Меню

Высокий уровень напряжения логический 0 низкий уровень напряжения логическая 1

Уровни напряжения сигнала логики

Видео: Диодные логические элементы 2021, Март

Уровни напряжения сигнала логики

Глава 3 — Логические ворота

Цепи логических затворов предназначены для ввода и вывода только двух типов сигналов: «высокий» (1) и «низкий» (0), как представлено переменным напряжением: полное напряжение питания для «высокого» состояния и нулевого напряжения для «низкое» состояние. В идеальном мире все сигналы логической схемы будут существовать при этих предельных значениях напряжения и никогда не отклоняться от них (т. Е. Меньше полного напряжения для «высокого» или более нулевого напряжения для «низкого»). Однако в действительности уровни напряжения логического сигнала редко достигают этих идеальных пределов из-за паразитных падений напряжения в схеме транзистора, и поэтому мы должны понимать ограничения уровня сигнала в схемах затвора, поскольку они пытаются интерпретировать сигнальные напряжения, лежащие где-то между полным напряжением питания и нуль.

Затворы TTL работают от номинального напряжения питания 5 вольт, +/- 0, 25 вольт. В идеале, «высокий» сигнал TTL должен составлять 5, 00 вольт точно, а TTL «низкий» сигнал 0, 00 вольт точно. Тем не менее, реальные схемы затвора TTL не могут выводить такие идеальные уровни напряжения и предназначены для приема сигналов «высокого» и «низкого», существенно отличающихся от этих идеальных значений. «Приемлемые» напряжения входного сигнала варьируются от 0 до 0, 8 вольт для «низкого» логического состояния и от 2 вольт до 5 вольт для «высокого» логического состояния. «Допустимые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантированные производителем затвора в заданном диапазоне условий нагрузки) находятся в диапазоне от 0 до 0, 5 В для «низкого» логического состояния и от 2, 7 до 5 вольт для «высокого» логического состояния :

Image

Если сигнал напряжения в диапазоне от 0, 8 В до 2 вольт должен был быть отправлен на вход ТТЛ-затвора, не было бы никакого ответа от затвора. Такой сигнал будет считаться неопределенным, и ни один производитель логических ворот не будет гарантировать, что их схема затвора будет интерпретировать такой сигнал.

Как вы можете видеть, допустимые диапазоны для уровней выходного сигнала более узкие, чем для уровней входного сигнала, чтобы гарантировать, что любой таймер TTL, выдающий цифровой сигнал на вход другого таймера TTL, передаст напряжения, приемлемые для принимающего затвора. Разница между допустимыми диапазонами выходного и входного сигналов называется пределом шума ворот. Для TTL-ворот низкоуровневый уровень шума представляет собой разность между 0, 8 и 0, 5 вольтами (0, 3 вольта), в то время как уровень шума высокого уровня — это разность между 2, 7 вольта и 2 вольта (0, 7 вольта). Проще говоря, запас шума — это пиковое количество ложного или «шумового» напряжения, которое может быть наложено на сигнал слабого напряжения выходного напряжения до того, как принимающий вентиль может неправильно его интерпретировать:

Image

Схемы затворов CMOS имеют спецификации входных и выходных сигналов, которые сильно отличаются от TTL. Для CMOS-затвора, работающего при напряжении питания 5 вольт, допустимые значения входного сигнала варьируются от 0 вольт до 1, 5 вольт для «низкого» логического состояния и от 3, 5 до 5 вольт для «высокого» логического состояния. «Допустимые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантированные производителем затвора в заданном диапазоне условий нагрузки) находятся в диапазоне от 0 до 0, 05 вольт для «низкого» логического состояния и от 4, 95 до 5 вольт для «высокого» логического состояния :

Image

Из этих цифр должно быть очевидно, что схемы затворов CMOS имеют гораздо больший предел шума, чем TTL: 1, 45 вольт для низкоуровневых и высокоуровневых полей CMOS против 0, 7 вольт для TTL. Другими словами, схемы CMOS могут переносить в два раза больше наложенного «шумового» напряжения на своих входных линиях до того, как будут получены ошибки интерпретации сигнала.

Поля шума CMOS еще больше расширяются при более высоких рабочих напряжениях. В отличие от TTL, который ограничен напряжением питания 5 В, CMOS может питаться от напряжений до 15 вольт (некоторые схемы CMOS до 18 вольт). Здесь показаны приемлемые «высокие» и «низкие» состояния для входных и выходных сигналов CMOS-интегральных схем, работающих при напряжении 10 В и 15 В соответственно:

Image Image

Поля для приемлемых «высоких» и «низких» сигналов могут быть больше, чем показано на предыдущих иллюстрациях. Показанное представление представляет собой «наихудший» входной сигнал, основанный на спецификациях производителя. На практике можно обнаружить, что схема затвора будет допускать «высокие» сигналы с гораздо меньшим напряжением и «низкими» сигналами значительно большего напряжения, чем указанные здесь.

Читайте также:  Аккумулятор для авто напряжение под нагрузкой

И наоборот, чрезвычайно малые значения выходного поля — гарантирующие выходные состояния для «высоких» и «низких» сигналов с точностью до 0, 05 вольт «рельсов» источника питания — оптимистичны. Такие «твердые» уровни выходного напряжения будут справедливыми только для условий минимальной нагрузки. Если затвор подает или поглощает значительный ток на нагрузку, выходное напряжение не сможет поддерживать эти оптимальные уровни из-за внутреннего сопротивления канала выходных МОП-транзисторов ворот.

В пределах «неопределенного» диапазона для любого входа затвора будет некоторая точка демаркации, делящая фактический «низкий» диапазон входных сигналов затвора от его фактического «высокого» диапазона входных сигналов. То есть, где-то между самым низким «высоким» уровнем напряжения сигнала и наивысшим «низким» уровнем напряжения сигнала, гарантированным изготовителем затвора, существует пороговое напряжение, при котором затвор фактически переключит свою интерпретацию сигнала с «низкого» или «Высокий» или наоборот. Для большинства схем затворов это неуказанное напряжение является единственной точкой:

Image

При наличии переменного напряжения «шум», наложенного на входной сигнал постоянного тока, одна пороговая точка, при которой ворота изменяет свою интерпретацию логического уровня, приведет к неустойчивому выходу:

Image

Если этот сценарий вам знаком, это потому, что вы помните аналогичную проблему с (аналоговыми) схемами компаратора напряжения компаратора. При одной пороговой точке, при которой вход приводит к переключению между «высокими» и «низкими» состояниями, наличие значительного шума вызовет неустойчивые изменения в выходе:

Image

Решение этой проблемы представляет собой немного положительной обратной связи, введенной в схему усилителя. При использовании op-amp это делается путем подключения выхода обратно к неинвертирующему (+) входу через резистор. В схеме затвора это влечет за собой изменение схемы внутреннего затвора, установление обратной связи внутри пакета ворот, а не через внешние соединения. Разработанный ворот называется триггером Шмитта . Триггеры Шмитта интерпретируют изменяющиеся входные напряжения в соответствии с двумя пороговыми напряжениями: положительным порогом (V T + ) и отрицательным порогом (V T- ):

Image

Триггерные затворы Шмитта различаются на схематичных диаграммах маленьким символом «гистерезиса», нарисованным внутри них, напоминающим кривую BH для ферромагнитного материала. Гистерезис, вызванный положительной обратной связью в схеме ворот, добавляет дополнительный уровень помехоустойчивости к характеристикам ворот. Триггерные затворы Шмитта часто используются в приложениях, где ожидается шум на входной сигнальной линии (линиях) и / или где неустойчивый выход будет очень пагубным для производительности системы.

Разные требования к уровню напряжения для TTL и CMOS-технологий представляют проблемы, когда два типа ворот используются в одной и той же системе. Хотя работающие CMOS-ворота с тем же напряжением питания 5, 00 вольт, которое требуется для ворот TTL, не проблема, уровни выходного напряжения TTL не будут совместимы с требованиями к входному напряжению CMOS.

Возьмем, к примеру, затвор TTL NAND, выводящий сигнал на вход затвора инвертора CMOS. Оба вентилятора питаются от того же источника питания 5, 00 вольт (V cc ). Если затвор TTL выводит «низкий» сигнал (гарантируется, что он находится в диапазоне от 0 до 0, 5 вольта), он будет правильно интерпретирован входным сигналом CMOS в качестве «низкого» (ожидая напряжения от 0 до 1, 5 вольт):

Image

Однако, если затвор TTL выводит «высокий» сигнал (гарантируется, что он составляет от 5 вольт до 2, 7 вольта), он может быть неправильно интерпретирован входным сигналом CMOS в качестве «высокого» (ожидая напряжения от 5 до 3, 5 вольта ):

Image

Учитывая это несоответствие, вполне возможно, что затвор TTL выдаст действительный «высокий» сигнал (действительный, то есть согласно стандартам TTL), который находится в «неопределенном» диапазоне для входа CMOS и может быть ( ложно) интерпретируется как «низкий» получающим воротом. Легким «исправлением» этой проблемы является увеличение уровня напряжения «высокого» уровня напряжения TTL с помощью подтягивающего резистора:

Image

Однако необходимо что-то большее, чем это, для интерфейса TTL-выхода с входом CMOS, если принимающий затвор CMOS питается от большего напряжения питания:

Image

Разумеется, не будет никаких проблем с затвором CMOS, который интерпретирует «низкий» выход ТТЛ-ворот, но «высокий» сигнал от затвора TTL — это совсем другое дело. Гарантированный диапазон выходного напряжения от 2, 7 вольта до 5 вольт от выхода затвора TTL нигде не приближается к допустимому диапазону затвора CMOS от 7 вольт до 10 вольт для «высокого» сигнала. Если мы используем заслонку TTL с открытым коллектором вместо выходного затвора тотемного полюса, то подтягивающий резистор к направляющей Vdd с напряжением 10 вольт повысит «высокое» выходное напряжение затвора TTL до полного напряжения питания, подающего CMOS Ворота. Поскольку затвор с открытым коллектором может поглощать ток, а не источник тока, уровень напряжения «высокого» уровня полностью определяется источником питания, к которому подключен нагрузочный резистор, тем самым аккуратно решая проблему несоответствия:

Читайте также:  Касательные напряжения круглого сечения определяется по формуле

Image

Из-за превосходных характеристик выходного напряжения для CMOS-затворов, как правило, нет проблем с подключением CMOS-выхода к входу TTL. Единственной существенной проблемой является текущая загрузка, представленная входами TTL, поскольку выход CMOS должен поглощать ток для каждого входа TTL в состоянии «низкого».

В случае, когда затвор CMOS питается от источника напряжения, превышающего 5 вольт (V cc ), проблема может возникнуть. «Высокое» состояние выхода затвора CMOS, превышающее 5 вольт, будет превышать допустимые пределы входного сигнала TTL для «высокого» сигнала. Решением этой проблемы является создание инверторной схемы с открытым коллектором с использованием дискретного транзистора NPN и использование ее для одновременного соединения двух ворот:

Image

Резистор «R pullup » не является обязательным, так как входы TTL автоматически принимают «высокое» состояние при оставленном плавании, что и произойдет, когда выход затвора CMOS «низкий», и транзистор отключается. Конечно, одним из важных последствий реализации этого решения является логическая инверсия, создаваемая транзистором: когда затвор CMOS выводит «низкий» сигнал, TTL-вентилятор видит «высокий» вход; и когда затвор CMOS выводит «высокий» сигнал, транзистор насыщается, а TTL-вентиль видит «низкий» вход. Пока эта инверсия учитывается в логической схеме системы, все будет хорошо.

Источник



Ремонт,
обслуживание, сопровождение —
компьютеры,
программное обеспечение.

ООО «Инекскон»
Кемеровская область, г. Юрга,
ул. Кирова д.11, офис 7,
выезд к клиенту по городу бесплатный

Электрический сигнал

Типы электрических сигналов

В основу работы электронных схем положено прохождение электрических сигналов по электрическим цепям.
электрическая цепь — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.
электрический сигнал – информация выраженная напряжением или током, проходящим по электрической цепи.

Основными характеристиками электрического сигнала является:

  • Период — это отрезок времени, через который сигнал начинает повторяться. Это временное значение также называют временем периода для синусоид или шириной импульса для меандров и обозначают буквой T.
  • Частота — это число раз, которое сигнал повторяет сам себя за период времени равный 1 секунде. Частота является величиной, обратной периоду времени, ( ). Единицей измерения частоты является Герц (Гц). Частотой в 1Гц, обладает сигнал, повторяющий 1 раз за 1 cекунду.
  • Амплитуда — это величина изменения сигнала. Измеряется в Вольтах (В) или Амперах (А), в зависимости от того, какую временную зависимость (напряжения или тока) мы используем.

С технической точки зрения, электрические сигналы являются визуальным представлением изменения напряжения или тока с течением времени. То есть, фактически — это график изменения напряжения и тока, где по горизонтальной оси мы откладываем время, а по вертикальной оси — значения напряжения или тока в этот момент времени.
Выделяют следующие типы сигналов:
Аналоговый сигнал – электрический сигнал непрерывный во времени, и максимально соответствующий по форме физическому сигналу который он передает (например: звук, температура и пр.). Такой способ передачи наиболее точно передает информацию о процессе, но имеет очень слабую помехозащищенность — малейшее отклонение в форме приводят к искажению. Защитить переносимый сигнал от искажений довольно проблематично.
Цифровой сигнал – комбинация коротких импульсов одинаковой амплитуды. Для представления информации физическая величина кодируются в числовые последовательности двоичного кода (амплитуда может принимать только два предельных значения — 0 и 1). Благодаря использованию возможности отклонений от уровней напряжения логических схем по амплитуде значительно повышена помехоустойчивость сигнала.

Возможность преобразования аналогового сигнала в цифровую форму (и обратно) определило широкое распространение цифровой техники. Высокая скорость работы аппаратуры позволяет в процессе преобразования получить сигнал высокой точности (с минимальными искажениями).

Уровни напряжения логических схем

Цифровые устройства оперируют с сигналами двух типов — «высокий логический уровень» (1) и «низкий логический уровень» (0). Полное напряжение питания принимается в качестве уровня «логической единицы», а нулевое напряжение — в качестве уровня «логического нуля».

уровни напряжений схем ТТЛ

В реальных схемах существует некоторое отклонение от идеала, например:
уровнями напряжения ТТЛ-схем (транзисторно-транзисторная логика) соответствуют напряжению около О В (земля) и напряжением от + 3 до + 5 В. При этом логическая единица находится в промежутке напряжений от 2,7 – 5 Вольт, логический нуль от 0 – 0,5 Вольт. Промежуток напряжений от 0,5 – 2,7 Вольт соответствует неопределенному состоянию, то есть никто не может предсказать к какому уровню перейдет сигнал.

Читайте также:  Блок питания 12 вольт напряжение проседает при нагрузке

дребезг контактов RC-фильтр

Неопределенность уровня сигнала может происходить также в результате «дребезга контактов». Этот эффект происходит из-за вибрации механических переключателей, когда при единичном нажатии происходит выдача пачки импульсов, что не допустимо для большинства схем. Решением данной проблемы может быть введение емкости в цепь управления — RC-фильтр, а для микропроцессорных систем возможно программное создание временной задержки заведомо большей чем может происходить процесс.

Для понимания процессов при операциях с информацией в двоичной форме необходимы знания систем счисления, правила кодирования и навыки математических вычислений. Также предлагаем ознакомиться с разделом «Виды электрических сигналов»

двоичная математика:

Системы счисления

Существуют позиционные и непозиционные системы счисления.

Люди предпочитают десятичную систему счисления вероятно потому, что с древних времен они считали по пальцам, а пальцев у людей по 10 на руках и ногах. Для цифровой электроники очень удобна двоичная система счисления (есть сигнал 1, нет сигнала 0). В связи с этим описание внутренних процессов и представление данных в ЭВМ используют именно ее. Для общения с ЭВМ используют, кроме двоичной, десятичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления. Понимание принципов построения позиционных систем счисления необходимо на всех этапах проектирования и обслуживания цифровых систем.

Десятичная система счисления

позиционная система счисления по целочисленному основанию 10. Одна из наиболее распространённых систем. В ней используются цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, называемые арабскими цифрами.
Один десятичный разряд в десятичной системе счисления иногда называют декадой. В цифровой электронике одному десятичному разряду десятичной системы счисления соответствует один десятичный триггер.
Например, число сто три представляется в десятичной системе счисления в виде:
103 = 1 * 10^ <2>+ 0 * 10^ <1>+ 3* 10^<0>.

Двоичная система счисления

позиционная система счисления с основанием 2. В двоичной системе счисления числа записываются с помощью двух символов (0 и 1). Чтобы не путать, в какой системе счисления записано число, его снабжают указателем справа внизу. Например, число в десятичной системе 510, в двоичной 1012.

операции с двоичными данными

Таблица сложения
+ 1
1
1 1 10(перенос в старший разряд)
Таблица вычитания
1
1
1 (заём из старшего разряда) 1 1
Таблица умножения
x 1
1 1

Шестнадцатеричная систем счисления

позиционная система счисления по целочисленному основанию 16. Обычно в качестве шестнадцатеричных цифр используются десятичные цифры от 0 до 9 и латинские буквы от A до F для обозначения цифр от 1010 до 1510, то есть (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F).
Широко используется в низкоуровневом программировании и компьютерной документации, поскольку в современных компьютерах минимальной единицей памяти является 8-битный байт, значения которого удобно записывать двумя шестнадцатеричными цифрами.
Шестнадцатеричный цвет — запись трёх компонент цвета (R, G и B) в шестнадцатеричном виде.
hexadecimal — Отсюда происходит использование в конце шестнадцатеричных чисел латинской буквы Н наряду с индексом 16 для обозначения шестнадцатеричной системы счисления. Мы будем использовать также термин Н-код.

операции с шестнадцатеричными данными

Каждый шестнадцатеричный символ может быть представлен единственным сочетанием четырех бит. Таким образом, представлением двоичного числа 1001 1110 в шестнадцатеричном коде является число 9Е. Эго значит, что часть 1001 двоичного числа равна 9, а часть 1110 равна Е (конечно, в шестнадцатеричном коде). Следовательно, 1001 11102=9E16. (Не следует забывать, что индексы означают основание системы счисления.)
Как преобразовать двоичное число 111010 в шестнадца¬теричное? Надо начать с МБ и разделить двоичное число на группы из 4 бит. Затем надо заменить каждую группу из 4 бит эквивалентной шестнадцатеричной цифрой: 10102 = А, 00112 = 3, следовательно, 1110102=ЗА16.
Как преобразовать шестнадцатеричное число 7F в двоичное? В этом случае каждая шестнадцатеричная цифра должна быть заменена своим двоичным эквивалентом из 4 бит. В примере двоичное число 0111 заменено шестнадцатеричной цифрой 7, а 11112 заменяет F,6, откуда 7F16 = = 1111 01112.

Источник