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模拟电路、传统数字电路与单片机有什么区别

GReq_mcu168 来源:未知 作者:胡薇 2018-07-05 14:04 次阅读

相比较于模拟电路的误差,数字电路精确度得到很大的提高,单片机本质上也是数字电路,但与我们平常所说的传统数字电路有明显区别,传统数字电路指的是除单片机这类可编程器件以外的数字电路。

在引入正文之前,我们暂且不说模拟、数字电路单片机之前的区别,先来通过模拟电路实现一则简单的数学计算器。

用电路进行数学计算

通过电路进行数学计算,应该怎么做呢?为了便于理解,下面我举个很简单的例子。

在这个电路中,电阻R1=R2,我给A、B两点分别接入3V和5V电压,这个时候,C点的电压则为(5+3)/2=4V。这个电路完成了一个求平均值的操作,如果我们用1V表示数字1,它计算出来3和5的平均值是4;如果我们定义1mV表示数字1,这个电路就计算出了3000和5000的平均值是4000。

如果我能通过巧妙的方法,利用电阻电容乃至晶体管元器件的特性,设计出很多类似这样的电路,它就可以完成很复杂的四则运算,以及平方、开方、对数等运算。这就是通过电路来帮助我们进行数学计算的简单例子。在这个例子中,并不见得能体现到电路计算相比于我们用笔纸计算的优势。但是如果我们把电路做的足够复杂,它的计算速度是相当快的,并且只要有电能供应,它就永远不知疲倦的计算,而且不容易出错。

上面我们设计了一个简单的模拟电路计算器,它能计算两个数的平均值,我们用电压值直接表示数字。但是这个电路在实际中工作并没有那么理想。做基本电学实验测量电压的时候,大家会发现,电压的测量总是有误差的,电压表有误差,读数也有误差,并且基本上无法避免。自然界中很多东西都是有误差的。在这里除了电压表测出来的值和实际值不同,实际C点电压值也并不完全等于AB电压值的平均,因为我们很难保证R1和R2阻值完全一致,并且导线也有电阻。于是我们计算出来的结果,更可能是3.99或者4.01而不是精确的4.00,这就导致我们的计算出了误差。如果电路复杂了,误差会逐步累积,越来越大,最后导致计算结果完全没有意义,而减小电路的误差也是相当不容易的。

模拟电路与数字电路、十进制与二进制

于是数字电路诞生了。相较于模拟电路的不精确,数字电路就有很大优势了。注意,数字电路是相对于模拟电路而言的,数字电路的本质也是模拟电路。通常我们所说的模拟电路,指的是除数字电路以外的电路。

我们人类用十进制计数法表示数字,原因是我们有十个手指。而数字电路中使用二进制数字来进行运算,因为很多电子器件往往会有两种很确定的状态,比如开关的“开”和“关”,灯的“亮”和“灭”。

二进制数其实比十进制数简单多了。十进制中,从0到9,满10就向高位进位,即9+1=10;而二进制满二进一,所以二进制中1+1=10。一开始我们会感觉这样很别扭,实际上并非二进制有多难,只是我们习惯了十进制而已。二进制与十进制的转换等更多知识可以自行学习。

数字电路中,我们使用的比较多的一种用电压表示二进制数字的方式,称为TTL电平(TTL = Transistor-Transistor Logic,原意为逻辑门电路)。它规定+5V电压为高电平,表示数字“1”,0V电压为低电平,表示数字“0”。由于电路自身特点,实际上这种TTL电平电路输出的电压,并非绝对准确的5V和0V,而是规定将>2.4V的电压视为高电平, 电压<0.4V则视为低电平。也正是因为这样的特点,我们根本不需要将电压控制的很准确,就能很准确的表示出我们想要表示的数字。和前面的模拟平均数计算电路相比,明显很有优势。而这也正是数字电路得以广泛应用的根本原因。

传统数字电路和单片机

数字电路的介绍就到此为止,在原理篇中会有更详细的介绍。事实上,单片机的本质也是数字电路。下面我们要说的传统数字电路,指的是除单片机这类可编程器件以外的数字电路。下面我们来看看单片机和传统数字电路的区别。

利用一些常用的传统数字电路器件(一般都是集成电路芯片),我们可以设计出如下图的电路。它是一个电子表,有六个数码管显示时间,图中正显示的就是00:00:18。可以看出来这个电路还是挺复杂的,设计起来也是很费时间的。

但是单片机的出现,使得实现相同功能的电路设计难度大大降低。下图就是使用单片机设计的电路。同样是电子表,不仅显示效果比前面的那个要好,而且功能更强大了,两个按键可以像市面上常见的两个按键的手表一样调整时间和日期;而电路却简单了很多。我们只需要给单片机写进去特定的程序,就可以让它按照我们设计好的方式工作。

如果某天,我们想要给这个电子表增加马表计时的功能,对于前面的那个数字电路,恐怕整个电路都得重新设计制作;但是对于单片机制作的这个电路,我们只需要修改程序代码,然后重新写进去就可以了,就像在电脑上安装软件一样,根本不需要修改电路,十分方便。

传统数字电路和单片机的关系就像非智能手机智能手机的关系一样,智能手机最大的优势在于它可以安装各种软件游戏,而非智能手机就没有这么强大的功能。单片机也是如此,同样的电路,你可以给它下载各种程序,让它按照你的想法去工作。对于单片机来说,硬件电路是单片机的躯体,而程序才是它的灵魂,而写程序的你,就是它的上帝。

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原文标题:单片机基础知识:模拟电路、传统数字电路与单片机的区别

文章出处:【微信号:mcu168,微信公众号:硬件攻城狮】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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