niveau logique

Un niveau logique est une plage de tension définie qui représente l'un des deux états discrets dans un circuit numérique: haut (logique 1) ou bas (logique 0). Contrairement aux signaux analogiques qui varient continuellement, les systèmes numériques utilisent ces bandes de tension fixes pour encoder l'information. Une broche de microcontrôleur, par exemple, lit toute tension supérieure à 2,4 volts comme un 1 et toute tension inférieure à 0,8 volt comme un 0 sur un système 5 volts; la plage intermédiaire est indéfinie et évitée. Cet encodage binaire est le fondement de toute la logique numérique.

Les seuils de tension exacts dépendent de la famille logique et de la tension d'alimentation. Les circuits TTL (logique transistor-transistor) utilisent généralement 5 volts et définissent le niveau haut comme 2,4 à 5,0 volts et le niveau bas comme 0 à 0,4 volt. La logique CMOS est plus flexible: sur une alimentation de 5 volts, le niveau haut est généralement de 3,5 à 5,0 volts et le niveau bas de 0 à 1,5 volt. Les microcontrôleurs modernes fonctionnent souvent sur 3,3 volts, où les seuils diminuent proportionnellement. Certaines applications industrielles utilisent des niveaux logiques de 24 volts pour l'immunité au bruit sur de longues longueurs de câble.

Incompatibilité et traduction

Mélanger les familles logiques pose des problèmes. Connecter une sortie 3,3 volts directement à une entrée 5 volts peut fonctionner, mais l'inverse peut détruire une broche. Les translateurs de niveau, qui sont des circuits de traduction dédiés ou de simples réseaux de résistances, convertissent les signaux entre différents domaines de tension. Dans les environnements difficiles avec du bruit électrique, des marges plus larges entre les seuils haut et bas améliorent la fiabilité; c'est pourquoi les systèmes de contrôle industriels préfèrent souvent la logique 24 volts à la logique 5 volts.

Les tensions de seuil elles-mêmes ne sont pas arbitraires. Elles reflètent les caractéristiques de commutation des transistors sous-jacents et tiennent compte des marges de bruit: la différence entre la garantie de sortie et l'exigence d'entrée. Sur une sortie TTL de 5 volts garantie d'atteindre un minimum de 2,4 volts au niveau logique haut, le seuil d'entrée se situe à 2,0 volts, offrant 0,4 volt d'immunité au bruit. Si le bruit électrique fait monter ou descendre un signal de plus que cette marge, des erreurs se produisent.

Tester les niveaux logiques nécessite un oscilloscope ou un analyseur logique pour mesurer les tensions et le timing réels. Les multimètres sont inadéquats car ils moyennent le signal. Un niveau logique peut transiter en nanosecondes, et une fenêtre de transition manquée peut entraîner une mauvaise interprétation de l'état par une porte. Les conceptions de systèmes doivent tenir compte des délais de propagation, des temps d'établissement et des temps de maintien autour des changements d'état.