سطح منطقی یا صفر و یک منطقی

سطح منطقی، ما در دنیایی از سیگنال های آنالوگ زندگی می کنیم. گرچه در الکترونیک دیجیتال فقط دو حالت روشن یا خاموش وجود دارد.اما با استفاده از این دو حالت، دیوایس‌ها می توانند داده های زیادی را رمزگذاری،انتقال و کنترل کنند. سطح منطقی د گسترده ترین مفهوم هر حالت خاص و گسسته ای را که سیگنال می تواند داشته باشد توصیف می کند.در الکترونیک دیجیتال،ما به طور کلی مطالعه خود را به دو حالت منطق محدود می کنیم – دودویی 1 و دودویی 0 یا 1 باینری و 0 باینری و این دو حالت در دنیای الکترونیک دیجیتال فعلی اهمیت خیلی بالایی دارد.

این آموزش موارد زیر پوشش می دهد.

• سطح منطقی چیست؟
• استانداردهای متداول برای سطح منطقی در الکترونیک دیجیتال چیست.
• سطح ولتاژ TTL و CMOS

سطح منطقی چیست؟

به زبان ساده سطح منطقی یک ولتاژ خاص یا حالتی که در آن سیگنال می تواند وجود داشته باشد، در مدارهای دیجیتال دو حالت روشن و یا خاموش داریم، در سیستم باینری روشن بودن به معنای 1 باینری و خاموش بودن به معنای 0 باینری است.در آردوینو به ترتیب ما این سیگنال ها را بالا یا پایین می نامیم، چندین فن آوری مختلف الکترونیکی وجود دارد که در طول 30 سال گذشته برای تعیین سطح ولتاژ های مختلف تکامل یافته است.

صفر و یک منطقی (منطق 0 یا منطق 1)

الکترونیک دیجیتال برای ذخیره، پردازش و انتقال داده یا اطلاعات به منطق باینری تکیه می کند. منطق دودویی به یکی از دو حالت – روشن یا خاموش – اشاره دارد. این معمولاً به عنوان باینری 1  یا باینری 0 ترجمه می شود. باینری 1، سیگنال بالا نیز گفته می شود و صفر باینری نیز سیگنال پایین گفته می شود.

قدرت یک سیگنال معمولاً با میزان ولتاژ آن توصیف می شود. چگونه یک منطق 0 (پایین) یا منطق 1 (بالا) تعریف می شود؟ تولید کنندگان تراشه ها معمولاً این موارد را در برگه مشخصات خود تعریف می کنند. متداول ترین استاندارد TTL یا Transistor-Transistor Logic است.

Active Low و Active High چیست؟

هنگام کار با IC ها و میکروکنترلرها، به احتمال زیاد با پین های فعال پایین و پین های فعال بالا روبرو خواهید شد. به عبارت ساده، این فقط نحوه فعال سازی پین را توضیح می دهد. اگر این یک پین فعال پایین است، باید آن را برای فعال سازی به زمین متصل کرد. برای یک پین فعال شونده سطح بالا، آن را به ولتاژ HIGH (معمولاً 3.3ولت یا 5 ولت) وصل کنید.

به عنوان مثال، بیایید بگوییم که شما یک شیفت ریجیستر دارید که دارای یک پین فعال سازی چیپ (CE ) است. اگر پین CE را در هر نقطه از مشخصات ارائه شده با خطی بر روی آن، می بینید، پس  آن پین فعال پایین است. برای فعال شدن تراشه، لازم است که پین به زمین متصل شود. اما اگر پین CE خطی بالای آن نداشته باشد، بنا براین فعال بالا است و برای فعال کردن پین  باید آن را به ولتاژ high  وصل کرد.

بسیاری از IC ها  توأمان دارای پین های فعال بالا و فعال پایین هستند فقط دقت کنید و مطمئن شوید که نام های پینی که خطی بالای خود دارد یا خیر. از این خط برای نشان دادن NOT استفاده می شود (همچنین به عنوان نوار شناخته می شود). وقتی چیزی not شود، به حالت مخالف تغییر می کند. بنابراین اگر یک ورودی فعال بالاnot  شود اکنون فعال پایین است. به همین سادگی!

سطح منطقی TTL

بیشتر سیستم هایی که ما از آنها استفاده می کنیم به سطح 3.3 ولت یا 5 ولت TTL تکیه می کنند. TTL مخفف Transicor-Transistor Logic است. و به مدارهای ساخته شده از ترانزیستورهای دو قطبی جهت دستیابی به  سوئیچینگ و حفظ حالتهای منطقی متکی است. ترانزیستورها معمولاً برای کلیدهای برقی کنترل شده به کار می روند. باید بدانید برای هرگونه گروه منطقی، چندین سطح ولتاژ آستانه وجود دارد. در زیر مثالی برای سطح استاندارد 5 ولت TTL آورده شده است:

• VOH – حداقل مقدار ولتاژ خروجی یک دیوایس TTL که برای سیگنال بالا فراهم می کند.
• VIH – حداقل مقدار ولتاژ ورودی که برای محدوده بالا در نظر گرفته می شود.
• VOL – حداکثر مقدار ولتاژ خروجی یک دیوایس که برای سیگنال پایین فراهم می کند.
• VIL – حداکثر مقدار ولتاژ ورودی که هنوز هم در محدوده پایین تلقی می شود.

5ولت استانداراد TTL

باید توجه کنید که حداقل ولتاژ خروجی بالا (VOH) 2.7 ولت است. اساساً، این بدان معنی است که ولتاژ خروجی دیوایس برای 1 منطقی باید حداقل 2.7 ولت باشد و حداقل ولتاژ ورودی بالا (VIH) نیز 2 ولت است، بنابراین هر ولتاژی که حداقل 2 ولت باشد به عنوان 1 منطقی (بالا) در یک دیوایس  TTL  تلقی می شود.

همان طور که متوجه شدید اختلافی 0.7 ولتی بین خروجی یک دیوایس و ورودی دیوایس دیگر وجود دارد.  که اغلب به آن حاشیه نویز (نویز مارجین) گفته می شود.

به همین ترتیب، حداکثر ولتاژ خروجی پایین (VOL) 0.4 ولت است. این بدان معنی است که دیوایسی که سعی در ارسال 0 منطقی  دارد، همیشه زیر 0.4 ولت خواهد بود. و همچنین حداکثر ولتاژ ورودی پایین(VIL) 0.8 ولت است. بنابراین، هر سیگنال ورودی  که پایین تر از 0.8 ولت باشد هنوز هم توسط دیوایس 0 منطقی (پایین)در نظر گرفته می شود.

چه اتفاقی می افتد اگر شما یک ولتاژ بین 0.8 ولت و 2 ولت داشته باشید؟  خوب، حدس شما به اندازه من خوب است.  صادقانه بگویم، این دامنه ولتاژ تعریف نشده است و حالتی نامعتبر  را در بر دارد، که اغلب به آن حالت شناور گفته می شود.  اگر یک پین خروجی  دیوایس شما در محدوده “شناور” باشد، نمیتوان نتیجه این سیگنال را به طور قطع مشخص کرد. زیرا ممکن است به صورت تصادفی بین بالا و پایین حرکت کند.

در اینجا روشی دیگر برای مشاهده  تلرانس ورودی، خروجی یک دیوایس نوع TTL وجود دارد.

عکس چپ:ورودی قابل قول سطح سیگنال گیتTTL عکس راست:خروجی قابل قبول سطح سیگنال گیت TTL

سطح منطقی CMOS یا 3.3  ولتی

با پیشرفت تکنولوژی، دیوایس هایی ایجاد کرده ایم که نیاز به مصرف انرژی کمتری داشته باشند و با یک ولتاژ پایه پایین تر (Vcc = 3.3 ولت به جای 5 ولت) کار کنند. تکنیک ساخت نیز برای دیوایسهای 3.3 ولت کمی متفاوت است که امکان کوچک سازی فضای اشغالی و کاهش هزینه کلی سیستم را می دهد.

ولتاژ 3.3 خانواده های منطقی

به منظور اطمینان از سازگاری عمومی، متوجه خواهید شد که بیشترین میزان ولتاژ تقریباً مشابه دیوایسهای 5 ولت است. یک دیوایس 3.3 ولتی می تواند با یک دیوایس 5 ولتی و بدون هیچ اجزای اضافی ارتباط بگیرد. به عنوان مثال، یک منطق 1 (HIGH) از یک دیوایس 3.3 ولتی حداقل 2.4 ولت خواهد بود.  و این ولتاژ همچنان به عنوان یک منطق 1 (HIGH) در  یک سیستم 5 ولتی تعبیر می شود، زیرا بالاتر از VIH(  2 ولت ) است.

با این وجود باید کمی احتیاط کرد چون، در هنگام انجام ارتباط از یک دیوایس 5 ولتی به یک دیوایس 3.3 ولتی باید دیوایس 3.3 ولتی 5 ولت تلرانس داشته باشد. مشخصات مورد نظر شما حداکثر ولتاژ ورودی است. در برخی از دیوایس های 3.3 ولتی، هرگونه ولتاژ بالاتر از 3.6 ولت باعث آسیب دائمی تراشه می شود. می توانید از تقسیم ولتاژ ساده (مانند 1KΩ و 2KΩ) ​​برای پایین کشیدن سیگنال های 5 ولت به سطح 3.3 ولت استفاده کنید یا از یکی از شیفت دهنده‌های سطح منطق بهره بگیرید. خب الان که با سطح ولتاژ TTL و CMOS آشنا شدید بریم سراغ سطح منطقی آردوینو

سطح منطقی آردوینو

با نگاهی به برگه اطلاعاتی ATMega328 (میکروکنترلر اصلی در پشت Arduino)، شما باید توجه کنید که مقدار ولتاژها کمی متفاوت است.

مشخصات ولتاژ atmega328

آردوینو بر اساس پلتفورمی قوی تر بنا شده، قابل توجه ترین تفاوت این است که ناحیه نامعتبر ولتاژها فقط بین 1.5 ولت تا 3.0 ولت می باشد. نویز مارجین در آردوینو بیشتر است و آستانه بالاتری برای سیگنال LOW دارد. این امر باعث می شود تا ارتباط بین اجزاء و کار با آنها  توسط سخت افزارهای دیگر بسیار ساده تر شود.

ادامه کار

اکنون که به یکی از رایج ترین مفاهیم الکترونیک دست پیدا کرده اید، دنیای از مفاهیم جدید برای یادگیری وجود دارد!

• چگونه یک شماتیک را بخوانیم
• مدار منطقی – منطق دیجیتال
• تفاوت مدار آنالوگ و دیجیتال
• مدولاسیون عرض پالس
• مبدل DC به DC

همچنین اگر با مفاهیم پایه الکترونیک آشنا نیستید حتما توصیه می‌کنم مقالات بخش مفاهیم پایه الکترونیک را مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.