سطوح منطقی دیجیتال (Logic Levels – آموزش جامع)

در دنیای واقعی ما با سیگنال‌های آنالوگ سروکار داریم؛ اما در الکترونیک دیجیتال، همه چیز به دو حالت خلاصه می‌شود: روشن یا خاموش. دستگاه‌ها با استفاده از همین دو حالت ساده می‌توانند حجم زیادی از داده را رمزگذاری، منتقل و کنترل کنند. سطوح منطقی در گسترده‌ترین تعریف، هر وضعیت مشخص و مجزایی است که یک سیگنال می‌تواند داشته باشد. در سیستم‌های دیجیتال معمولاً این وضعیت‌ها به دو سطح محدود می‌شوند: 1 باینری و 0 باینری.

برای درک بهتر، مطالعه پایه‌های زیر پیشنهاد می‌شود:

• مدار چیست: آشنایی با مفهوم مدار الکتریکی
• ولتاژ و جریان: درک قانون اهم و مفاهیم پایه‌ای الکتریسیته

Logic Level چیست؟

به‌طور ساده، Logic Level یک ولتاژ مشخص یا حالت خاصی است که یک سیگنال می‌تواند در آن قرار گیرد. در مدارهای دیجیتال، معمولاً دو حالت را ON یا OFF می‌نامیم. در نمایش دودویی، ON به 1 و OFF به 0 ترجمه می‌شود. در آردوینو، این سیگنال‌ها به ترتیب HIGH و LOW نامیده می‌شوند. طی 30 سال گذشته، فناوری‌های مختلفی در الکترونیک توسعه یافته‌اند تا سطوح ولتاژ متفاوت را تعریف کنند.

منطق 0 یا منطق 1

الکترونیک دیجیتال برای ذخیره، پردازش و انتقال داده‌ها یا اطلاعات به منطق دودویی متکی است. منطق دودویی به یکی از دو حالت اشاره دارد: ON یا OFF، که معمولاً به 1 یا 0 دودویی ترجمه می‌شود. سیگنال 1 دودویی همچنین HIGH و سیگنال 0 دودویی نیز LOW نامیده می‌شود.

قدرت یک سیگنال معمولاً با سطح ولتاژ آن توصیف می‌شود. منطق 0 (LOW) یا منطق 1 (HIGH) چگونه تعریف می‌شوند؟ تولیدکنندگان چیپ‌ها این مقادیر را معمولاً در برگه مشخصات خود تعیین می‌کنند. رایج‌ترین استاندارد، TTL یا Transistor-Transistor Logic است.

Active-Low و Active-High

در کار با ICها و میکروکنترلرها، احتمالاً با پایه‌هایی مواجه می‌شوید که active-low یا active-high هستند. به‌طور ساده، این نشان می‌دهد که چگونه پایه فعال می‌شود. اگر پایه active-low باشد، باید آن را با اتصال به زمین (GND) LOW کنید. برای پایه active-high، آن را به ولتاژ HIGH (معمولاً 3.3V یا 5V) متصل می‌کنید.

به عنوان مثال، فرض کنید یک شیفت رجیستر با پایه فعال‌سازی CE دارید. اگر در دیتاشیت CE با یک خط روی آن نمایش داده شده باشد، یعنی این پایه active-low است و برای فعال شدن باید به GND متصل شود. اگر خطی روی CE نباشد، پایه active-high است و برای فعال شدن باید HIGH شود.

بسیاری از ICها هر دو نوع پایه active-low و active-high را دارند. فقط مطمئن شوید نام پایه‌هایی که خط روی آن‌ها است را دوباره بررسی کنید. خط برای نمایش NOT (یا bar) استفاده می‌شود. وقتی چیزی NOT می‌شود، به حالت مخالف تبدیل می‌شود. پس اگر یک ورودی active-high NOT شود، اکنون active-low خواهد بود.

سطوح منطق TTL

اکثر سیستم‌هایی که استفاده می‌کنیم به سطوح TTL 3.3V یا 5V متکی هستند. TTL مخفف Transistor-Transistor Logic است و بر مدارهایی ساخته شده از ترانزیستورهای دوقطبی برای سوئیچینگ و حفظ حالت‌های منطقی متکی است. ترانزیستورها اساساً سوئیچ‌های کنترل‌شده الکتریکی هستند.

برای هر خانواده منطقی، چند سطح ولتاژ آستانه وجود دارد که باید بدانید. مثال استاندارد برای TTL 5V:

• VOH: حداقل ولتاژ خروجی که دستگاه TTL برای سیگنال HIGH ارائه می‌دهد.
• VIH: حداقل ولتاژ ورودی برای در نظر گرفتن HIGH.
• VOL: حداکثر ولتاژ خروجی که دستگاه برای LOW ارائه می‌دهد.
• VIL: حداکثر ولتاژ ورودی که هنوز به عنوان LOW در نظر گرفته می‌شود.

سطوح منطق TTL استاندارد 5V

حداقل ولتاژ خروجی HIGH (VOH) برابر 2.7V است. یعنی ولتاژ خروجی دستگاه که HIGH است همیشه حداقل 2.7V خواهد بود. حداقل ولتاژ ورودی HIGH (VIH) برابر 2V است، یعنی هر ولتاژی که حداقل 2V باشد، توسط دستگاه TTL به عنوان منطق 1 (HIGH) خوانده می‌شود.

بین خروجی یک دستگاه و ورودی دستگاه دیگر، فاصله 0.7V وجود دارد که گاهی به آن نویز مارجین گفته می‌شود.

حداکثر ولتاژ خروجی LOW (VOL) برابر 0.4V و حداکثر ولتاژ ورودی LOW (VIL) برابر 0.8V است. بنابراین هر سیگنالی که کمتر از 0.8V باشد، به عنوان منطق 0 (LOW) در نظر گرفته می‌شود.

اگر ولتاژی بین 0.8V و 2V باشد، این محدوده تعریف نشده است و منجر به حالت نامعتبر یا شناور می‌شود. در این حالت، سیگنال خروجی ممکن است به طور تصادفی بین HIGH و LOW نوسان کند.

روش دیگری برای مشاهده تحمل ورودی/خروجی در یک دستگاه TTL عمومی نیز وجود دارد.

سطوح منطق CMOS با ولتاژ 3.3V

با پیشرفت فناوری، دستگاه‌هایی ایجاد شده‌اند که به مصرف انرژی کمتری نیاز دارند و با ولتاژ پایه پایین‌تری (Vcc = 3.3 V به جای 5 V) کار می‌کنند. تکنیک ساخت برای دستگاه‌های 3.3 V کمی متفاوت است که امکان طراحی با ابعاد کوچکتر و کاهش هزینه کل سیستم را فراهم می‌کند.

تحمل سطح منطق 3.3V

برای اطمینان از سازگاری عمومی، متوجه خواهید شد که اکثر سطوح ولتاژ تقریباً مشابه دستگاه‌های 5V هستند. یک دستگاه 3.3V می‌تواند بدون هیچ قطعه اضافی با دستگاه 5V ارتباط برقرار کند. برای مثال، یک منطق 1 (HIGH) از یک دستگاه 3.3V حداقل برابر 2.4V خواهد بود. این مقدار همچنان به عنوان منطق 1 (HIGH) برای یک سیستم 5V تفسیر می‌شود، زیرا بالاتر از VIH معادل 2V است.

با این حال، در هنگام ارتباط از یک دستگاه 5V به یک دستگاه 3.3V باید احتیاط کنید تا مطمئن شوید که دستگاه 3.3V تحمل 5V را دارد. مشخصه‌ای که باید بررسی کنید، حداکثر ولتاژ ورودی است. در برخی دستگاه‌های 3.3V، ولتاژ بالاتر از 3.6V ممکن است باعث آسیب دائمی به چیپ شود. می‌توان با استفاده از یک تقسیم‌کننده ولتاژ ساده (مثلاً 1KΩ و 2KΩ) سیگنال‌های 5V را به سطح 3.3V کاهش داد یا از یکی از مبدل‌های سطح منطق استفاده کرد.

سطح منطقی آردوینو

با بررسی دیتاشیت ATMega328 (میکروکنترلر اصلی پشت Arduino Uno)، ممکن است متوجه شوید که سطوح ولتاژ کمی متفاوت است.

آردوینو بر پایه پلتفرمی کمی مقاوم‌تر ساخته شده است. تفاوت قابل توجه این است که محدوده نامعتبر ولتاژ فقط بین 1.5V و 3.0V است. نویز مارجین در آردوینو بیشتر است و آستانه بالاتری برای سیگنال LOW دارد. این ویژگی‌ها ساخت رابط‌ها و کار با سایر سخت‌افزارها را بسیار ساده‌تر می‌کند.