模擬與數(shù)字電路中抽象原則

1、模擬與數(shù)字電路中抽象原則【摘要】電氣工程與計算機科學(xué)是諸多應(yīng)用抽象原 則概念解決問題的學(xué)科之一，電氣工程是有目的的應(yīng)用描述 電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程(或抽象)并創(chuàng)建一個新的抽象層, 稱為模擬電路層或數(shù)字電路層。集總電路和數(shù)字電路中不斷 應(yīng)用抽象原則，有效的解決了電氣系統(tǒng)中復(fù)雜的問題。【關(guān)鍵詞】抽象原則模擬電路數(shù)字電路一、模擬電路中的抽象原則分析模擬電路包括用理想導(dǎo)線連接的模擬原件(或離散元 件)。模擬元件的特性是可定義唯一的接線端電壓v (t)和 接線端電流i (t)o電壓、電流和電阻都是某元件在特定的 約束下定義的。我們把這些約束均稱作模擬事物原則。只要 我們遵循模擬事物原則，即可在電路分析中

2、進行簡化，與模 擬電路抽象打交道。因此該原則是模擬電路抽象的基礎(chǔ)。該 原則在我們選擇模擬電路元件時施加了三條約束。當(dāng)電路滿足這三個約束時，電路本身可以抽象，就像可 以在模擬元件外部接線端上定義電壓和電流一樣。滿足模擬 事物原則的電路在電路分析中產(chǎn)生了其他簡化，特別是模擬 電路中的電壓和電流滿足簡單的代數(shù)關(guān)系。在模擬事物抽象原則之內(nèi)，可被抽象為由ie、ib、ic 等參數(shù)表示的等效電路，進而對于復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)進行電氣 化抽象，如下圖所示：二、模擬電路抽象的局限性我們斷言，如果元件滿足集總事物原則，則可以忽略連 接元件的導(dǎo)線物理長度和拓撲結(jié)構(gòu)，同時可以定義元件的電 壓電流。模擬事物原則的三個要求讓我

3、們限制信號速度，使 其明顯低于電磁波傳播速度。隨著技術(shù)的進步，傳播效應(yīng)越 來越難以忽略。一個例子是1998年生產(chǎn)的奔騰ii芯片的時 鐘頻率是4oomhz,但其芯片的尺寸與mips芯片差不多，即 約長lcm。lcm芯片的波傳延遲約為l/15ns。顯然奔騰ii芯 片2.5ns的時鐘周期與波在芯片上的傳播延遲相比仍然很 大。三、數(shù)字電路抽象數(shù)值離散化構(gòu)成了數(shù)字抽象的基礎(chǔ)。其主要思想是將一 定范圍內(nèi)的信號值集總為一個值。舉例來說，如果觀察到的 信號在0v和2. 5v之間，則處理為“0” , 2. 5v到5v之間則 處理為“1” o可以看出，這種表示不受峰值小于2. 5v的對 稱噪聲的干擾。在模擬情況下

4、，假設(shè)值a為2. 4v,發(fā)送者通 過在線路上將信號表示為2.4v進行傳輸。傳輸過程中的噪 聲將該電壓在接受者處改變?yōu)?. 6v,結(jié)果導(dǎo)致接受者將其誤 理解為2. 6vo與模擬抽象相同，數(shù)字抽象也需要遵循相應(yīng)的約束，那 就是靜態(tài)原則。由于我們需要不同制造商生產(chǎn)的數(shù)字器件能 后彼此聯(lián)系，因此這些器件必須堅持某種公共的抽象原則。這種必須具有足夠大的設(shè)計余地，這樣才能用各種不同技術(shù) 來生產(chǎn)器件。靜態(tài)原則共有以下幾條內(nèi)容：(1)為了發(fā)出邏 輯0,發(fā)送者產(chǎn)生的輸出電壓必須小于vol。相應(yīng)地，接受 者必須將低于vil,的輸入電壓解釋為邏輯0o (2)為了發(fā) 出邏輯1,發(fā)送者產(chǎn)生的輸出電壓必須大于voh。接受者必 須將高于vol的輸入電壓解釋為lo (3)對于給定的邏輯值, 指定的輸出電壓和相應(yīng)的接受者禁止區(qū)域電壓閾值之間的 絕對值稱為該邏輯值的噪聲容限。數(shù)字電路抽象設(shè)計時，需 要將噪聲容限考慮在內(nèi)，才可以運用抽象原則進行簡化分 析。四、結(jié)語抽象使我們忽略物體許多特性，如尺寸、形狀、密度和 溫度等。這些性質(zhì)對于計算物體的應(yīng)用并不起實際作用。抽 象還使我們忽略了無數(shù)得出該方程的實驗和觀察細節(jié)并直 接接受它。試想沒有這一抽象，我們要實現(xiàn)相同的結(jié)果需要 經(jīng)歷多少痛苦的實驗。參考文獻1 anant agarwal. foundations