Dlaczego Digital 0 nie 0V w systemach komputerowych?

Biorę kurs projektowania systemu komputerowego, a mój profesor powiedział nam, że w systemach cyfrowych konwencjonalne napięcia używane do oznaczenia cyfrowego 0 i cyfrowego 1 zmieniły się na przestrzeni lat.

Najwyraźniej w latach 80. 5 V używano jako „wysokiego”, a 1 V stosowano jako „niski”. Obecnie „wysoki” wynosi 0,75 V, a „niski” około 0,23 V. Dodał, że w najbliższej przyszłości możemy przejść do systemu, w którym 0,4 V oznacza wysokie, a 0,05 V niskie.

Twierdził, że wartości te stają się coraz mniejsze, abyśmy mogli zmniejszyć zużycie energii. Jeśli tak jest, to dlaczego w ogóle staramy się ustawić „niskie” na jakiekolwiek dodatnie napięcie? Dlaczego po prostu nie ustawimy na prawdziwe napięcie 0 V (chyba neutralne z linii energetycznych)?

Mylisz wartość „idealną” z prawidłowym zakresem wejściowym.

W zwykłej logice, w idealnych warunkach, logiczne zero wynosi dokładnie 0 V. Jednak w realnym świecie nic nie jest idealne, a wyjście elektroniczne ma pewną tolerancję. Rzeczywiste napięcie wyjściowe zależy od jakości przewodów, szumu EMI, prądu, który musi dostarczyć itp. Aby uwzględnić te niedoskonałości, wejścia logiczne traktują cały zakres napięcia jako 0 (lub 1). Zobacz zdjęcie w odpowiedzi Andy'ego.

To, co Twój wykładowca prawdopodobnie miał na myśli przez 0,75 V, jest jednym z punktów tworzących logiczny zakres 0.

Uwaga: istnieje również pusty zakres od 0 do 1. Jeśli spadnie tutaj napięcie wejściowe, obwód wejściowy nie może zagwarantować prawidłowego działania, więc obszar ten jest zabroniony.

Jesteś zdezorientowany. Spójrz na TTL na przykład:

Niski poziom wejściowy wynosi od 0 woltów do niewielkiej wartości powyżej 0 woltów (0,8 woltów w przypadku TTL).

dlaczego w ogóle zadajemy sobie trud ustawiania „niskiego” na jakiekolwiek dodatnie napięcie?

Dokładamy wszelkich starań, aby wartość była poniżej pewnej niewielkiej wartości.

Zdjęcie stąd .

Niemożliwe jest wytworzenie logicznej sygnalizacji zera zero woltów. Należy dopuścić pewną tolerancję, ponieważ zespół obwodów elektrycznych nie jest nieskończenie doskonały. Wydawanie pieniędzy na próbę uczynienia go nieskończenie doskonałym również nie byłoby dobrą inwestycją w fundusze projektowe. Obwody cyfrowe rozprzestrzeniły się i rozwijały tak szybko, ponieważ wykorzystują ogromną liczbę kopii bardzo prostych i tolerancyjnych obwodów, które są bramkami logicznymi.

Stany binarne 1 i 0 są reprezentowane w cyfrowych obwodach logicznych odpowiednio przez wysokie i niskie napięcia. Napięcia reprezentujące wysoki poziom logiczny i niski poziom logiczny mieszczą się w uprzednio zdefiniowanych i uzgodnionych zakresach dla używanej rodziny układów logicznych.

Zdolność do pracy z napięciami w tych zakresach jest jedną z głównych zalet cyfrowych układów logicznych - to nie jest awaria. Wejścia bramek logicznych mogą łatwo odróżnić wysokie i niskie napięcia. Wyjścia bramki logicznej wytwarzają prawidłowe logiczne wysokie i niskie napięcie. Mały szum sygnału jest usuwany, gdy sygnały logiczne przechodzą przez bramki. Każde wyjście przywraca sygnał wejściowy do dobrego napięcia logicznego.

W przypadku obwodów analogowych odróżnienie szumu od sygnału będącego przedmiotem zainteresowania jest trudniejsze, a praktycznie niemożliwe, i całkowite jego odrzucenie.

Oprócz kwestii, które wynikają z innych odpowiedzi, pojawia się kwestia pojemności pasożytniczych przy dużych prędkościach przełączania (zwykle ignorowana pojemność drutów i innych elementów). Druty zwykle mają również niewielki opór. (Bardzo uproszczony model!)

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Jako sieć RC powoduje to wykładniczą krzywą opadania (V ~ e ^ -kt). Jeśli odbiornik ustawi próg na bardzo niski (blisko 0 V), będzie musiał poczekać znaczny czas na spadek napięcia wyjściowego na tyle, aby uruchomić próg. Ten czas może wydawać się nieistotny, ale dla urządzenia, które ma przełączać milion (nawet miliard) razy na sekundę, jest to problem. Rozwiązaniem jest zwiększenie napięcia „OFF”, aby uniknąć długiego ogona funkcji wykładniczej.

Ponieważ nic nie jest idealne i musisz zapewnić margines błędu. Te liczby są progami. Jeśli najniższe możliwe napięcie w twoim systemie wynosi 0 V, a twój próg wynosi 0 V, to co cię pozostawia, jeśli WSZYSTKIE elementy i przewody nie są idealnymi przewodnikami (tj. Zawsze mają pewien spadek napięcia) i są bezszelestne w cichym otoczeniu? Pozostawia ci system, który nigdy nie będzie w stanie niezawodnie wyprowadzić 0V, jeśli w ogóle może to zrobić.

W systemie 2-szynowym (zwykle układy zasilane tylko jednym dodatnim napięciem plus uziemienie) każdy przełącznik lub urządzenie obniżające pojemność wyjściową do niskiego poziomu sygnału ma skończoną rezystancję, a zatem nie może przełączyć przewodu sygnałowego na zero woltów w skończonym czasie. (Ignorowanie nadprzewodników). Wybrano więc realistyczne przesunięcie mniejszego napięcia, które spełnia wymagania wydajnościowe (prędkość przełączania vs. wymagania mocy i wytwarzanie hałasu itp.)

Jest to dodatek do marginesów potrzebnych do pokrycia szumu uziemienia (różne poziomy napięcia zerowego lub zerowego między obwodami źródłowym i docelowym), innych źródeł szumu, tolerancji itp.

W przeciwieństwie do niektórych odpowiedzi tutaj jestem prawie pewien, że w przeszłości istniało coś takiego jak czysty 0V. Logika przekaźników! Nie sądzę jednak, abyśmy chcieli do tego wrócić!