)的可測(cè)量的量都是模擬量，如身高、體重，以及車速。聲音也是模擬量，它包括無限多個(gè)不同的電平和頻率。因此，如果要用一個(gè)電路來放大你的聲音，你就會(huì)想到運(yùn)用模擬電路。
電話交換機(jī)和計(jì)算機(jī)電路需要工程師們研究數(shù)字電路。他們需要某種對(duì)輸入可以進(jìn)行邏輯判斷的電路和器件；并要求電路能高可靠地工作。在電路必須可靠工作時(shí)，通過限制它的狀態(tài)，那么電路就可以更可靠。無限狀態(tài)的模擬電路不適合這種場(chǎng)合。
圖7-1 給出電路工作的例子能夠幫助我們區(qū)分?jǐn)?shù)字電路和模擬電路的工作特性。信號(hào)從左端輸入電路，從右端輸出電路。現(xiàn)在把這個(gè)信號(hào)設(shè)想為某種電量，例如是一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓。電路a 就是數(shù)字電路的一個(gè)例子，數(shù)字波形是矩形波，輸出信號(hào)就是一個(gè)矩形波；而輸入信號(hào)不是一個(gè)準(zhǔn)確的矩形波。矩形波只有兩種電壓電平并且它是數(shù)字電路中最常見的信號(hào)。
圖7-1 中電路b 是模擬電路。它的輸入和輸出都是正弦波。輸出比輸入要大，并且上移到坐標(biāo)零點(diǎn)之上。最重要特性是輸出信號(hào)是由無限多個(gè)電壓組合而成。通常我們將電路b 稱作線性放大器，他的輸入和輸出有嚴(yán)格的比例。雖然電路b 是線性電路，但并不是所有的模擬電路都是線性的。例如，某一個(gè)音頻放大器會(huì)使聲音產(chǎn)生失真，這個(gè)放大器仍然是模擬范疇，但它產(chǎn)生強(qiáng)失真時(shí)是非線性的。
圖7 －1 中，電路c 到電路f 都是數(shù)字電路。注意到它們的輸出都是矩形波（兩個(gè)電壓電平）。電路f 應(yīng)得到特別的注意，它的輸入信號(hào)是矩形波，這可能是對(duì)只有兩個(gè)電壓電平的模擬電路的響應(yīng)，此外對(duì)信號(hào)而言已生了在其他例子沒有的現(xiàn)象。輸出信號(hào)的頻率不同于輸入的頻率，我們將實(shí)現(xiàn)此功能的數(shù)字電路稱為計(jì)數(shù)器，或者分頻器。
現(xiàn)在經(jīng)常需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、磁盤、光盤或磁帶上。數(shù)字存儲(chǔ)器有很多的優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)聽過用光盤播放的音樂的人都知道它通常沒有噪音。數(shù)字錄音不比模擬錄音的音質(zhì)差。
將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以用計(jì)算機(jī)來增強(qiáng)信號(hào)。計(jì)算機(jī)是數(shù)字的機(jī)器。它是強(qiáng)大的數(shù)字處理機(jī)（runcher ）。計(jì)算機(jī)能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行多種不同的操作，例如能夠消除噪聲和失真，修正頻率和相位的誤差，識(shí)別信號(hào)的類型等。電子學(xué)的這個(gè)領(lǐng)域被稱為數(shù)字信號(hào)處理（dsp ）。在醫(yī)療電子學(xué)中用數(shù)字信號(hào)處理來增強(qiáng)人體的掃描圖像。在音頻領(lǐng)域中用來消除舊唱片的噪聲。數(shù)字信號(hào)處理還可以用于其它的領(lǐng)域中。數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容將在以后的課程中講述。
圖7-2 表示一個(gè)將模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后又還原成模擬信號(hào)的系統(tǒng)。模數(shù)（a/d ）轉(zhuǎn)換器是一種產(chǎn)生二進(jìn)制（僅有0 和1 電平）輸出的電路。注意到存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是二進(jìn)制數(shù)字。時(shí)鐘脈沖（時(shí)間產(chǎn)生電路）用來驅(qū)動(dòng)a/d 轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行重復(fù)采樣。圖7-3 表示詳細(xì)的模擬波形， a/d 轉(zhuǎn)換器每20 微妙（μs ）對(duì)該波形采樣一次。這樣，經(jīng)過0.8 毫秒（ms ），可以采樣40 次。任意模擬信號(hào)所需的采樣速率是這個(gè)信號(hào)的頻率函數(shù)。信號(hào)的頻率越高，所需的采樣速率也越高。
再回到圖7-2 ，將存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制數(shù)送到數(shù)模（d/a ）轉(zhuǎn)換器中可以將其還原為模擬信號(hào)。存儲(chǔ)器中二進(jìn)制信息用與同先前信號(hào)被采樣時(shí)相同的速率由時(shí)鐘脈沖從存儲(chǔ)器中讀出。圖7-4 表示了數(shù)模（d/a ）轉(zhuǎn)換器的輸出。可以看出輸出的波形與原始的模擬信號(hào)的波形并不是嚴(yán)格相同，它是一系列的離散的臺(tái)階。然而，使用更多的臺(tái)階，可以獲得一個(gè)更接近于代表原始信號(hào)的波形。臺(tái)階的大小取決于使用二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。臺(tái)階的數(shù)目是以2 為底、以位數(shù)為指數(shù)的冪。一個(gè)5 位系統(tǒng)可以提供：
25=32 臺(tái)階
一個(gè)8 位系統(tǒng)則可以提供：
28=256 臺(tái)階
實(shí)際上，圖7-2 的輸出信號(hào)使用濾波器平滑了臺(tái)階，并且這個(gè)模擬的輸出信號(hào)在實(shí)際應(yīng)用中是能讓人接受的，例如用于講演的擴(kuò)音。
如果使用足夠的位數(shù)和高的采樣速率，模擬信號(hào)可以準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成等價(jià)的數(shù)字信號(hào)，這個(gè)信號(hào)又可以完全無誤地轉(zhuǎn)換成與原始信號(hào)相同的模擬信號(hào)。如果運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的話，這個(gè)信號(hào)甚至?xí)仍夹盘?hào)明顯變好。
模擬電子學(xué)包括的技術(shù)和概念與數(shù)字電子學(xué)是不同的。本書接下來將重點(diǎn)講述模擬電子學(xué)?，F(xiàn)在，大多數(shù)的電子技術(shù)人員必須具有模擬和數(shù)字電路及系統(tǒng)的各種技能。
例7-1
一張音頻壓縮光盤（cd ）采用16 位來表示每個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)，那么將有多少個(gè)臺(tái)階或者電平數(shù)？
利用2 的16 次冪來計(jì)算：
216=65,536