Xung và sóng vuông được sử dụng rộng rãi trong thiết bị điện tử kỹ thuật số, trong đó các mức điện áp được xác định trước biểu thị một trong hai trạng thái có thể có tại bất kỳ điểm nào trong mạch. Các trạng thái này được gọi đơn giản là CAO và THẤP, và tương ứng với các trạng thái 1 (đúng) và 0 (sai) của logic Boolean (đại số mô tả các hệ thống hai trạng thái như vậy). Điện áp chính xác là không cần thiết trong thiết bị điện tử kỹ thuật số. Bạn chỉ cần phân biệt trạng thái nào trong hai trạng thái có thể có. Do đó, mỗi họ logic kỹ thuật số chỉ định các trạng thái CAO và THẤP hợp pháp. Ví dụ: họ logic kỹ thuật số “74LVC” chạy từ một nguồn +3,3 V duy nhất, với các mức đầu ra thường là 0 V (THẤP) và 3,3 V (CAO) và ngưỡng quyết định đầu vào là 1,5 V. Tuy nhiên, đầu ra thực tế có thể cách xa mass tới 0,4 V hoặc từ +3,3V mà không gặp sự cố. Chúng ta sẽ có nhiều điều để nói về các mức logic trong bài này.
Mức logic là gì?
Nói một cách đơn giản, mức logic là một điện áp cụ thể hoặc trạng thái mà tín hiệu có thể tồn tại. Chúng ta thường đề cập đến hai trạng thái trong một mạch kỹ thuật số là BẬT hoặc TẮT. Được biểu diễn dưới dạng nhị phân, BẬT chuyển thành nhị phân 1 và TẮT chuyển thành nhị phân 0. Trong Arduino, chúng tôi gọi các tín hiệu này là CAO hoặc THẤP tương ứng. 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 vào 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. Nhị phân 1 cũng được gọi là tín hiệu CAO và nhị phân 0 được gọi là tín hiệu THẤP.
Độ mạnh của tín hiệu thường được mô tả bằng mức điện áp của nó. Logic 0 (THẤP) hoặc logic 1 (CAO) được xác định 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 Logic Transistor-Transistor.
Hoạt động-Thấp và Hoạt động-Cao
Khi làm việc với IC và vi điều khiển, bạn có thể gặp phải các chân ở mức hoạt động thấp và các chân ở mức hoạt động cao. Nói một cách đơn giản, điều này chỉ mô tả cách kích hoạt pin. Nếu đó là chân cắm ở mức thấp đang hoạt động, bạn phải “kéo” chân cắm đó về THẤP bằng cách nối nó với đất. Đối với chân cao đang hoạt động, bạn kết nối nó với điện áp CAO (thường là 3,3V/5V).
Ví dụ: giả sử bạn có một thanh ghi dịch chuyển có chân kích hoạt chip, CE. Nếu bạn thấy chân CE ở bất kỳ đâu trong biểu dữ liệu với một dòng trên chân như thế này, CE , thì chân đó đang hoạt động ở mức thấp. Chân CE sẽ cần được kéo về GND để kích hoạt chip. Tuy nhiên, nếu chân CE không có đường dây trên nó, thì nó đang hoạt động ở mức cao và nó cần được kéo CAO để kích hoạt chân.
Nhiều IC sẽ có cả chân hoạt động ở mức thấp và hoạt động ở mức cao xen kẽ. Chỉ cần đảm bảo kiểm tra kỹ các tên pin có một dòng trên chúng. Dòng được sử dụng để đại diện cho KHÔNG (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 ở mức cao KHÔNG ĐƯỢC LƯU Ý, thì hiện tại nó đang ở mức hoạt động ở mức thấp. Đơn giản như thế!
Mức logic TTL
Phần lớn các hệ thống chúng tôi sử dụng đều dựa vào Mức TTL 3,3V hoặc 5 V. TTL là từ viết tắt của Transistor-Transistor Logic. Nó dựa vào các mạch được xây dựng từ các bóng bán dẫn lưỡng cực để đạt được trạng thái chuyển mạch và duy trì logic. Các bóng bán dẫn về cơ bản là cách nói hoa mỹ dành cho các công tắc 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 về mức 5V TTL tiêu chuẩn:
V OH — Mức điện áp OUTPUT tối thiểu mà thiết bị TTL sẽ cung cấp cho tín hiệu CAO.
V IH — Mức điện áp INPUT tối thiểu được coi là CAO.
V OL — Mức điện áp OUTPUT tối đa mà thiết bị sẽ cung cấp cho tín hiệu THẤP.
V IL — Mức điện áp INPUT 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 có ít nhất 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 dưới dạng logic 1 (CAO) cho thiết bị TTL.
Bạn cũng sẽ nhận thấy rằng có đệm 0,7 V giữa đầu ra của một thiết bị và đầu vào của một thiết bị khác. Điều này đôi khi được gọi là biên độ tiếng ồn.
Tương tự, điện áp THẤP đầu ra tối đa (V OL ) là 0,4 V. Điều này có nghĩa là một thiết bị cố gắng gửi logic 0 sẽ luôn dưới 0,4 V. Điện áp THẤP đầu vào tối đa (V IL ) là 0,8 V. Vì vậy, bất kỳ tín hiệu đầu vào dưới 0,8 V sẽ vẫn được coi là logic 0 (THẤP) khi đọc vào thiết bị.
Điều gì xảy ra nếu bạn có điện áp nằm trong khoảng từ 0,8 V đến 2 V? Vâng, dự đoán của bạn là tốt như của tôi. Thành thật mà nói, phạm vi điện áp này không được 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, thì không có gì chắc chắn về tín hiệu sẽ tạo ra. Nó có thể nảy tùy ý giữa CAO và THẤP.
Đây là một cách khác để xem 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 mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và sử dụng điện áp cơ bản thấp hơn (V cc = 3,3 V thay vì 5 V). Kỹ thuật chế tạo cũng hơi khác một chút đối với các thiết bị 3,3 V cho phép chiếm diện tích nhỏ hơn và giảm chi phí hệ thống tổng thể.
Để đảm bảo khả năng 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 vẫn sẽ được hiểu là mức logic 1 (CAO) đối với hệ thống 5V vì nó cao hơn V IH là 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 chịu được 5 V. Thông số kỹ thuật mà 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 hư hỏng vĩnh viễn cho chip. Bạn có thể sử dụng một 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 dịch mức logic của chúng tôi .
Cấp độ logic Arduino
Nhìn vào bảng dữ liệu cho ATMega328 (bộ 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 giao diện xây dựng và làm việc với phần cứng khác đơn giản hơn nhiều.
