Warum ist die Digital 0 in Computersystemen nicht 0V?

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Ich absolviere einen Kurs zum Entwurf von Computersystemen, und mein Professor hat uns mitgeteilt, dass sich in digitalen Systemen die herkömmlichen Spannungen, die zur Bezeichnung einer digitalen 0 und einer digitalen 1 verwendet werden, im Laufe der Jahre geändert haben.

Anscheinend wurden in den 80er Jahren 5 V als "Hoch" und 1 V als "Tief" verwendet. Heutzutage beträgt ein "Hoch" 0,75 V und ein "Niedrig" 0,23 V. In naher Zukunft könnten wir zu einem System übergehen, bei dem 0,4 V ein Hoch und 0,05 V ein Niedrig bedeuten.

Er argumentierte, dass diese Werte immer kleiner werden, damit wir unseren Stromverbrauch senken können. Wenn dies der Fall ist, warum nehmen wir uns dann die Mühe, den Tiefpegel überhaupt auf eine positive Spannung zu setzen? Warum stellen wir es nicht einfach auf die wahre 0-V-Spannung (Nullleiter von den Stromleitungen, nehme ich an) ein?

Anirudh Ajith
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Ich denke, die einfachste Erklärung ist, dass es parasitäre Widerstände in Drähten / Spuren / "Schaltern" (Transistoren) gibt, so dass Sie niemals wirklich 0 V erreichen würden, daher brauchen Sie einen gewissen Spielraum. Wenn die Technologie verbessert wird, können die Ränder enger werden.
Wesley Lee
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Logik hatte nie absolute Einzelwerte für hoch und niedrig; TTL hat eine absolute Reichweite und reines CMOS hat eine Reichweite, die durch die Stromschiene definiert wird.
Peter Smith
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Die Untergrenze war noch nie 1 V, siehe Andys Antwort, die besagt, dass es 0,4 V oder 0,8 V sind, je nachdem, ob Sie senden oder empfangen (genau sprechen, verzeihen)
Neil_UK
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Die Spannung, die Sie angeben, ist die Obergrenze (Schwelle) für eine logische Null.
CramerTV
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Es gibt keine 0 V, nur in einer perfekten Welt sprechen wir davon.
Mast

Antworten:

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Sie verwechseln den "idealen" Wert mit dem gültigen Eingabebereich.

In der üblichen Logik wäre die logische Null unter idealen Bedingungen genau 0 V. In der realen Welt ist jedoch nichts perfekt, und ein elektronischer Ausgang weist eine gewisse Toleranz auf. Die tatsächliche Ausgangsspannung hängt von der Qualität der Drähte, dem EMI-Rauschen, dem zu liefernden Strom usw. ab. Um diese Mängel auszugleichen, behandeln die Logikeingänge einen ganzen Spannungsbereich als 0 (oder 1). Siehe das Bild in Andys Antwort.

Was Ihr Dozent wahrscheinlich mit 0,75 V meinte, ist einer der Punkte, die den logischen 0-Bereich ausmachen.

Beachten Sie, dass es auch einen leeren Bereich zwischen 0 und 1 gibt. Wenn die Eingangsspannung hier abfällt, kann der Eingangsstromkreis keinen ordnungsgemäßen Betrieb garantieren, sodass dieser Bereich als verboten gilt.

akwky
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Du wirst verwirrt. Sehen Sie sich zum Beispiel TTL an:

Bildbeschreibung hier eingeben

Ein niedriger Eingangspegel liegt zwischen 0 Volt und einem kleinen Wert über 0 Volt (0,8 Volt für TTL).

Warum nehmen wir uns die Mühe, den Tiefpegel auf eine positive Spannung zu setzen?

Wir nehmen uns die Mühe, um sicherzustellen, dass es unter einem bestimmten kleinen Wert liegt.

Bild von hier .

Andy aka
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Um dies zu erweitern, unterscheiden sich die gültigen Eingangsspannungsbereiche für die TTL-Signalisierung gegenüber der CMOS-Signalisierung gegenüber der LVCMOS-Signalisierung. Der Grund dafür ist, dass die TTL-Logik (und das darauf folgende kompatible NMOS) weitaus schwerer auf die positive Schiene zu ziehen war als auf den Boden. Moderne CMOS-Logik kann genauso gut in beide Richtungen gezogen werden, und es ist einfacher, eine CMOS-Eingangsstufe auch symmetrisch aufzubauen. Ein CMOS-Ausgang steuert problemlos einen TTL-Eingang, Sie müssen jedoch spezielle TTL-kompatible Eingänge mit einem TTL-Ausgang verwenden.
Chromatix
Es gibt eine gute und detaillierte Erklärung zu diesem Thema von TI, hier: ti.com/lit/an/scla011/scla011.pdf
Chromatix
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Es ist unmöglich, eine echte Null-Volt-Logiksignalisierung zu erzeugen. Es muss eine gewisse Toleranz zugelassen werden, da die Schaltung nicht unendlich perfekt ist. Geld auszugeben, um es unendlich perfekt zu machen, wäre auch keine gute Investition von Designfonds. Digitale Schaltkreise haben sich so schnell verbreitet und weiterentwickelt, weil sie eine große Anzahl von Kopien der sehr einfachen und toleranten Schaltkreise verwenden, die Logikgatter sind.

Die Binärzustände 1 und 0 werden in digitalen Logikschaltungen durch logisch hohe bzw. logisch niedrige Spannungen dargestellt. Die Spannungen, die logisch hoch und logisch niedrig darstellen, fallen in vordefinierte und voreingestellte Bereiche für die verwendete Logikfamilie.

Die Fähigkeit, mit Spannungen innerhalb dieser Bereiche zu arbeiten, ist einer der Hauptvorteile digitaler Logikschaltungen - es ist kein Fehler. Logikgattereingänge können leicht zwischen logisch hohen und logisch niedrigen Spannungen unterscheiden. Logikgatterausgänge erzeugen gültige logische Hoch- und Niederspannungen. Kleine Signalstörungen werden beseitigt, wenn Logiksignale durch Gatter laufen. Jeder Ausgang stellt das Eingangssignal auf eine gute Logikspannung zurück.

Bei analogen Schaltungen ist es zwischen schwieriger und praktisch unmöglich, Rauschen vom interessierenden Signal zu unterscheiden und das Rauschen vollständig zu unterdrücken.

TonyM
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Sehr scharfe Schwellenwerte (ohne Hysterese) bedeuten auch lächerlich hohe Verstärkungsfaktoren. Es ist auch bekannt, dass es lächerlich zu Rückkopplungen und Schwingungen neigt, zu Driften neigt und im Allgemeinen nervös ist.
Rackandboneman
Beachten Sie auch, dass logische 1 und 0 sinnvollerweise als niedrige bzw. hohe Spannung dargestellt werden können, wenn es für die Schaltung sinnvoller ist, dies zu tun. In der Tat sind Signale wie globale Zurücksetzungen traditionell aktiv niedrig, und in der nmos-Ära (eine Technologie, die sich als notorisch schlecht herausstellte) und in geringerem Maße in der TTL-Ära (dasselbe Problem) war es nur deshalb üblich, dass männliche E / A aktiv niedrig waren Nur so konnte tatsächlich Strom fließen.
Dan Mills
Bemerkenswert ist auch die Strommodus-Logik, bei der die Logikwerte eher als Strom als als Spannung definiert werden. Dies ermöglicht ein schnelleres Umschalten und eine bessere Rauschtoleranz bei der Übertragung (aufgrund von Kirchhoffs geltendem Gesetz) auf Kosten eines erhöhten Stromverbrauchs (obwohl Wikipedia behauptet, dass Picoamp CML erreicht wurde, sodass dies ebenfalls kein Problem darstellt).
John Dvorak
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Zusätzlich zu den Punkten, die in den anderen Antworten angesprochen werden, gibt es das Problem der parasitären Kapazitäten bei hohen Schaltgeschwindigkeiten (die normalerweise ignorierte Kapazität von Drähten und anderen Bauteilen). Drähte haben in der Regel auch einen geringen Widerstand. (Ein sehr vereinfachtes Modell!)

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Als RC-Netzwerk führt dies zu einer exponentiellen Abfallkurve (V ~ e ^ -kt). Wenn der Empfänger die Schwelle sehr niedrig einstellt (nahe 0 V), muss er eine beträchtliche Zeit warten, bis die Ausgangsspannung ausreichend abfällt, um die Schwelle auszulösen. Diese Zeit mag unbedeutend erscheinen, aber für ein Gerät, das eine Million (sogar eine Milliarde) Mal pro Sekunde schalten soll, ist dies ein Problem. Eine Lösung besteht darin, die "AUS" -Spannung zu erhöhen, um den langen Schwanz der Exponentialfunktion zu vermeiden.

Antimuster
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6

Denn nichts ist perfekt und Sie müssen dafür eine Fehlerquote vorsehen. Diese Zahlen sind Schwellenwerte. Wenn die niedrigstmögliche Spannung in Ihrem System 0 V und Ihre Schwelle 0 V beträgt, wo bleiben Sie dann, wenn ALLE Ihre Komponenten und Verkabelungen nicht perfekt sind (dh immer einen Spannungsabfall aufweisen) und in einer geräuschlosen Umgebung keine Geräusche auftreten? Sie haben ein System, das niemals 0 V zuverlässig ausgeben kann, wenn es überhaupt dazu in der Lage ist.

DKNguyen
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In einem 2-Leiter-System (normalerweise Chips, die mit nur einer positiven Spannung plus Masse betrieben werden) hat jeder Schalter oder jedes Gerät, das die Ausgangskapazität auf einen niedrigen Signalpegel herunterzieht, einen endlichen Widerstand und kann daher einen Signaldraht nicht auf null Volt schalten Unendliche Zeit. (Supraleiter ignorieren). Daher wird ein realistischer kleinerer Spannungshub gewählt, der die Leistungsanforderungen erfüllt (Schaltgeschwindigkeit vs. Leistungsanforderungen und Geräuschentwicklung usw.).

Dies gilt zusätzlich zu den für die Abdeckung von Bodenrauschen (unterschiedliche Erd- oder Nullspannungspegel zwischen dem Quell- und dem Zielstromkreis), anderen Rauschquellen, Toleranzen usw. erforderlichen Grenzen.

hotpaw2
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0

Im Gegensatz zu einigen Antworten hier bin ich mir ziemlich sicher, dass es in der Vergangenheit so etwas wie einen reinen 0V-Tiefstand gegeben hat. Relaislogik! Ich glaube aber nicht, dass wir darauf zurückkommen wollen!

user3042526
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Haben Ihre Relais Supraleiter verwendet? Ich glaube nicht.
Elliot Alderson
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+1 wegen unfairer Kritik. Eine reine 0V kann leicht erreicht werden. Dies kann fast mit einem Relais erreicht werden, und auf Wunsch kann auch einfach auf Geräte zugegriffen werden, die an negative Versorgungen und Rückmeldungen angeschlossen sind. Dass es als erforderlicher Gestaltungswert für die digitale Kommunikation verwendet wurde, scheint zwar unwahrscheinlich, aber das sollte kein Grund sein, diese Antwort abzustimmen.
KalleMP,
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@ElliotAlderson Nein, ich kann nicht, ich habe ausdrücklich geschrieben, dass es unwahrscheinlich ist, was bedeutet, dass ich keine Möglichkeit habe, dies zu beweisen. Können Sie jedoch nachweisen, dass ein solcher Konstruktionswert nie erforderlich war? Das habe ich nicht gedacht. Jetzt geh und gib dem Neuen eine Gegenstimme (um sie wieder auf Null zu bringen), damit er nicht durch Trottel entmutigt wird und geh und wir verlieren einen weiteren klugen (jungen) Verstand, weil es keinen guten Grund gibt.
KalleMP,
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@ElliotAlderson Ich denke, wenn Sie ein Zielfernrohr auf eine echte Relaisspule legen, wird die Spannung auf dem Weg zu einem größeren negativen Wert durch Null gehen, wenn die Kontakte geöffnet werden. Mir ist jedoch nicht klar, ob es sich um eine echte oder eine ideale Schaltung handelt. Sind ideale Kontakte möglich? Wenn nicht, muss die Spannung gegen unendlich gehen. In jedem Fall ist nach dem Öffnen der Kontakte und dem Löschen des Lichtbogens der Widerstand im idealen Stromkreis unendlich . Ich bin mir nicht sicher, was das mit deiner Zeitkonstante macht.
Solomon Slow
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@SolomonSlow Das transiente Verhalten ist real, lässt sich jedoch leicht mit einer idealen Schaltung modellieren. Der Widerstand, der das Verhalten der Spulenspannung nach dem Öffnen der Kontakte steuert, ist der Widerstand der Spule selbst (was Ihnen den Vorteil gibt, dass keine Ableitströme vorliegen). Zu diesem Zeitpunkt handelt es sich um eine parallele RL-Schaltung, die unendlich viel Zeit benötigt, bis der Induktivitätsstrom genau auf Null abfällt. Sogar in der Praxis gibt es eine Zeit, in der die Spannung an der Spule nicht Null ist, aber die Kontakte des Relais offen werden ... eine logische '0' mit einer Spannung ungleich Null.
Elliot Alderson