數字編碼系統

在本教程中，我們將學習數字系統、如何表示模擬值、如何使用數字系統表示數字值以及二進制數介紹。

我還將討論不同的數字電路邏輯，以及如何使用數字系統來表示模擬電壓。本教程將簡要介紹數字系統，個別數字系統將在單獨的教程中討論。

簡介

人類最常見的交流方式是交談。兩個懂同一種語言的人通過交談比其他任何方法都能更迅速、更有效地進行交流。

古時，海軍使用信號旗、閃爍的燈光和手臂動作來進行艦船之間的通信（這被稱為 "信號"，即手臂動作代碼）。當沒有無線電設備的飛機接近機場準備降落時，它可以從塔臺上的燈炮獲得信號。

數制基礎

數人、數材料的思想慢慢發展起來，經過一段時間，數制在人類中占據了一席之地。因此，各種計算方法迅速得到改進和發展，并在科學和技術領域擴展出各種方法和解決方案。

最先進、最有效的方法就是利用數字系統架構發明的。計算機的誕生源于不同類型的可理解代碼。

我們在日常生活中使用的普通數字系統被稱為十進制，其中使用了十個基本符號，即 0、1、2、......9。

在這十位數字的幫助下，可以寫出任何數字，這種十進制也被稱為位值制，即數字所代表的值取決于數字在數字中的位置。

由于我們用 10 位數來表示數字，所以 10 被稱為十進制的基數。例如：2410，在十進制數制中表示 2*10 + 4 = 24。

第一批電子計算機的設計非常繁瑣，因為它們使用的是十進制，每個指令需要十個不同的級別。如何定義和維護這 10 個級別成了一個大問題。

因此，人們采用了簡單的開-關系統，也稱為二進制系統。完整的計算機系統用這種新的革命性的二進制系統取代了十進制系統。在二進制運算中，一個量要么存在，要么不存在。

這種類型的決策在邏輯電路中比較容易實現，在每個子邏輯塊的輸出端，電壓要么存在，要么不存在。這可以稱為 "基二 "系統。例如：112 在十進制數制（310）中表示 1*2 + 1 = 3。

二進制數

所有計算機系統都使用二進制數進行通信和操作，二進制數只使用數字 0 和 1。以下是這些設備的一些例子：

晶體管可以在截止或飽和狀態下工作，但不能在有效區域工作。

開關可以打開或關閉。

一個語句可以被描述為 "真 "或 "假"。

BIT 是表達二進制數字的一種簡單方式。它是一個信息單位，表示在兩種可能性中做出選擇。這里的信息有兩種可能性，要么是 "0"，要么是 "1"。在這種二進制語言中，第一種（或關）狀態稱為 "0"，第二種（或開）狀態稱為 "1"。

模擬輸出

電子信號代表現實。例如，溫度或壓力可以用 "等效 "電子信號來表示。這種表示有兩種基本類型。它們是模擬和數字。也就是說，所有的電子電路和系統都可以分為兩大類。即模擬系統和數字系統。

顧名思義，所有模擬系統和電路在本質上都是類比的，這意味著電路和元件之間是相互依存的。由于它們相互依存，所有元件都遵循某種負載線（即某種方程），因此輸出電壓是連續的，因為該電壓可以有無數個值。

例如，吊扇的轉速會根據風扇調節器的位置而變化。調節器旋鈕旋轉得越多，轉速就越高，這意味著吊扇會通過降低調節器的電阻來獲得更多的電壓。旋鈕的位置表示風扇的轉速。

模擬輸出表示法

模擬輸出的另一個例子是一個簡單的電位分壓器，通常用于將直流電壓降至所需電平。

這里，Vin = 直流輸入電壓，Vout = 直流輸出電壓；

輸出電壓為 Vout = Vin x R? / (R? + R?)

例如，如果 Vin = 15 V 直流電壓，R? = 10 kΩ，R? = 5 kΩ、

則輸出電壓 Vout 為 5 V 直流。

在這里，輸出電壓 Vout 根據電阻 R1 和 R2 上的輸入電壓 Vin 連續變化。因此，電位分配器的輸出是模擬性質的。

數字輸出表示法

數字信號是現代計算機的基礎。數字電壓輸出電平總是 "0 "或 "1"，表示電壓存在或不存在。

為了更好地理解二進制輸出，可以考慮用相同的電位分配器示例來解釋數字輸出（0 或 1）。如圖所示，一個恒定的 5V 直流輸入被饋送到電位器，電位器上有一個電阻 R1 和另一個電阻 R2。

如果電阻 R? 為零，R? 的末端將出現接地電壓 0 伏，電壓輸出將變為 0 伏，數字語言將此電壓稱為低電平。

 相反，如果從上述電路中消除電阻 R?，即電阻 R?為開路或無窮大，那么輸出電壓將與輸入電壓相同，因為沒有發生任何動作，這個電壓在數字語言中稱為 "高"。

數字邏輯電平

電子學領域出現了許多革命性的發展，其中一些改變了歷史進程。第一個固態設備是晶體管（其名稱由 "轉移電阻 "一詞組成）。

通常，人們開始稱便攜式收音機為晶體管。下一次革命是 60 年代初的集成電路（IC）。集成電路進一步推動了高速計算機的發明。

集成電路是一個單一的功能模塊，包含晶體管、電阻器、電容器等多種元件。

電子元件需要外部連接引線，因為它們需要輸入、輸出、電源電壓等（例如：二極管需要兩條引線，晶體管需要三條引線）。在集成電路中，操作所需的端子由外部提供。

在大多數現代邏輯系統中，邏輯 "1 "和 "0 "由電壓電平表示。在數字系統中，這些邏輯電平的定義有一些可接受的規則。它們是正邏輯或有源高電平和負邏輯或有源低電平，分別為 "1 "和 "0"。

將邏輯指定轉換為其他邏輯指定的最簡單方法是，對所有邏輯功能進行互補。根據這些邏輯指定，設計這些邏輯電路可分為五大類。它們是

直接耦合晶體管邏輯 (DCTL)

電阻晶體管邏輯 (RTL)

電阻電容晶體管邏輯（RCTL）

二極管晶體管邏輯（DTL）

晶體管-晶體管邏輯 (TTL)

晶體管 - 晶體管邏輯 (TTL) 電平

1964 年，Taxas Instruments 推出了晶體管-晶體管邏輯 (TTL)，并廣泛應用于數字設備系列。大多數集成電路制造商都提供 TTL 電路；因此，所有分銷商都能輕易買到。

典型的 TTL 集成電路對輸入和輸出特性進行了標準化，使互換性成為可能，也便于采購。TTL 使用的標準編號系統是兩個字母，后面跟 54 或 74。TTL 邏輯的基本電路是 NAND 門。

正常的 TTL 邏輯電平如下：

電源電壓： 5.0 V

邏輯 0 輸出電壓： 0 - 0.8V

邏輯 1 輸出電壓： 2 - 5V

抗噪能力：0.9 - 1.9V

下表介紹了常用的邏輯系列。

二進制數概要

我們日常生活中使用的普通數字系統稱為十進制，包含 0 至 9 位數字（10 位數字）。

這種系統也稱為位值系統，意思是數字所代表的值取決于數字在數字中的位置。

與十進制系統不同，二進制系統只包含兩個數字，即 0 和 1，這兩個數字被稱為 BIT。

電子電路和計算機系統中有兩大類系統。它們被稱為模擬系統和數字系統。

模擬系統是輸出信號連續變化的系統。在數字系統中，輸出信號只有兩個電平。它們是高電平和低電平。