本文从“数字意味着什么”开始，讲解数字电路的基本设计方法，首先说明什么是“模拟”和“数字”。在自然界中，像声音、温度、光等信息是以连续的值进行变化的，这种连续值就称作“模拟”；而在计算机的世界里，信息是以一段一段的离散值表示的，这种离散值就称作“数字”。比方说，模拟和数字就相当于实数与整数的关系：实数可以表示直线上的每一个点，就像是模拟；而整数只能表示直线上的特定点，就像是数字。

于是，我们把处理连续信息（模拟信号）的电路称作“模拟电路”，把处理离散信息（数字信号）的电路称作“数字电路”。

图 1　模拟与数字的不同

为了将自然界的模拟信息输入到像计算机那样的数字电路，需要将信息数字化（模拟信号→数字信号）。进行“模拟信号→数字信号”转换的是 A/D 转换器：A/D 转换器按时间有规律地读取（采样）输入信号，并将其转换成用“0”和“1”表现的数值（2 进制）。为了将连续值（模拟信号）转换为离散值（数字信号），要对模拟信号进行“舍去”和“进位”处理，这种处理造成信息缺失而产生了误差；为了减少误差，就需要缩短转换间隔和增加转换时的位数。

那么，“把模拟信号数字化”的好处在哪里呢？其好处在于：数字信号有较强的抗噪声能力，不容易被破坏，计算机处理起来也比较容易。现在，随着微处理器性能的不断提高，已经可以高速、大量地处理数字信息；由于在信号传输和再现的过程中都不会造成信号质量下降，从而使数字电路得到了十分广泛的应用。

强大的“2 进制”

数字信号表现数值的方法之一是“2 进制”。2 进制是以“0”和“1”表现数值的，各位数都是 2 的幂。比如 4 位 2 进制可以表现的整数是从 0 到 15 的值（表 1），更大的数值就要通过增加位数来表现。

表 1　10 进制的 2 进制换算

最初在数字信号中使用 2 进制的原因，是因为电路的“开”和“关”可以很方便地用“1”和“0”来表示；并且，开（“1”）和关（“0”）在实际的 IC 中分别用“H”和“L”表现高电压状态和低电压状态。在一般的 CMOS IC 中，当电源电压为 5V 时，L 表现为 1.35V 以下、H 表现为 3.15V 以上。像这样用“0”和“1”表示一定的电压范围，就可以形成在一定范围噪声下不会发生误操作的牢固电路结构。数字电路抗噪声强的理由即在于此——是因为用了 2 进制来表现数值。

什么是数字电路

数字电路进行逻辑运算，也被称为逻辑电路。逻辑电路的基本要素只有 AND 电路、OR 电路和 NOT 电路这 3 种，通过这 3 种电路的不同组合可以做出具有各种功能的电路。逻辑电路使用逻辑表达式和电路符号（这里使用 MIL 符号，其他还有 JIS 符号）进行表示；另外，我们把逻辑电路的输入信号和输出信号的一览表称为真值表。

下面我们对 3 种基本逻辑电路进行说明。