Warum ist die Digital 0 in Computersystemen nicht 0V?

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?

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.

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

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 .

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.

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!)

^{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.

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.

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.

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!