Pourquoi le Digital 0 n'est-il pas 0V dans les systèmes informatiques?

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Je suis un cours de conception de systèmes informatiques et mon professeur nous a dit que dans les systèmes numériques, les tensions classiques utilisées pour désigner un 0 numérique et un 1 numérique ont changé au fil des ans.

Apparemment, dans les années 80, 5 V était utilisé comme «haut» et 1 V pour désigner un «bas». De nos jours, un «haut» correspond à 0,75 V et un «bas» aux environs de 0,23 V. Il a ajouté que dans un proche avenir, nous pourrions passer à un système où 0,4 V correspond à un haut et 0,05 V à un minimum.

Il a fait valoir que ces valeurs sont en train de devenir plus petites afin que nous puissions réduire notre consommation d'énergie. Si tel est le cas, pourquoi prenons-nous la peine de régler le niveau bas sur une tension positive? Pourquoi ne pas simplement le régler sur la vraie tension 0 V (neutre des lignes électriques, je suppose)?

Anirudh Ajith
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Je pense que l'explication la plus simple est qu'il y a des résistances parasites dans les fils / traces / "commutateurs" (transistors) afin que vous n'atteigniez jamais vraiment 0V, vous avez donc besoin d'une marge. À mesure que la technologie s'améliore, les marges peuvent se resserrer.
Wesley Lee
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La logique n'a jamais eu de valeurs uniques absolues pour haut et bas; TTL a une plage absolue et CMOS pur a une plage définie par le rail d'alimentation.
Peter Smith
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La limite basse n’a jamais été de 1v, la réponse de Andy qui dit que c’est 0,4v ou 0,8v dépend de l’envoi ou de la réception (parlez avec précision, écoutez avec grâce)
Neil_UK
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La tension que vous citez est la limite supérieure (seuil) pour un zéro logique.
CramerTV
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0 V n'existe pas, nous en parlons seulement dans un monde parfait.
Mast le

Réponses:

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Vous confondez la valeur "idéale" avec la plage d'entrée valide.

En logique habituelle, dans des conditions idéales, le zéro logique serait précisément 0V. Cependant, rien n’est parfait dans le monde réel, et une sortie électronique a une certaine tolérance. La tension de sortie réelle dépend de la qualité des fils, du bruit EMI, du courant qu’elle doit alimenter, etc. Pour remédier à ces imperfections, les entrées logiques traitent toute une plage de tension de 0 (ou 1). Voir la photo dans la réponse d'Andy.

Ce que votre conférencier a probablement voulu dire par 0,75V est l’un des points constituant la plage logique du 0.

Notez qu'il existe également une plage vide comprise entre 0 et 1. Si la tension d'entrée chute ici, le circuit d'entrée ne peut pas garantir un fonctionnement correct. Cette zone est donc interdite.

Akwky
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Vous êtes confus. Regardez TTL par exemple: -

entrez la description de l'image ici

Un niveau d'entrée bas est compris entre 0 volt et une petite valeur au dessus de 0 volt (0,8 volt pour le cas de TTL).

Pourquoi prenons-nous la peine de régler le niveau bas sur une tension positive?

Nous prenons la peine de nous assurer que la valeur est inférieure à une certaine valeur.

Photo d' ici .

Andy aka
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Pour cela, les plages de tension d'entrée valides sont différentes pour la signalisation TTL par rapport à la signalisation CMOS par rapport à la signalisation LVCMOS. La raison en est que la logique TTL (et le NMOS compatible qui l'a suivie) a eu beaucoup plus de difficulté à tirer vers le rail positif que vers le sol. La logique CMOS moderne peut tirer aussi bien l'une que l'autre, et il est également plus facile de construire un étage d'entrée CMOS symétriquement. Une sortie CMOS pilotera volontiers une entrée TTL, mais vous devez utiliser des entrées spéciales compatibles TTL avec une sortie TTL.
Chromatix
TI fournit
Chromatix
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Il est impossible de produire une signalisation logique à zéro volt vrai. Une certaine tolérance doit être tolérée car le circuit n’est pas infiniment parfait. Dépenser de l'argent en essayant de le rendre infiniment parfait ne serait pas non plus un bon investissement en fonds de conception. Les circuits numériques ont proliféré et se sont développés si rapidement parce qu'ils utilisent un grand nombre de copies des circuits très simples et tolérants que sont les portes logiques.

Les états binaires 1 et 0 sont représentés dans les circuits logiques numériques par des tensions logiques haute et basse tension, respectivement. Les tensions représentant le niveau logique haut et le niveau logique bas tombent dans des plages prédéfinies et convenues au préalable pour la famille logique utilisée.

La capacité de travailler avec des tensions comprises dans ces plages est l’un des principaux avantages des circuits logiques numériques - ce n’est pas un échec. Les entrées de portes logiques peuvent facilement distinguer les hautes et les basses tensions logiques. Les sorties de la porte logique produiront des tensions hautes et basses logiques valides. Un petit bruit de signal est éliminé lorsque les signaux logiques passent à travers les portes. Chaque sortie rétablit le signal d'entrée à une tension logique correcte.

Avec les circuits analogiques, il est plus difficile et pratiquement impossible de distinguer le bruit du signal d’intérêt et de le rejeter complètement.

TonyM
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Des seuils très élevés (sans hystérésis) signifient également des amplificateurs à gain ridiculement élevés. Il est également connu pour être sujet à des réactions et des oscillations ridicules, à la dérive et généralement nerveux.
rackandboneman
Notez également que les logiques 1 et 0 peuvent être utilement représentées sous forme de tensions basse et haute respectivement lorsqu'il est plus logique que le circuit le fasse. En effet, les signaux tels que les réinitialisations globales sont traditionnellement actives à l’état bas, et à l’ère nmos (une technologie notoirement mauvaise pour remonter) et, dans une moindre mesure, à l’ère TTL (même problème), il était commun aux était le seul moyen de faire circuler le courant.
Dan Mills
Il convient également de noter la logique en mode courant où les valeurs logiques sont définies en termes de courant plutôt que de tension. Cela permet une commutation plus rapide et une meilleure tolérance au bruit dans la transmission (en raison de la loi actuelle de Kirchhoff) au prix d'une consommation d'énergie accrue (bien que Wikipedia affirme que la LMC picoamp a été réalisée, ce qui ne poserait pas de problème non plus).
John Dvorak le
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Outre les points soulevés dans les autres réponses, il y a le problème des capacités parasites à des vitesses de commutation élevées (la capacité généralement ignorée des fils et autres composants). Les fils ont généralement aussi une légère résistance. (Un modèle très simplifié!)

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

S'agissant d'un réseau RC, il en résulte une courbe de décroissance exponentielle (V ~ e ^ -kt). Si le récepteur fixe le seuil très bas (près de 0 V), il devra attendre un temps assez long pour que la chute de tension de sortie soit suffisante pour déclencher le seuil. Cette heure peut sembler insignifiante, mais pour un appareil supposé commuter un million (milliard même) de fois par seconde, c'est un problème. Une solution consiste à augmenter la tension "OFF" pour éviter la longue traînée de la fonction exponentielle.

anti-modèle
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Parce que rien n'est parfait et que vous devez prévoir cela avec une marge d'erreur. Ces chiffres sont des seuils. Si la tension la plus basse possible dans votre système est 0 V et votre seuil est 0 V, où en êtes-vous si TOUS vos composants et votre câblage ne sont pas des conducteurs parfaits (c.-à-d. Qu'ils ont toujours une chute de tension) et silencieux dans un environnement silencieux? Cela vous laisse avec un système qui ne peut jamais produire une sortie 0V fiable, si même il peut le faire du tout.

DKNguyen
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Dans un système à 2 rails (généralement des puces alimentées avec une seule tension positive plus la terre), tout commutateur ou dispositif abaissant la capacité de sortie à un niveau de signal bas a une résistance finie et ne peut donc pas commuter un fil de signal à zéro volt en temps fini. (Ignorant les supraconducteurs). Ainsi, on choisit une faible tension réaliste qui répond aux exigences de performance (vitesse de commutation par rapport aux exigences de puissance et à la génération de bruit, etc.)

Cela s'ajoute aux marges nécessaires pour couvrir le bruit de sol (niveaux de tension au sol ou «zéro» différents entre les circuits source et de destination), d'autres sources de bruit, des tolérances, etc.

hotpaw2
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Contrairement à certaines réponses, je suis presque certain qu’il existait autrefois un seuil de 0V pur. Relais logique! Je ne pense pas que nous voulions y revenir!

utilisateur3042526
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Vos relais ont-ils utilisé des supraconducteurs? Je ne pense pas.
Elliot Alderson le
1
+1 à cause de critiques injustes. Un 0V pur peut être facilement atteint. Cela peut presque être réalisé avec un relais et simplement avec un accès à des appareils connectés à des sources négatives et à un retour si désiré. Le fait qu'il ait été utilisé comme valeur de conception requise pour les communications numériques semble toutefois peu probable, mais cela ne devrait pas être une raison pour voter cette réponse à la baisse.
KalleMP le
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@ ElliotAlderson Non, je ne peux pas, j'ai spécifiquement écrit qu'il était peu probable qu'il existe, ce qui signifie que je n'ai aucun moyen de le prouver. Cependant, pouvez-vous prouver qu'une telle valeur de conception n'a jamais été requise? Je ne le pensais pas. Maintenant, allez donner un nouveau vote au nouveau type (pour le ramener à zéro) afin qu'il ne soit pas démoralisé par des reproches, qu'il s'en aille et que nous perdions un autre esprit vif (jeune) sans raison valable.
KalleMP le
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@ ElliotAlderson Je pense que si vous mettez un oscilloscope sur une bobine de relais réelle, vous verrez la tension passer par zéro avant de devenir une valeur négative plus grande lorsque les contacts s'ouvriront. Mais, il m'est difficile de savoir si vous parlez d'un circuit réel ou d'un circuit idéal. Les contacts idéaux sont-ils arc? Sinon, la tension doit aller à l'infini négatif. Dans tous les cas, une fois les contacts ouverts et l’arc éteint, la résistance dans le circuit idéal sera infinie . Vous ne savez pas ce que cela fait à votre constante de temps.
Salomon Slow
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@SolomonSlow Le comportement transitoire est réel mais il est facilement modélisé avec un circuit idéal. La résistance qui contrôle le comportement de la tension de la bobine après l’ouverture des contacts est la résistance de la bobine elle-même (ce qui vous donne le bénéfice du doute qu’il n’existe aucun courant de fuite). Il est un circuit RL parallèle à ce moment - là, ce qui nécessite un temps infini pour le courant d'inducteur pour tomber à exactement zéro. Même dans le monde pratique, il y a un moment où la tension aux bornes de la bobine est non nulle mais les contacts du relais s'ouvrent ... un "0" logique avec une tension non nulle.
Elliot Alderson le