Stări digitale

În dispozitivele digitale, există numai două stări: on și off. Folosind numai aceste două stări, dispozitivele pot comunica o mare cantitate de date și pot controla diverse alte dispozitive. În binar, aceste stări sunt reprezentate ca 1 sau 0. 1 binar este de obicei considerat logic High și 0 este un nivel logic Low.

a. Nivele de tensiune

Dispozitivele digitale, totuși, sunt adesea antrenate de dispozitive analogice cu un număr infinit de stări. Cum transformi un număr infinit de stări numai în două? Răspunsul este prin crearea de nivele logice de tensiune, care definesc tensiunea pentru a reprezenta un high logic sau low logic.

Figura 1. Nivelele de tensiune definesc tensiunea analogică care reprezintă o logică ridicată sau scăzută.

Un sistem poate defini nivelele logice de tensiune la orice valoare pe care o alege, dar multe circuite reprezintă o logică high cu +5 V sau +3.3 V față de masă și o logică low ca masă sau 0 V. Acest tip de sistem este numit pozitiv sau activ-high. Acesta descrie modul în care PIN-ul este activat - pentru un pin activ-high, îl conectați la tensiunea dvs. high.

Un sistem negativ sau activ-low este invers. Tensiunea mai mare reprezintă o logică low, iar tensiunea mai mică reprezintă o logică high. Pentru un pin activ-low, trebuie să puneți acest pin low conectându-l la masă. Fișele de date indică adesea că un pin este activ-low prin plasarea unei linii deasupra numelui pinului, cum ar fi ĒN.

Cu toate că sunt specificate un nivel high și low, în majoritatea sistemelor există într-adevăr o gamă care să fie mai practică. De exemplu, un nivel logic high poate fi orice valoare între 2 V și 5 V și un nivel low ar putea fi orice valoare de la 0 V la 1 V. Tensiunile din afara acestor intervale sunt considerate nevalabile și apar doar într-o stare defectuoasă sau pe durata unei tranziții la nivel logic.

b. Stări Z și X

Deși un semnal digital poate avea numai două stări - on și off - puteți folosi stări suplimentare pentru a vă ajuta să achiziționați și să generați semnale digitale. Cu o logică trei stări, există o a treia condiție posibilă: o stare de impedanță înaltă, unde ieșirea este deconectată de la linie.

Această stare nu este high sau low, ci mai degrabă o stare de flotare sau de înaltă impedanță. Are denumirea Z și este adesea folosită ca linie de activare.

Cea mai obișnuită utilizare a stării Z este de a testa una sau mai multe linii digitale care pot fi conduse de mai mulți emițători. Portul de date de pe un cip de memorie este un bun exemplu în acest sens. Când computerul scrie în dispozitivul de memorie, computerul trebuie să conducă datele care trebuie înscrise în cipul de memorie pe pinii de date ai dispozitivului de memorie (fie 0 sau 1). Mai târziu, atunci când procesorul computerului trebuie să citească conținutul memoriei, dispozitivul de memorie trebuie să conducă valoarea de date stocată anterior la procesorul computerului (de obicei, o stare Z pe pinii de date).

O a patra stare pe care o puteți vedea este starea de așteptare care este desemnată cu un X. Atunci când generați semnale digitale, puteți considera util ca dispozitivul să mențină pur și simplu canalul în starea sa actuală, indiferent de starea care ar putea fi. Această stare este utilă atunci când se stabilesc stări inițiale sau inactive.

Când achiziționați date, starea X are o denumire diferită de nu-i pasă. Această stare este utilă atunci când comparați un semnal digital achiziționat cu un semnal așteptat. De exemplu, pe un semnal vă pot interesa doar primele patru valori dintr-un semnal de 10 valori. Puteți folosi starea X pentru ultimele șase valori și puteți compara doar primele patru.

Tabelul 1. Un semnal digital poate fi doar într-o stare înaltă sau joasă;
însă, stările Z și X pot asista în aplicații care generează sau achiziționează semnale digitale.

Familii logice

Familiile logice standardizate facilitează lucrul cu circuitele și componentele. Acestea oferă un nivel standardizat de tensiune care constituie o logică high sau logică low. Toate circuitele din cadrul unei familii logice sunt compatibile cu alte circuite din aceeași familie deoarece acestea împart aceleași caracteristici.

a. Familiile logice mono

Familiile logice mono specifică nivele de tensiune în raport cu masa. Cele patru nivele sunt definite ca:

■VOH (tensiune de ieșire la nivel high) - Aceasta este, de asemenea, cunoscută sub numele de generare de tensiune nivel high. Când este configurată pentru generarea activă de comandă, aceasta este tensiunea produsă de dispozitiv atunci când generează o logică high. Când este configurat pentru generarea de open-collector, aceasta este echivalentă cu setarea canalului de date la o stare de înaltă impedanță.

■ VOL (tensiune de ieșire la nivel-low) -Aceasta este, de asemenea, cunoscută sub numele de generare de tensiune nivel-low. Aceasta este tensiunea produsă de dispozitiv atunci când generează o logică low.

■ VIH (tensiune de intrare la nivel high) -Acest lucru este, de asemenea, cunoscut sub numele de tensiune de achiziție nivel high. Acesta este nivelul de tensiune necesar pentru a trimite dispozitivului pentru ca acesta să citească un nivel logic high.

■ VIL (tensiune de intrare la nivel low) -Acest lucru este, de asemenea, cunoscut ca tensiune de achiziție nivel-low.

Acesta este nivelul de tensiune necesar pentru a trimite dispozitivului pentru ca acesta să citească o valoare logică low.

Figura 2. Nivelele logice mono sunt specificate pentru ieșire și intrare.

Pentru a comunica cu exactitate cu un dispozitiv, asigurați-vă că ați configurat dispozitivul digital astfel încât să fie îndeplinite următoarele condiții:

Există, de obicei, o atenuare între tensiunea de ieșire a unui dispozitiv și intrarea unui alt dispozitiv. Aceasta este denumită marja de zgomot sau nivelul de imunitate la zgomot (NIM). Dacă vă aflați într-un mediu zgomotos și aveți dificultăți cu biții de date incorecte, luați în considerare creșterea acestei valori.

Există mai multe familii logice mono. Logica tranzistor-tranzistor (TTL) este foarte frecventă pentru circuitele integrate și este utilizată în multe aplicații, cum ar fi computerele, electronica de consum și echipamentul de testare. Circuitele construite din tranzistoare bipolare realizează comutarea și menținerea stărilor logice. Un TTL trebuie, de asemenea, să îndeplinească anumite specificații curente și timpii de creștere/coborâre, despre care puteți citi mai multe în Ce este definiția unui semnal compatibil TTL?

Figura 3. Nivele de tensiune standard de 5 V TTL

O altă familie IC comună este CMOS. Aceste dispozitive au imunitate ridicată la zgomot, necesită un consum mai mic de energie și au o tensiune mai mică pe bază. Majoritatea nivelelor de tensiune sunt similare cu cele ale dispozitivelor TTL pentru o mai mare compatibilitate. Acest lucru facilitează trecerea de la un dispozitiv TTL la un dispozitiv CMOS, dar o altă direcție poate fi mai dificilă. O tensiune prea mare la un CMOS ar putea deteriora cipul. În acest caz, puteți utiliza un divizor de tensiune pentru a reduce tensiunea.

Figura 4. Nivele standard de tensiune CMOS

Este întotdeauna important să verificați fișa tehnică a dispozitivului pentru nivelele de tensiune.

b. Familiile logice diferențiate

Familiile logice mono utilizează un nivel de tensiune stabilit în raport cu masa; totuși, familiile logice diferențiale utilizează diferența dintre două valori și nu o referință la masă. Pentru ca semnalul diferențial să fie interpretat ca o valoare logică low, semnalul trebuie să fie mai mic decât semnalul său complementar cu mai mult decât o valoare specifică cunoscută sub denumirea de valoare prag (VT). Deoarece semnalele sunt raportate și transmise împreună, puteți obține o imunitate mai mare a zgomotului în semnale decât utilizarea unor familii logice mono.

Nivelele de tensiune pentru familiile logice diferențiale sunt de obicei specificate printr-o diferență mai degrabă decât o tensiune absolută. Cele patru nivele sunt definite ca:

■ VOD (tensiune diferențială de ieșire) - Aceasta este diferența de tensiune între semnale.

■ VOS (tensiune de offset) - Acesta este modul-comun al semnalului diferențial. Gândiți-vă la acest lucru ca medie a celor două semnale. Este o referință la masă.

■ VTH (prag de tensiune) - Aceasta este diferența de tensiune necesară pentru ca dispozitivul să înregistreze o stare logică valabilă.

■ VRANGE (gama tensiunii de intrare) - Aceasta este tensiunea absolută, raportată la masă, permisă de dispozitiv.

Figura 5. Nivelele de tensiune pentru familiile logice diferențiale sunt de obicei specificate
de la o tensiune diferențială mai degrabă decât o tensiune absolută.

Semnalizarea diferențială de joasă tensiune (LVDS) este o metodă diferențială de mică putere, zgomot redus și cu amplitudine mică. O sursă de curent este utilizată pentru a conduce semnalele. Caracteristicile electrice ale unui semnal LVDS oferă multe îmbunătățiri ale performanței în comparație cu standardele mono. De exemplu, deoarece tensiunea recepționată este o diferență între două semnale, balansarea tensiunii dintre nivelul logic high și nivelul logic low poate fi mai mică, permițând timpi de creștere și cădere mai rapizdi și, prin urmare, viteze mai rapide de comutare și de transmisie. De asemenea, receptorul diferențial este mai puțin susceptibil la zgomot de mod-comun decât metodele de transmisie mono.

Circuitele logice emitor-cuplat (ECL) folosesc un design care utilizează tranzistori pentru a direcționa curentul prin porți, care calculează funcțiile logice. Deoarece tranzistorii sunt întotdeauna în regiunea activă, pot schimba foarte repede starea, astfel încât circuitele ECL pot funcționa la viteze foarte mari. Circuitele logice emitor-cuplat pozitiv de joasă tensiune (LVPECL) sunt un tip de circuit ECL care necesită o pereche de linii de semnal pentru fiecare canal. Schema de transmisie diferențială este mai puțin susceptibilă la zgomotul de mod-comun decât metodele de transmisie mono. Circuitele LVPECL sunt de obicei concepute pentru a fi utilizate cu VCC = 3 V sau 3,3 V. Pentru a afla mai multe despre interfața cu circuitele ECL, citiți Interfacing NI PXI-655x Digital Waveform Generator/Analyzers to ECL Logic Families.

Rezumat

■ Un nivel logic de tensiune definește tensiunea pentru a reprezenta o logică high sau o logică low.

■ Multe circuite reprezintă o logică high cu +5 V sau +3.3 V față de masă și o logică low ca masă sau 0 V. Acest tip de sistem este numit pozitiv sau activ-high.

■ În logica trei stări, starea Z este o stare cu înaltă impedanță și este adesea folosit ca linie de activare.

■ În generarea digitală, starea X menține nivelul logic actual. În achiziția digitală, aceasta indică o stare indiferentă.

■ Familiile logice oferă un nivel standard de tensiune care constituie o logică ridicată sau logică scăzută.

■ TTL se bazează pe Vcc = 5 V.

■ CMOS se bazează pe Vcc = 3,3V.

■ Familiile logice diferențiale folosesc diferența dintre două valori și nu o referință la masă.

■ LVDS este o metodă diferențială cu zgomot redus, cu putere redusă și cu amplitudine mică, cu Vcc = 3,3 V.

■ Circuitele LVPECL sunt un tip de circuit ECL care necesită o pereche de linii de semnal pentru fiecare canal (Vcc= 3V sau 3,3 V).