Tại sao Digital 0 không phải 0V trong các hệ thống máy tính?

Tôi đang tham gia khóa học thiết kế hệ thống máy tính và giáo sư của tôi nói với chúng tôi rằng trong các hệ thống kỹ thuật số, các điện áp thông thường được sử dụng để biểu thị số 0 và số 1 đã thay đổi qua nhiều năm.

Rõ ràng, trở lại những năm 80, 5 V được sử dụng như một 'mức cao' và 1 V được sử dụng để biểu thị một mức 'thấp'. Ngày nay, 'cao' là 0,75 V và 'thấp' là khoảng 0,23 V. Ông nói thêm rằng trong tương lai gần, chúng ta có thể chuyển sang một hệ thống trong đó 0,4 V biểu thị mức cao và 0,05 V, mức thấp.

Ông lập luận rằng những giá trị này ngày càng nhỏ hơn để chúng ta có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng. Nếu đó là trường hợp, tại sao chúng ta gặp khó khăn để đặt 'mức thấp' thành bất kỳ điện áp dương nào? Tại sao chúng ta không đặt nó thành điện áp 0 V (trung tính từ các đường dây điện, tôi đoán vậy)?

Bạn đang nhầm lẫn giá trị "lý tưởng" với phạm vi đầu vào hợp lệ.

Trong logic thông thường, trong điều kiện lý tưởng, số 0 logic sẽ chính xác là 0V. Tuy nhiên, không có gì là hoàn hảo trong thế giới thực và một đầu ra điện tử có một dung sai nhất định. Điện áp đầu ra thực phụ thuộc vào chất lượng của dây dẫn, nhiễu EMI, dòng điện cần cung cấp, v.v. Để phù hợp với những khiếm khuyết này, các đầu vào logic xử lý toàn bộ dải điện áp là 0 (hoặc 1). Xem hình trong câu trả lời của Andy.

Những gì giảng viên của bạn có thể có nghĩa là 0,75V là một trong những điểm làm cho phạm vi 0 hợp lý.

Lưu ý rằng cũng có một phạm vi trống trong khoảng từ 0 đến 1. Nếu điện áp đầu vào rơi ở đây, mạch đầu vào không thể đảm bảo hoạt động chính xác, vì vậy khu vực này được cho là bị cấm.

Bạn đang nhận được nhầm lẫn. Nhìn vào ví dụ:

Mức đầu vào thấp nằm trong khoảng từ 0 volt đến một số giá trị nhỏ trên 0 volt (0,8 volt đối với trường hợp của TTL).

Tại sao chúng ta gặp khó khăn khi đặt 'thấp' thành bất kỳ điện áp dương nào?

Chúng tôi chịu khó để đảm bảo nó ở dưới một giá trị nhỏ nhất định.

Hình ảnh từ đây .

Không thể tạo ra tín hiệu logic 0 volt thực sự. Phải có một số dung sai cho phép, vì mạch không hoàn hảo vô cùng. Chi tiền cố gắng để làm cho nó hoàn hảo vô cùng cũng sẽ không phải là một khoản đầu tư tốt cho các quỹ thiết kế. Mạch kỹ thuật số đã tăng sinh và phát triển rất nhanh bởi vì nó sử dụng số lượng lớn các bản sao của các mạch rất đơn giản và khoan dung là các cổng logic.

Các trạng thái nhị phân 1 và 0 được biểu diễn trong các mạch logic kỹ thuật số bằng điện áp logic cao và logic thấp tương ứng. Các điện áp đại diện cho logic cao và logic thấp rơi vào phạm vi được xác định trước và được thỏa thuận trước cho họ logic được sử dụng.

Khả năng làm việc với điện áp trong các phạm vi này là một trong những lợi thế chính của mạch logic kỹ thuật số - đó không phải là một thất bại. Đầu vào cổng logic có thể dễ dàng phân biệt giữa điện áp cao logic và điện áp thấp logic. Đầu ra cổng logic sẽ tạo ra điện áp logic cao và thấp hợp lệ. Nhiễu tín hiệu nhỏ được loại bỏ khi tín hiệu logic đi qua cổng. Mỗi đầu ra đang khôi phục tín hiệu đầu vào thành điện áp logic tốt.

Với các mạch tương tự, giữa khó khăn hơn và thực tế không thể phân biệt nhiễu với tín hiệu quan tâm và loại bỏ hoàn toàn nhiễu.

Ngoài các điểm được đưa ra bởi các câu trả lời khác, còn có vấn đề về khả năng ký sinh ở tốc độ chuyển mạch cao (điện dung thường bị bỏ qua của dây và các thành phần khác). Dây điện cũng thường có điện trở nhẹ. (Một mô hình rất đơn giản!)

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Là một mạng RC, điều này dẫn đến một đường cong giảm theo cấp số nhân (V ~ e ^ -kt). Nếu máy thu đặt ngưỡng rất thấp (gần 0V) thì nó sẽ phải chờ một thời gian đáng kể để điện áp đầu ra giảm đủ để kích hoạt ngưỡng. Lần này có vẻ không đáng kể, nhưng đối với một thiết bị được cho là chuyển đổi một triệu (tỷ chẵn) lần một giây thì đây là một vấn đề. Một giải pháp là tăng điện áp "TẮT", để tránh đuôi dài của hàm số mũ.

Bởi vì không có gì là hoàn hảo và bạn cần cung cấp cho điều này với một lỗi sai. Những con số đó là ngưỡng. Nếu điện áp thấp nhất có thể trong hệ thống của bạn là 0V và ngưỡng của bạn là 0V, thì điều đó sẽ khiến bạn rời đi nếu TẤT CẢ các thành phần và hệ thống dây điện của bạn không có dây dẫn hoàn hảo (nghĩa là luôn có sự sụt giảm điện áp) và không ồn ào trong môi trường ồn ào? Nó để lại cho bạn một hệ thống không bao giờ có thể xuất ra 0V một cách đáng tin cậy, nếu nó thậm chí có thể làm điều đó.

Trong hệ thống 2 đường ray (thường là các chip được cung cấp chỉ với một điện áp dương duy nhất cộng với mặt đất), bất kỳ công tắc hoặc thiết bị nào đang kéo điện dung đầu ra xuống mức tín hiệu thấp đều có điện trở hữu hạn và do đó không thể chuyển dây tín hiệu về 0 Volts Thời gian vô hạn. (Bỏ qua chất siêu dẫn). Vì vậy, một số điện áp xoay nhỏ hơn thực tế được chọn đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất (tốc độ chuyển đổi so với yêu cầu năng lượng và tạo ra tiếng ồn, v.v.)

Điều này ngoài các lề cần thiết để che nhiễu đất (các mức điện áp mặt đất khác nhau hoặc khác 0 giữa các mạch nguồn và mạch đích), các nguồn nhiễu khác, dung sai, v.v.

Trái với một số câu trả lời ở đây, tôi khá chắc chắn rằng đã có một thứ thấp như 0V trong quá khứ. Rơle logic! Tôi không nghĩ rằng chúng tôi muốn quay trở lại đó mặc dù!