Digitale Signale: Wann eine Spannung 0 oder 1 bedeutet

Entwicklungsziele dieses Kurses

Dieser Kurs führt zügig durch die digitale Logikentwicklung auf einführendem Hochschulniveau und überprüft die Konzepte direkt an Schaltungen. Schulalgebra genügt zum Einstieg; grundlegende Programmiererfahrung hilft bei den RTL-Übungen. Zuerst verbinden wir Gatter → kombinatorische Schaltungen → Speicherelemente → Zustandsautomaten. Die optionalen Vertiefungen erweitern dies um Datenpfade und Schnittstellen.

Die Regel „hohe Spannung bedeutet 1“ genügt nicht. Entscheidend ist, in welchem Bereich und ab welchem Zeitpunkt ein korrekter Logikwert garantiert ist.

Ein Logikwert ist eine Interpretation einer Spannung

Logikschaltungen rechnen mit $0$ und $1$, auf Leitungen liegen jedoch kontinuierlich veränderliche Spannungen an. Ein Eingang bis einschließlich $V_{IL}$ wird als 0, ab $V_{IH}$ als 1 spezifiziert. Zwischen den Schwellen ist keiner der beiden Werte garantiert. Zulässiger Spannungsbereich und Schwellen stehen im Datenblatt des Bauelements.

Betrachten wir eine didaktische 3.3-V-Schaltung. Die folgenden Werte sind keine Produktspezifikation.

1.4 V ist kein „dritter Logikwert“. Der Eingang erfüllt lediglich die Garantiebedingungen des digitalen Modells nicht. Ein Wechsel von 0 auf 1 durchläuft diesen Bereich; daher muss auch der Beobachtungszeitpunkt feststehen.

Reserve zwischen Ausgangs- und Eingangsgrenzen

Bei einer maximalen Low-Ausgangsspannung $V_{OL}=0.2\,\mathrm V$ und einer minimalen High-Ausgangsspannung $V_{OH}=2.8\,\mathrm V$ des Senders ergibt sich folgender Störabstand^{iStörabstand Reserve zwischen garantierter Ausgangsspannung des Senders und Entscheidungsschwelle des Empfängers. Sie wird als Differenz statischer Spannungsgrenzen berechnet.}:

Eine Störung von +0.4 V auf dem Low-Ausgang ergibt 0.6 V und bleibt im gültigen Low-Eingangsbereich. Das ist eine statische Reserve unter den angegebenen Spannungs- und Lastbedingungen. Kurze Impulse oder Leitungsreflexionen lassen sich damit allein nicht beurteilen.

Funktion und Zeitbedingungen gehören zusammen

Bei AND-Eingängen 11 ist der Ausgang 1. Unmittelbar im Moment der Eingangsänderung ist dies jedoch noch nicht garantiert. Addieren Sie die maximalen Gatterverzögerungen jedes Pfades und wählen Sie die längste Summe als obere Grenze. Zwei Gatter in Reihe mit höchstens 2 ns und 3 ns ergeben ein Modell, das nach stabilen Eingängen bis zu 5 ns Wartezeit verlangt.

Ein unbeschalteter Eingang entspricht ebenfalls keiner angelegten 0. Im Simulator bedeutet X einen unbekannten Wert und Z einen hochohmigen Treiberzustand; keiner davon entspricht genau einer bestimmten realen Spannung. Die Schaltflächenübungen dieses Kurses verwenden ein Modell stabiler 0/1-Werte.

Weiterführend: MIT OpenCourseWare — The Digital Abstraction

Übung · Die Grenze des Störabstands überschreiten

1. Wählen Sie eine 0 als Sendewert. Der Ausgang bleibt auf der ungünstigsten Low-Spannung von 0.20 V. Bei +0.60 V Störung empfängt der Eingang 0.80 V; 0 ist weiterhin garantiert.
2. Erhöhen Sie die Störung mit der rechten Pfeiltaste um 10 mV. Bei 0.81 V wechselt die Bewertung zu „nicht garantiert“. Das bedeutet nicht, dass sofort eine 1 entsteht.
3. Beim Senden einer 1 ziehen Sie die Störung von 2.80 V ab. Bis −0.80 V ist eine empfangene 1 garantiert, bei −0.81 V nicht mehr.
4. Eine größere Störung kann den gegenüberliegenden gültigen Bereich erreichen. Der Empfänger erkennt dann einen gültigen Logikwert, doch die übertragenen Daten können falsch sein. Eine gültige Spannung und korrekte Daten sind verschiedene Bedingungen.

Eingänge außerhalb des Übungsbereichs 0–VDD werden nicht künstlich auf einen gültigen Bereich begrenzt. Zulässige Eingangsspannung, Klemmstrom und Bedingungen für transiente Impulse müssen dem Datenblatt des realen Bauelements entnommen werden. Diese Übung sagt weder Schäden noch das dynamische Verhalten eines bestimmten Bauelements voraus.