Logická úroveň

Logická úroveň je reprezentace logické hodnoty v číslicové technice určitým stavem elektrického obvodu, nejčastěji úrovní elektrického napětí vůči společnému vodiči. Mimo elektroniku mohou pro reprezentaci logické úrovně sloužit i jiné fyzikální veličiny (tlak v pneumatických systémech, intenzita světla v optoelektronice).

Digitální signál (binární)

V naprosté většině případů rozlišujeme dvě úrovně, Vysokou úroveň (H-level a High, H) a Nízkou úroveň (L-level, Low, L).

Napěťové úrovně

V digitální technice je nositelem informace obvykle elektrické napětí. Protože informace bývají kódované zpravidla binárně, používají se dvě napěťové úrovně, případně intervaly. Vysoká úroveň je napětí blízké napájecímu V_DD. Nízká úroveň se obvykle blíží 0 voltům (referenční zem, zkrat na zem - anglicky GND). Přesné hodnoty napětí se liší v podle typu použitých obvodů (podle "rodiny" digitální logiky). Nízká napěťová úroveň obvykle reprezentuje logickou nulu, vysoká úroveň logickou jedničku.

Obvykle se používají stejnosměrná napětí v řádu několika voltů (5V, 3,3V, 2,5V, 1,8V, 1,2V). V silnoproudých obvodech se setkáváme i s reléovou logikou pracující s napětím 24V DC, případně 230V AC.

Běžné logické obvody obvykle připouštějí na svých vstupech pro tyto dvě napěťové úrovně poměrně vysoké tolerance. Hodnota V_IL definuje maximální napětí reprezentující nízkou úroveň. Hodnota V_IH definuje minimální napětí reprezentující vysokou úroveň. Mezi V_IL a V_IH leží zakázané pásmo, ve kterém není logická hodnota jednoznačně určena (na obrázku červeně). Na výstupech logického obvodu je zaručeno pro vysokou úroveň napětí minimálně V_OH, na vstupech je pro vysokou úroveň požadováno napětí minimálně V_IH. Výstupní napětí V_OH je vždy větší než vstupní napětí V_IH, rozdíl V_OH − V_IH zajišťuje provozní odolnost obvodů proti rušení. Podobně u nízké úrovně je maximální výstupní napětí V_OL, maximální vstupní napětí V_IL, odolnost proti rušení je daná rozpětím V_IL − V_OL.

K vyčerpání rezervy tolerancí napěťových úrovní a tedy k přechodu do zakázané oblasti může vést několik faktorů. Například výstupní napětí hradla závisí na proudu zátěže a počtu připojených vstupů. Rovněž se mohou uplatnit indukční a kapacitní vazby, nebo vnější zdroje rušení. Dále nevhodná kombinace součástek použitých při výrobě (různé logické rodiny), nebo posun parametrů vedení a optických komponent vlivem teploty.

Přechod mezi dvěma logickými úrovněmi musí proběhnout rychle, protože prochází zakázaným pásmem. Označujeme jej jako "hranu signálu" (v grafu znázorněno modře). Pokud spínací hrany nejsou dostatečně ostré, nebo pro potřebu převodu analogového signálu na digitální signál může být použit Schmittův obvod.

Standardní logické úrovně

obvyklé logické úrovně (ve voltech)

	Vstupní úroveň		Výstupní úroveň
Technologie	logická 0	logická 1	logická 0	logická 1
TTL 5V	0 až 0,8	2,0 až 5	0 až 0,4	2,4 až 5
CMOS 5V	0 až 1,5	3,5 až 5	0 až 0,5	4,44 až 5
LVTTL 3.3V	0 až 0,8	2,0 až 3,3	0 až 0,4	2,4 až 3,3
CMOS 2.5 V	0 až 0,7	1,7 až 2,5	0 až 0,2	2,3 až 2,5
CMOS 1,8 V	0 až 0,7	1,17 až 1,8	0 až 0,45	1,2 až 1,8
CMOS (např. HC)	0 až 1/3 VDD	2/3 VDD až VDD	?	?
ECL	≤ -1,4	≥ -1,2	?	?
RS-232 (signály Rx a Tx)	-15 až -3	+3 až +15	-15 až -5	+5 až +15
RS-232 (signály RTS,CTS,DTR,DSR,RI)	+15 až +3	-3 až -15	+15 až +5	-5 až -15
HTL 10...30V	≤ 0,2 × VDD	≥ 0,6 × VDD	≈ 0	≈ VDD

Symbol V_DD označuje napájecí napětí. Logické obvody CMOS snesou poměrně velký rozsah napájení, např. obvody řady HC typicky zvládnou V_DD od 2 V do 5 V. Podobně to platí i pro mnohé mikrokontroléry, založené na této technologii. Ovšem nižší V_DD pak obvykle vede k nižší rychlosti obvodu.

Typy logiky

Signály aktivní v nule a v jedničce

Binární signály, které nereprezentují číslicové údaje, ale indikují určitý stav, mohou být "aktivní v nule", nebo "aktivní v jedničce". To znamená, že stav nebo podmínka naznačená jménem signálu je splněna buď při logické úrovni nula nebo jedna.

Signály aktivní v nule se obvykle značí vodorovnou čárou nad jménem. Alternativně se používají třeba hvězdičky nebo lomítka před nebo za jménem signálu. Označení BSP, *BSP nebo /BSP naznačuje, že signál BSP je aktivní v nule.

Tato identifikace signálů jako aktivních v nule nebo v jedničce je závislá na pojmenování. Například označení řídicího vstupu /ena (enable = povolit, aktivní v nule) může být rovnocenné označení dis (disable = zakázat, aktivní v jedničce).

Pozitivní a negativní logika

V tzv. pozitivní logice kóduje na vysoká úroveň binární hodnotu 1 a nízká úroveň binární hodnotu 0. V negativní logice reprezentuje vysoká úroveň logickou nulu a nízká úroveň logickou jedničku.

Pro lepší odolnost proti rušení se pro řídicí signály často používá negativní logika – například u rozhraní RS-232. Také u rozhraní IEC-625 je celý handshaking implementovaný v negativní logice.

Pozitivní a negativní logika je však v digitální technologii pouhou otázkou notace. Pokud je signál místo v pozitivní logice, v negativní logice (nebo naopak), odpovídá to negaci na všech dotčených vstupech a výstupech. Například, mějme hradlo se vstupy A, B a výstupem Y.

$Y=A\wedge B$

Pokud změníme signály na vstupech A, B z pozitivní logiky na negativní, musíme změnit logickou funkci podle De Morganova pravidla.

$Y={\overline {{\overline {A}}\wedge {\overline {B}}}}={\overline {\overline {A}}}\vee {\overline {\overline {B}}}=A\vee B$

Z hradel AND pro pozitivní logiku se staly hradla OR pro negativní logiku.

Převod logických úrovní

Někdy je nutné používat obvody s různou úrovní napájení V_DD. Z hlediska V_IH a V_IL jsou kompatibilní např. obvody TTL 5V a LVTTL 3V. Aby však bylo možno zapojit "5V TTL" výstup do "3,3V LVTTL" vstupu, je nutné aby LVTTL obvod byl "5V tolerantní". Pro spojování různých typů digitální logiky existují také speciální obvody.

Třístavová logika

Podrobnější informace naleznete v článku Třístavová logika.

Ve třístavové logice může být výstup kromě stavů logická 0 a logická 1 také ve stavu vysoké impedance (Z), při kterém neovlivňuje vstupy připojených logických obvodů.

Čtyřstavová logika

Jedná se o rozšíření určené pro návrh logických obvodů. Ke stavům 0,1 a Z se přidává stav X, který znamená, že na logické hodnotě nezáleží.

Podrobnější informace naleznete v článku Čtyřstavová logika.

Devítistavová logika

Jedná se o abstrakci logiky pro návrh a simulaci logických obvodů. Na devítistavové logice je postaven například návrhový jazyk VHDL.

Podrobnější informace naleznete v článku IEEE 1164.

Literatura

• JEDEC/EIA: JESD8-C.01: Interface Standard for Nominal 3 V/3.3 V Supply Digital Integrated Circuits. EIA, r.v. 2007. (Anglicky, standard LVTTL 3,3 V)
• JEDEC/EIA: JESD8-5A.01: 2.5V ± 0.2V (Normal Range), and 1.8V to 2.7V (Wide Range) Power Supply Voltage and Interface Standard for Nonterminated Digital Integrated Circuit. EIA, r.v. 2007. (Anglicky standard pro CMOS 2,5 V)
• JEDEC/EIA: JESD8-7A: 1.8V ± 0.15V (Normal Range), and 1.2V - 1.95V (Wide Range) Power Supply Voltage and Interface Standard for Nonterminated Digital Integrated Circuit. EIA, ó.O. 2006. (Anglicky, standard pro CMOS 1,8 V)

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Logikpegel na německé Wikipedii a Logic level na anglické Wikipedii.