Cấp độ logic là gì? kiến thức mới năm 2023

Chúng ta đang sống trong một thế giới của các tín hiệu tương tự. Tuy nhiên, trong thiết bị điện tử kỹ thuật số, chỉ có hai trạng thái – BẬT hoặc TẮT. Sử dụng hai trạng thái này, các thiết bị có thể mã hóa, vận chuyển và kiểm soát rất nhiều dữ liệu. Mức logic, theo nghĩa rộng nhất, mô tả bất kỳ trạng thái cụ thể, rời rạc nào mà một tín hiệu có thể có. Trong điện tử kỹ thuật số, chúng tôi thường giới hạn nghiên cứu của mình ở hai trạng thái logic – Nhị phân 1 và Nhị phân 0.

Mức Logic là gì?

Nói một cách đơn giản, mức logic là một điện áp cụ thể hoặc một trạng thái mà tín hiệu có thể tồn tại. Chúng ta thường đề cập đến hai trạng thái trong mạch kỹ thuật số là BẬT hoặc TẮT. Được biểu diễn dưới dạng nhị phân, ON chuyển thành nhị phân 1 và OFF chuyển thành nhị phân 0. Trong Arduino, chúng tôi gọi các tín hiệu này tương ứng là CAO hoặc THẤP. Có một số công nghệ khác nhau đã phát triển trong 30 năm qua trong lĩnh vực điện tử để xác định các mức điện áp khác nhau.

Logic 0 hoặc Logic 1

Điện tử kỹ thuật số dựa trên logic nhị phân để lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu hoặc thông tin. Logic nhị phân đề cập đến một trong hai trạng thái – BẬT hoặc TẮT. Điều này thường được dịch là nhị phân 1 hoặc nhị phân 0. Một nhị phân 1 cũng được gọi là tín hiệu CAO và nhị phân 0 được gọi là tín hiệu THẤP.

Cường độ của tín hiệu thường được mô tả bằng mức điện áp của nó. Logic 0 (THẤP) hoặc logic 1 (CAO) được định nghĩa như thế nào? Các nhà sản xuất chip thường xác định những điều này trong bảng thông số kỹ thuật của họ. Tiêu chuẩn phổ biến nhất là TTL hoặc Transistor-Transistor Logic.

Tín hiệu-Thấp và Tín hiệu-Cao

Khi làm việc với IC và vi điều khiển, bạn có thể gặp phải các chân đang hoạt động ở mức thấp và chân đang hoạt động ở mức cao. Nói một cách đơn giản, điều này chỉ mô tả cách pin được kích hoạt. Nếu đó là chân cắm ở mức thấp, bạn phải “kéo” chân LOW đó bằng cách kết nối nó với mặt đất. Đối với chân cao hoạt động, bạn kết nối nó với điện áp CAO (thường là 3,3V / 5V).

Nhiều IC sẽ có cả chân tích cực-thấp và chân cao hoạt động xen kẽ. Chỉ cần đảm bảo kiểm tra kỹ các tên ghim có dòng kẻ trên chúng. Dòng được sử dụng để biểu diễn NOT (còn được gọi là thanh). Khi một cái gì đó KHÔNG ĐƯỢC LƯU Ý, nó sẽ chuyển sang trạng thái ngược lại. Vì vậy, nếu một đầu vào hoạt động-cao không được LƯU Ý, thì bây giờ nó đang hoạt động-thấp. Đơn giản như thế!

Mức độ logic TTL

Phần lớn các hệ thống chúng tôi sử dụng dựa trên Mức TTL 3,3V hoặc 5 V. TTL là từ viết tắt của Transistor-Transistor Logic. Nó dựa trên các mạch được xây dựng từ bóng bán dẫn lưỡng cực để đạt được chuyển đổi và duy trì trạng thái logic. Các bóng bán dẫn về cơ bản được dùng để nói về các thiết bị chuyển mạch được điều khiển bằng điện. Đối với bất kỳ họ logic nào, có một số mức điện áp ngưỡng cần biết. Dưới đây là một ví dụ cho các mức TTL 5V tiêu chuẩn:

V _OH – NGÕ RA TỐI THIỂU Mức điện áp mà thiết bị TTL sẽ cung cấp cho tín hiệu CAO.

V _IH – Ngõ vào tối thiểu Mức điện áp được coi là CAO.

V _OL – OUTPUT Tối đa Mức điện áp mà một thiết bị sẽ cung cấp cho tín hiệu THẤP.

V _IL – Mức điện áp ĐẦU VÀO tối đa vẫn được coi là THẤP.

Bạn sẽ nhận thấy rằng điện áp CAO đầu ra tối thiểu (V _OH ) là 2,7 V. Về cơ bản, điều này có nghĩa là điện áp đầu ra của thiết bị điều khiển CAO sẽ luôn ít nhất là 2,7 V. Điện áp CAO đầu vào tối thiểu (V _IH ) là 2 V, hoặc về cơ bản bất kỳ điện áp nào ít nhất là 2 V sẽ được đọc ở dạng logic 1 (CAO) cho thiết bị TTL.

Bạn cũng sẽ nhận thấy rằng có khoảng đệm 0,7 V giữa đầu ra của một thiết bị và đầu vào của thiết bị khác. Điều này đôi khi được gọi là biên độ tiếng ồn .

Tương tự như vậy, điện áp LOW đầu ra tối đa (V _OL ) là 0,4 V. Điều này có nghĩa là một thiết bị cố gắng gửi ra mức logic 0 sẽ luôn ở dưới 0,4 V. Điện áp LOW đầu vào tối đa (V _IL ) là 0,8 V. Vì vậy, bất kỳ tín hiệu đầu vào thấp hơn 0,8 V sẽ vẫn được coi là mức logic 0 (LOW) khi được đọc vào thiết bị.

Điều gì xảy ra nếu bạn có một hiệu điện thế nằm trong khoảng từ 0,8 V đến 2 V? Chà, suy đoán của bạn cũng tốt như của tôi. Thành thật mà nói, dải điện áp này là không xác định và dẫn đến trạng thái không hợp lệ, thường được gọi là thả nổi. Nếu chân đầu ra trên thiết bị của bạn “nổi” trong phạm vi này, không có gì chắc chắn về kết quả của tín hiệu. Nó có thể nảy tùy ý giữa mức CAO và mức thấp.

Đây là một cách khác để xem xét dung sai đầu vào / đầu ra cho một thiết bị TTL chung.

Mức logic 3.3 V CMOS

Khi công nghệ ngày càng phát triển, chúng tôi đã tạo ra các thiết bị yêu cầu tiêu thụ điện năng thấp hơn và chạy ở điện áp cơ bản thấp hơn (V _cc = 3,3 V thay vì 5 V). Kỹ thuật chế tạo cũng có một chút khác biệt đối với các thiết bị 3.3 V cho phép sử dụng nhỏ hơn và chi phí hệ thống tổng thể thấp hơn.

Để đảm bảo tính tương thích chung, bạn sẽ nhận thấy rằng hầu hết các mức điện áp hầu như đều giống với các thiết bị 5 V. Thiết bị 3.3 V có thể giao tiếp với thiết bị 5V mà không cần bất kỳ thành phần bổ sung nào. Ví dụ: mức logic 1 (CAO) từ thiết bị 3,3 V sẽ ít nhất là 2,4 V. Điều này sẽ vẫn được hiểu là mức logic 1 (CAO) đối với hệ thống 5V vì nó nằm trên V _IH của 2 V.

Tuy nhiên, một lời cảnh báo là khi đi theo hướng khác và giao tiếp từ thiết bị 5 V sang thiết bị 3,3 V để đảm bảo rằng thiết bị 3,3 V có dung sai 5 V. Thông số kỹ thuật bạn quan tâm là điện áp đầu vào tối đa . Trên một số thiết bị 3,3 V nhất định, bất kỳ điện áp nào trên 3,6 V sẽ gây ra hư hỏng vĩnh viễn cho chip. Bạn có thể sử dụng bộ chia điện áp đơn giản (như 1KΩ và 2KΩ) ​​để giảm tín hiệu 5 V xuống mức 3,3 V hoặc sử dụng một trong các bộ chuyển mức logic.

Các cấp độ logic của Arduino

Nhìn vào biểu dữ liệu cho ATMega328 (vi điều khiển chính đằng sau Arduino Uno và Sparkfun RedBoard), bạn có thể nhận thấy rằng các mức điện áp hơi khác nhau.

Arduino được xây dựng trên một nền tảng mạnh mẽ hơn một chút. Sự khác biệt đáng chú ý nhất là vùng điện áp không hợp lệ chỉ nằm trong khoảng từ 1,5 V đến 3,0 V. Biên độ nhiễu lớn hơn trên Arduino và nó có ngưỡng cao hơn đối với tín hiệu THẤP. Điều này làm cho việc xây dựng giao diện và làm việc với các phần cứng khác trở nên đơn giản hơn nhiều.