Logic Level
Englisch: logic level
Einer von endlich vielen Zuständen, üblicherweise zwei, die ein Digitalsignal annehmen kann.
Logikpegel: die Spannung, die Ja oder Nein bedeutet
Ein Logikpegel ist ein definierter Spannungsbereich, der einen von zwei diskreten Zuständen in einer digitalen Schaltung darstellt: High (Logik 1) oder Low (Logik 0). Im Gegensatz zu analogen Signalen, die kontinuierlich variieren, verwenden digitale Systeme diese festen Spannungsbänder zur Kodierung von Informationen. Ein Mikrocontroller-Pin interpretiert beispielsweise alles über 2,4 Volt als 1 und alles unter 0,8 Volt als 0 bei einem 5-Volt-System; der Zwischenbereich ist nicht definiert und wird vermieden. Diese Binärcodierung ist die Grundlage aller digitalen Logik.
Die genauen Spannungsschwellen hängen von der Logik-Familie und der Versorgungsspannung ab. TTL-Schaltungen (Transistor-Transistor-Logik) verwenden normalerweise 5 Volt und definieren High als 2,4 bis 5,0 Volt und Low als 0 bis 0,4 Volt. CMOS-Logik ist flexibler: Bei einer 5-Volt-Versorgung liegt High normalerweise zwischen 3,5 und 5,0 Volt und Low zwischen 0 und 1,5 Volt. Moderne Mikrocontroller laufen oft mit 3,3 Volt, wobei die Schwellen proportional schrumpfen. Einige industrielle Anwendungen nutzen 24-Volt-Logikpegel für Störfestigkeit über lange Kabelstrecken.
Inkompatibilität und Signalwandlung
Das Vermischen von Logik-Familien führt zu Problemen. Ein 3,3-Volt-Ausgang direkt an einen 5-Volt-Eingang anzuschließen, kann funktionieren, aber das Gegenteil kann einen Pin zerstören. Level Shifter, die spezialisierte Wandlerschaltungen oder einfache Widerstandsnetzwerke sind, konvertieren Signale zwischen verschiedenen Spannungsbereichen. In rauen Umgebungen mit elektrischem Rauschen verbessern größere Abstände zwischen den High- und Low-Schwellen die Zuverlässigkeit; deshalb bevorzugen industrielle Steuerungssysteme oft 24-Volt-Logik gegenüber 5-Volt-Logik.
Die Schwellspannungen selbst sind nicht willkürlich. Sie spiegeln die Schalteigenschaften der zugrunde liegenden Transistoren wider und berücksichtigen Rauschabstände: die Differenz zwischen der Ausgabezusicherung und der Eingabeanforderung. Bei einem 5-Volt-TTL-Ausgang, der mindestens 2,4 Volt bei Logik High garantiert, liegt die Eingabeschwelle bei 2,0 Volt und bietet 0,4 Volt Rauschabstand. Wenn elektrisches Rauschen ein Signal um mehr als diesen Abstand nach oben oder unten verschiebt, treten Fehler auf.
Das Prüfen von Logikpegeln erfordert ein Oszilloskop oder einen Logik-Analyzer, um tatsächliche Spannungen und Timing zu messen. Multimeter sind unzureichend, da sie das Signal mitteln. Ein Logikpegel kann in Nanosekunden umschalten, und ein verpasstes Übergangsfenster kann ein Gatter dazu bringen, den Zustand falsch zu interpretieren. Systementwürfe müssen Ausbreitungsverzögerungen, Setup-Zeiten und Hold-Zeiten um Zustandsübergänge berücksichtigen.