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數位系統原理與應用
第十版
Digital Systems Principles and Applications
2016/7/14
數位系統與原理 東華書局
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第一章
概念
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大綱
1-1 數值表示法
1-2 數位與類比系統
1-3 數位數目系統
1-4 二進數量表示
1-5 數位電路/邏輯電路
1-6 並聯與串聯傳輸
1-7 記憶器
1-8 數位計算機
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學習目標
讀完本章之後，將可學會以下幾點：
 <辨別類比與數位表示法。
 <描述類比、數位及混合系統的主要區別，並
說明其優劣點。
 <瞭解為什麼我們需要類比至數位轉換器 (ADC)
及數位至類比轉換器 (DAC)。
 <認清二進數系統的基本特性。
 <將二進數轉換成其十進數等效值。
 <以二進數系統來計數。
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





<確認典型的數位信號。
<認清時序圖。
<辨別並聯與串聯傳輸。
<試述記憶器的特性。
<試述數位計算機的主要部份，並瞭解各
主要部份的功能。
<區別微型計算機、微處理器及微控制器
的不同。
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1-1 數值表示法

類比表示法
連續性的
 某一量是以連續性變化之成比例指示器
來表示
 汽車的速率表，水銀溫度計，室外溫度
計，聲音 – 可在一連續的數值範圍內漸漸改變
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
數位表示法
不連續性的(離散性)
 以稱為數位的符號來表示
 數字時鐘

結論
數位 ≡ 離散性
類比 ≡ 連續性
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下列何者表類比量，何者表數位量？
(a)十段開關
(b)流出洩電閥的電流
(c)房間的室溫
(d)沙灘的沙粒
(e)自動測速儀
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解答︰
(a)數位
(b)類比
(c)類比
(d)數位，因沙粒數量只能以個數 (整數) 確
定，不是一連續範圍內的任何值
(e)若為指針型式，為類比；若為數值讀出型
式，則為數位。
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複習問題 1.簡要說明類比量與數位量間的主
要區別。
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1-2數位與類比系統
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
數位系統 (digital system) 係為處理
數位量而設計的裝置組合，這些裝置可
以是電氣性的、機械性的或空氣的。常
見的數位系統包括數位計算機及計算器、
數位音響及影像設備及電話系統──世
界上最大型的數位系統。
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
類比系統 (analog system) 所包含的裝
置職司類比量的處理，其中的類比量可
以在一範圍內連續變化。例如，無線電
接收器的輸出信號振幅可以是零與最大
值間的任一值。其它常見的類比系統有
電話系統、磁帶式收錄儀器、汽車里程
錶及簡單的燈泡明暗開關等。
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
數位技術的優點：






數位系統易於設計。
資訊儲存容易。
精密度提高。
運作易於程式化。
數位電路較不易受雜訊所影響。
數位電路能以高密度IC晶片製作。
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
數位技術的限制：

真實世界大抵都是類比的

利用數位技術來處理類比輸入或輸出，須
1.將真實世界的類比輸入加以數位化
2.對這些數位化的資訊加以處理
3.將處理過的數位結果加以類比化，並輸出至真實
世界中
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處理類比輸入與輸出時要能利用數位技術
的優點，必須遵循以下四個步驟：
1. 轉換物理變量成電氣信號 (類比)。
2. 轉換電氣 (類比) 信號成數位形式。
3. 處理 (操作) 數位資訊。
4. 將數位輸出轉換回真實類比形式。
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
未來是數位的天下
過去 30 年來數位技術的長足進展是非常驚人的，且確信發展將
更神速。想想看那些已從類比形式改變成數位方式的日常事物。
室內∕室外無線式數位溫度計少於美金 $10.00 元即可購得。汽
車已從配備極少電子控制演變成完全由數位來控制的交通工具。
數位音響已演進成了 CD 與 MP3。數位視訊則演進到了DVD。數位
家庭視訊，進而照相機；如 TiVo 系統的數位式錄影；數位行動
電話；以及 X 光形式的數位成像，磁共振成像 (MRI) 皆只是若
干種因數位革命的應用產物。只要基礎建設配合，電話與電視系
統將進入數位化時代。數位領域的成長速度仍持續令人瞠目咋舌
的。
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複習問題 1. 數位技術優於類比技術的地方何
在？
2. 數位技術的主要限制為何？
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1-3 數位數目系統


在數位技術領域中應用不少數目系統
十進制系統
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.


權值系統
如453：4表4個1百、5表5個十， 3表3個一。
任何數即是各數字乘所具值置權重值乘積的總
和。
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例2745.214：
圖1-3十進位置值做為10的乘冪
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
十進制計數
圖1-4 十進計數
2745.214 可表為：(2  10+3) + (7  10+2) + (4  101) + (5
 100) + (2  10–1) + (1  10–2) + (4  10–3)
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
二進制系統
0,1



要設計出可操作於10個不同電位的電子
裝置是很難的。
幾乎所有的數位系統都使用二進制數目
系統。
位置值系統，各二進位數有其以2乘冪所
代表的權重值。
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圖1-5 二進位置值作為2的乘冪
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1011.1012= (1  23) + (0  22) + (1  21) +
(1  20) + (1  2–1) + (0  2–2) + (1  2–3)
= 8 + 0 + 2 + 1 + 0.5 + 0 + 0.125
= 11.62510
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
二進制計數
圖1-6 二進計數順序
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複習問題 1. 11010112 的十進等值為何？
2. 在計數順序中 101112 的下一個
二進數為何？
3. 用 12 位元所能代表的最大數為
何？
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1-4 二進數量的表示

二進數量可以用僅具有兩種操作狀
態或工作狀況的任何裝置來表示。
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有很多種裝置具有兩種操作狀態？
燈炮，二極體，繼電器，電晶體，
光電管，調溫器，及磁帶。
 在電子數位系統中，二進資訊是由
各種電路的輸入與輸出電壓表示如
下圖：

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圖1-8 (a) 在數位系統中的電壓標定；
(b) 典型數位訊號時序圖
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

在數位系統中，電壓的真正值為何不是頂重
要的。在類比系統中，電壓的真正值卻是非
常的重要。
如下圖為一典型數位信號及其隨時間變化的
情形
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1-5 數位電路/邏輯電路

在上節的說明中，數位電路 (digital
circuits) 的設計是使輸出電壓值位於
如圖 1-8 所定義 0 與 1 的電壓範圍內。
同樣的，數位電路的設計在對 0 與 1
電壓範圍的輸入電壓有特定響應。此即
表示數位電路將對在 0 電壓範圍的輸入
電壓有相同的響應，同樣地，對在 1 電
壓範圍的輸入電壓亦無差別待遇。
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
具有輸入ν1與輸出ν2的典型數位電路
圖1-9 數位電位響應於一個輸入二進位(0或1)且不是其真正電壓
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
數位積體電路製作技術




TTL
CMOS
NMOS
ECL
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

邏輯電路
數位積體電路
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複習問題 1. 真或偽︰輸入電壓的實際值對數
位電路而言不是頂重要的。
2. 數位電路對不同的輸入電壓值可產
生相同的輸出電壓嗎？
3. 數位電路亦稱為_______電路。
4. 顯示一個或更多數位信號如何隨時
間改變者稱為________。
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1-6 並聯與串聯傳輸

資訊是以二進形式傳送且由發射電路的
輸出端送出代表資訊的電壓，該電壓再
傳送到接收電路的輸入端。圖 1-10 所
示為兩種數位資訊傳輸的方式︰並聯
(parallel) 與串聯 (serial)。
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
並聯傳輸(計算機到印表機使用了計算機的並聯列印埠
(LPT 1) 來作資料的並聯傳送)
圖1-10 (a) 每個位元皆使用一條連線的並聯傳送，且所有的位元皆同時傳送出；
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
串聯傳輸(計算機上的串聯 COM 埠傳送資料到數據機上的並聯
傳送，或 USB (Universal Serieal Bus) 埠來傳送資料到印表機)
圖1-10 (b) 只有使用一條連線的串聯傳送，個別的位元乃依序地傳送(一次一個位元
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複習問題 1. 說明二進資訊的並聯與串聯表示
方式的相對優點。
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1-7 記憶器
可以儲存暫時性或永久性的二進資
訊，且可在任何時候改變所儲存資
訊的能力。
 記憶元件的型式：磁與光的型式，
電子閂鎖電路者。

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
無記憶與有記憶的操作
圖1-11 無記憶與記憶操作的比較
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1-8 數位計算機

計算機為可執行算術運算，常以二進形
式處理資料且可做決定的硬體系統。
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
計算機的主要部份
1.輸入單元
2.記憶單元
3.控制單元
4.算術單元/邏輯單元
5.輸出單元
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
數位計算機的功能方塊圖
圖1-12 數位計算機的功能方塊圖
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
結論
1.用以表示物理量數值的兩種基本方式為類比 (連
續的) 與數位 (離散)。
2.真實世界中大多數的數量皆為類比的，但數位技
術通常是優於類比技術，且大部份可預期的精進
將是數位的範疇。
3.二進制數字系統 (0 與 1) 為使用於數位技術的基
本系統。
4.數位或邏輯電路乃運作於代表二進數 0 或 1 規定
的電壓範圍。
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5.兩種傳送數位訊息的基本方式為並聯式──全部
的位元同時一起──及串聯式── 一次一個位元。
6.所有計算機的主要部份為輸入、控制、記憶器、
算術/邏輯及輸出單元。
7.算術/邏輯控制單元的組合構成 CPU (中央處理單
元)。
8.微算機通常皆擁有一個位於單一晶片上名為微處
理器 (microprocessor) 者。
9.微控器為特別設計作為專屬 (非一般用途) 控制應
用的微算機。
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複習問題 1. 解釋具有記憶器的數位電路與不
具有者的差異為何？
2.說出計算機五種主要功能的單元。
3. CPU 是由那二者構成？
4. 含有 CPU 的 IC 晶片稱______。
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