模擬電路與數字電路的區別辨析

王敏

【摘要】隨著科學技術的突飛猛進，電子電路的自身功能不斷增強，系統規模不斷擴大，應用領域不斷拓展，與人類生產、生活的密切度不斷提升。電子電路按照功能可以分為數字電路和模擬電路兩大類，這兩種電路有著諸多顯著的區別，辨析清楚兩者的區別對電子電路的改進、設計和研發有著十分重要的意義。

【關鍵詞】模擬電路;數字電路;區別辨析

Abstract：With the rapid development of science and technology，electronic circuits function is more comprehensive and system scale becomes larger and larger，so it can be applied in wider fields and closer to human production and life.Electronic circuit can be divided into two major categories，digital circuit and analog circuit，according to their function.There are many notable differences between the two kinds of circuits.It is of extremely vital significance to distinguish the two clearly，so as to improve the design and optimization of electronic circuit.

Key words：analog circuit;digital circuit;difference

隨著科學技術的突飛猛進，電子電路的自身功能不斷增強，晶體管的尺寸不斷減小，系統規模不斷擴大，應用領域不斷拓展，與人類生產、生活的密切度不斷提升。電子電路按照功能可以分為數字電路和模擬電路兩大類。模擬電路是處理連續函數形式的模擬信號的電子電路。數字電路是用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路，又稱數字邏輯電路（以“開”、“關”兩種狀態或者以高、低電平來對應“1”和“0”二進制數字量）。模擬電路和數字電路有著顯著的區別。

1.信號變化的特點不同

模擬信號的大小是隨著時間連續變化的，即模擬信號在時間和數值上是連續的，幅值可由無限個數值表示。而數字信號在時間和數值上是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。因此，模擬電路更加關注電壓、電流的具體值，而數字電路則更加關注電平的高低。

2.處理信號的手段不同

模擬電路和數字電路都是信號變化的載體，對模擬信號能夠執行的操作，如濾波、放大、限幅等都可以對數字信號進行操作。

模擬電路對信號的處理主要是通過場效應管的放大特性來實現的，當然還包括電阻、電容、二極管、雙極型晶體管等元器件的特性，最終利用一定的數學模型所組成的運算網絡來實現。處理方式有測量電橋、信號放大、信號濾波、調制解調、信號變換和AD變換。而數字電路對信號的傳輸主要是通過場效應管的開關特性來實現操作的，并由場效應管構成與或非等基本門電路、觸發器、寄存器、編碼/譯碼器、算術邏輯單元等完成復雜的算術與邏輯操作。

盡管模擬電路和數字電路對信號的處理方式不同，但其實從根本上來說，所有的數字電路都是模擬電路，其基本的電學規律、電學原理，都與模擬電路一致。例如，用PMOS管和NMOS管可以構成互補式CMOS電路，其對稱且互補的結構，恰好使其能處理高低數字邏輯電平。

3.信號抗擾動能力的強弱不同

通常把由于材料或器件的物理原因產生的擾動稱為噪聲，把來自外部原因的擾動稱為干擾，干擾有一定的規律性，可以減少或消除。

在模擬電路中，由于信號幾乎完全將真實信號按比例表現為電壓或電流的形式，造成模擬電路對于噪聲的影響比數字電路更加敏感，模擬電路系統中各個不同部分的偏差積累起來，使得偏差量的負面影響變得較為顯著。模擬信號在多次處理和長距離傳輸的過程中，波形會發生改變，若處理不當，將造成信息損失，具體表現為圖像、聲音失真，嚴重時甚至會出現信號中斷現象。通過使用屏蔽導線，或者在電路中引入低噪聲運算放大器，可以盡量緩解噪聲的負面影響。而數字電路是由許多的邏輯門組成的電路，信息只取決于高低電平，只要信號的偏差在一定范圍內，就不會造成誤碼。

因此，從信號處理的角度看，對信息進行量化的數字電路系統比模擬電路系統抵御噪聲的能力、信號抗干擾能力更強，信號的精度更高。

4.電路設計的難易程度不同

模擬電路的設計常常需要更多的手工運算，其設計過程的自動化程度低于數字電路，因此模擬電路的設計通常比數字電路的設計更難，對設計人員的水平和能力要求更高。這也是數字電路系統比模擬電路系統更加普及的原因之一。但是因為自然界的大多數實際信號是模擬的，所以數字式電子設備、電子產品要在真實的物理世界中得到應用，就離不開一個模擬的接口。例如，數字電視機的基本原理就是將電視臺送出的圖像及聲音信號數字化后調制發送，由數字電視接收后，解調還原出原來的圖像及聲音。因為全程均采用數字技術處理，因此，信號損失小，接收效果好。

目前電路設計自動化程度日益上升，常用的電子電路設計和分析軟件主要有：EWB、PSPICE、Protel、Mentor、Graphics、Synopsys、Cadence等等。我們根據軟件功能分為以下幾類：

（1）電子電路設計與仿真工具

包括SPICE/PSPICE、EWB、Matlab、SystemView等。它們可以進行各類電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數據輸出，并在同一窗口內同時顯示模擬與數字的仿真結果。

（2）PCB設計軟件

包括Protel、Autium Designer等。這兩者功能類似，都包含了原理圖繪制、印刷電路板設計、模擬電路與數字電路混合信號仿真、可編程邏輯器件設計等功能，界面友好、使用方便，目前主要用于電路設計和PCB設計。

（3）IC設計軟件

Cadence、Mentor Graphics和Synopsys是ASIC設計領域相當有名的軟件供應商，提供的軟件都非常適用于深亞微米的IC設計。對于模擬電路而言，普遍使用HSPICE，是因為它的模型最多，仿真的精度也最高，可以滿足大多數設計者的需要。

（4）PLD設計工具

PLD是一種由用戶根據需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。目前主要有兩大類型：CPLD和FPGA。由于PLD的在線編程能力和強大開發軟件（如Xilinx公司的ISE、Altera公司的Quartus）的存在，工程師可將數百萬門的復雜設計集成在一顆芯片內，大大縮小了電路的尺寸以及開發周期。

5.總結

模擬電路和數字電路有著諸多顯著的區別，辨析清楚兩者的區別對電子電路的改進、設計和研發有著十分重要的意義。

人類電子學發展史上第一個被發明出來并得到大規模生產的器件是模擬的。后來隨著微電子學的發展，數字技術的成本大大降低，加之計算機對于數字信號的要求，使得數字式的方法在人機交互等領域具有可行性和較高的性價比。當然，尺有所長，寸有所短，模擬電路和數字電路有著各自的優缺點，適用的方向也不同。電子電路的發展，經歷了從模擬到數字的進步，但不等于數字電路可以完全取代模擬電路，也不能簡單地說哪一個更實用、更有效。我們設計電路時，應該揚二者之長，避二者之短，使兩者融為一體、交相輝映（如數模混合電路、數字模擬電路、模擬數字電路），從而達到電路體積更小、功能更強、功耗更低、成本更低、集成度更高、穩定性更好、可靠性更高的理想效果。

參考文獻

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