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自然界中绝大多数物理量，如温度、压力、速度、流量、位移等，一般都具有在时间和数值上连续变化的特点，称为模拟量。在生产或工程应用中，许多待控制和测量对象在实现控制和测量等功能时，将其对应的各种温度、压力、速度等模拟量（非电物理量）通过传感器转变为相应的电压或电流信号，这些电信号模拟了实际的物理量，所以称为模拟信号。模拟信号再由模数转换器（ADC）转换为对应的二进制数字信号，才能被计算机、单片机等数字处理系统所识别，进而实现控制、测量等功能；计算机、单片机对这些数字信号进行各种计算和处理后的数字输出量需要经过数模转换器（DAC）转换为相应的模拟输出量，进而去驱动执行机构，实现被控制的物理量按照预先的设定变化，计算机自动控制系统如图1-1所示。
图1-1 计算机自动控制系统
信号分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号是在时间和数值上连续的电信号，例如人们常用温度传感器将温度转化为电压信号，如图1-2a所示。产生、传送、接收、处理模拟信号的电子电路叫做模拟电路。随着计算机的广泛应用，绝大多数电子系统都采用计算机来对信号进行处理。由于计算机无法直接处理模拟信号，所以需要将模拟信号进行取样、保持、量化、编码。为便于理解，选取量化单位为1V，用取样点的值除以量化单位并按照“四舍五入”方式取二进制整数，如图1-2b所示A点、B点、C点的数值分别为1.6V、1.7V、2V，四舍五入量化后的数值都是2V，都用010表示。按照此方法，最终一个连续的模拟信号就变成了在时间和数值上都离散，并且能用多位二进制数表示的数字信号，如图1-2b所示，只考虑时间轴上整点的温度值，这实际上是对温度曲线的特定点处进行取样。取样越密，取样值就越多，其取样信号的包络线也就越接近模拟信号的波形。可见，如果取样点足够多，量化单位足够小，数字信号就可以较真实地反映模拟信号。产生、传送、接收、处理数字信号的电子电路叫做数字电路。如何实现模拟信号向数字信号的转化（数字化）是我们将要研究的数字电路问题。
在数字电路中，数字信号的描述方法是采用二值数字逻辑、逻辑电平及对应的数字波形来表示。
图1-2 模拟信号和数字信号
数字信号可以用两个离散值1和0来表示。1和0表示数值的大小时，称为二进制数。1和0也可以用来描述客观世界中两种相互对立的状态，比如是否、开关、高低、通断、亮灭等，此时，1和0表示的不再是数值，而是两种对立的逻辑状态，称为二值数字逻辑1和逻辑0，简称数字逻辑，可以进行逻辑运算和逻辑判断，实现数字电路的各种功能，所以又将数字电路称为数字逻辑电路。
数字信号还可以用逻辑电平来表示。在数字电路中，电子器件导通和截止时输出的高低电平统称为逻辑电平。逻辑电平通常与一定范围内的电压值相对应，如图1-3所示。电压值在 V Lmin 到 V Lmax 范围内称为低电平，通常用逻辑0表示。电压值在 V Hmin 到 V Hmax 范围内就称为高电平，通常用逻辑1表示。电压值在中间 V Lmax 到 V Hmin 范围内，电路无法准确判别其为何种电平，这有可能使电路产生逻辑错误。因此，该范围为不允许的电平范围，未定义，不允许使用，这种表示称为正逻辑体制，是一种常用的表示方法。本书将采用这种逻辑体制。实际电路中总是存在噪声和干扰。它们通常叠加在原信号之上，使信号产生畸变。作为数字信号，只要噪声和干扰不使信号超出原高低电平的取值范围，则信号的电平维持不变，仍然能够被正确地识别和判定，恢复出原数字信号。但是对于模拟信号，其叠加的噪声和干扰则很难完全消除。因此，与模拟信号相比，数字信号具有较强的抗干扰能力。
图1-3 叠加干扰后的逻辑电平
数字信号的第三种表示方法为数字波形。数字波形是逻辑电平相对于时间的图形表示。当电路的电压值在高电平和低电平之间变化时，就可以将电压值随时间变化的关系用脉冲波形表示出来。在只关注各信号之间的逻辑关系时，通常将数字波形画成理想波形，图1-4a所示的波形标出了时间及幅值。在同一数字系统中，通常采用统一的逻辑电平标准，因此，数字波形不标注高、低电平的电压值，同时也不画时间轴，如图1-4b所示。
图1-4 理想的数字波形
1）按电路结构分类，可分为分立元件电路和集成电路两大类。分立元件电路是指将电阻、电感、电容、变压器、开关、晶体管等分立元器件用导线在电路板上逐个连接起来的电路，从外观上可以看到一个一个的电子元器件。集成电路是用特殊的半导体制作工艺将许多微小的电子元器件及连接导线制作在同一块半导体晶片上而成为一个不可分割的整体电路（又叫芯片），从外观上看不到任何元器件，只能看到一个一个的引脚。芯片被称为“工业之米”，是信息革命的核心技术和主要推动力。目前，分立元件电路基本上已被集成电路所取代。
2）按所用器件类型分类，可分为双极型（TTL型）和单极型（MOS型）两类。随着技术的进步，集成电路工艺也已从以TTL电路为主变为以CMOS电路为主。
3）按集成度分类，可分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）和特大规模集成电路（ULSI）等，通常把一个芯片封装后含有等效元器件的个数定义为集成度，见表1-1。
表1-1 数字集成电路集成度的分类
4）按逻辑功能特点分类，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两类。组合逻辑电路没有记忆功能，其输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关。时序逻辑电路具有记忆功能，其输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关。
与模拟电路相比，数字电路具有以下特点：
1）数字电路实现很简单，易于设计。数字电路中半导体器件工作在开关状态，饱和和截止两种状态的外部表现是电流的有、无，电压的高、低，这与二进制信号的要求是相对应的。
2）数字电路稳定性好，抗干扰能力强，对元器件的精度要求不高，只要能可靠地区分1和0两种状态就可以了，允许有较大的误差，在一定条件下可通过扩充数字的位数获得较高的精度，便于电路集成化、系列化生产，并具有使用方便、可靠性高等优点。
3）数字信号更便于存储、加密、压缩、传输和再现。
4）数字电路集成度高、产品系列多、通用性强、成本低。
5）数字电路具有“逻辑思维”能力，能够对数字信号进行各种逻辑运算和算术运算，便于采用数字计算机和微处理器来处理信息和参与控制，实现智能化。
数字电子技术产生于20世纪30年代，是在通信技术（电报、电话）中首先引入二进制的信息存储技术。1847年由英国科学家乔治·布尔（George Boole）创立布尔代数，形成开关代数，有一套完整的数字逻辑电路的分析和设计方法，并在电子电路中得到应用。
数字电子技术是一门应用学科，数字电路的发展与应用可分为五个阶段：
第一阶段：1906年，美国李·德福雷斯特发明真空三极管，20世纪40年代以电子管（真空管）作为基本器件，在电子计算机、电话交换机和数字通信方面得到应用。
第二阶段：1947年贝尔实验室的巴丁、肖克利、布拉顿发明晶体管，晶体管的出现，使得数字电子技术有一个飞跃发展，除了计算机、通信领域应用外，在其他如测量领域也得到应用。
第三阶段：1958年，基尔比制成第一块集成电路。20世纪50年代末期集成电路的出现，使得数字电子技术有了更广泛的推广，在医疗、雷达、卫星等领域都得到应用。
第四阶段：20世纪70年代中期，微电子技术开始发展，使得数字电子技术得到迅猛的发展，产生了大规模和超大规模的集成数字芯片，应用在各行各业和我们的日常生活中。
第五阶段：20世纪80年代中后期，产生一些专用和通用的集成芯片，以及一些可编程的数字芯片，并且制作技术日益成熟，数字电路的设计模块化和可编程的特点，提高了设备的性能、适用性，并降低了成本。越来越多的设计，越来越短的推向市场的时间，越来越低的价格，多层次的设计表述，大量使用复用技术，大量使用计算机辅助设计工具（EDA技术）是数字电路今后发展的趋势。
随着微电子技术、光电子技术、纳米电子技术及集成电路（IC）工艺技术的迅猛发展，数字电路在计算机、通信系统、仪器仪表、数控技术、家电等领域都得到了广泛应用。电子电路数字化是当今电子技术的发展趋势。数字电路的分析与设计，成为电子工程技术人员必备的专业基础知识。
数字电子技术是高等院校电类各专业的一门理论性和实践性均较强的电子技术入门阶段直接面向应用的重要的专业基础课程，也是考研科目之一。它逻辑性强、发展快、应用广，并且工程实践性强。课程任务是通过对常用电子器件、数字电路与系统分析方法和设计方法的学习，使我们能够建立一个完整的数字系统的概念，获得数字逻辑电路的基础知识、基本理论和基本技能，从而具备一定的数字电路分析和设计的能力，培养工匠精神、创新意识，具备健全的人格，厚植家国情怀，牢记使命担当，养成严谨踏实的学习习惯和精益求精的工作态度，提升工程实践能力，为后续课程的深入学习和实际应用打下坚实的理论和技术基础，实现知识、能力、素质的协调发展。通过对数字电子技术基础课程的学习，要求处理好基础知识、基本理论和基本技能与众多新电路、新技术之间的关系，尽量做到以下几点：
1）打好基础——从各种典型的单元电路、功能部件入手，抓住与分析实际数字电路相关的基本概念、基本理论和基本方法，为实际应用各种数字电路、数字电子新技术打下坚实的基础。
2）重视方法——以数字逻辑电路的分析方法和设计方法为主线，抓住各种数字电路的共性。只有学会了数字电路的基本分析方法，具备了分析解决问题的能力，才能做到对实际问题举一反三。
3）加强应用——对于电类各专业而言，数字电子技术工程实践性强，学习数字电子技术的主要目的在于应用。只有把注意力集中在数字电路的外特性、逻辑功能和典型应用的分析上，才能够深入理解实际集成电路的功能。对于集成电路内部的工作状态、参数计算及工艺设计则不必深入探讨，一般了解即可。
4）主动更新——微电子技术迅猛发展的今天，数字电子技术也日新月异，发展快、应用广，因此，在数字电子技术基础课程的学习中，应当以集成电路为起点，逐步提高阅读集成电路产品手册的能力，以便从中获取更多的信息。
思考与练习
1.1-1 模拟信号和数字信号有何不同？
1.1-2 数字电路按集成度的不同是如何进行分类的？
1.1-3 叙述数字电路中“1”和“0”，以及高电平和低电平的含义。
1.1-4 数字电路可分为几大类？数字电路具有哪些特点？