In der binären Logik sind die beiden Pegel logisch hoch und logisch niedrig, die im Allgemeinen den Binärzahlen 1 bzw. 0 entsprechen. Signale mit einem dieser beiden Pegel können in der Booleschen Algebra für den Entwurf oder die Analyse digitaler Schaltungen verwendet werden.
Aktiver Zustand
Die Verwendung entweder des höheren oder des niedrigeren Spannungspegels zur Darstellung eines der beiden logischen Zustände ist beliebig. Die beiden Möglichkeiten sind active high und active low. Aktiv-High- und Aktiv-Low-Zustände können beliebig gemischt werden: Ein Nur-Lese-Speicherschaltkreis kann beispielsweise ein Chip-Select-Signal haben, das aktiv-low ist, aber die Daten- und Adressbits sind konventionell aktiv-hoch. Gelegentlich wird ein Logikdesign vereinfacht, indem die Wahl des aktiven Pegels invertiert wird (siehe De Morgan’s Gesetze).
| Logikpegel | Aktiv-High-Signal | Aktiv-low-Signal |
|---|---|---|
| Logisches High | 1 | 0 | Logisches Low | 0 | 1 |
Der Name eines Aktiv-low-Signals wird historisch mit einem Balken darüber geschrieben, um es von einem active-high-Signal zu unterscheiden. Zum Beispiel steht der Name Q, gelesen „Q bar“ oder „Q not“, für ein aktiv-low-Signal. Die üblicherweise verwendeten Konventionen sind:
- ein Balken oben (Q)
- ein führender Schrägstrich (/Q)
- ein klein geschriebenes n als Präfix oder Suffix (nQ oder Q_n)
- ein nachgestelltes # (Q#) oder
- ein „_B“ oder „_L“ als Suffix (Q_B oder Q_L).
Viele Steuersignale in der Elektronik sind Aktiv-Low-Signale (normalerweise Reset-Leitungen, Chip-Select-Leitungen und so weiter). Logikfamilien wie TTL können mehr Strom sinken lassen als sie quellen können, so dass Fanout und Störfestigkeit steigen. Sie ermöglicht auch eine verdrahtete ODER-Logik, wenn die Logikgatter Open-Collector/Open-Drain mit einem Pull-up-Widerstand sind. Beispiele hierfür sind der I²C-Bus und das Controller Area Network (CAN), sowie der PCI Local Bus.
Einige Signale haben in beiden Zuständen eine Bedeutung und die Notation kann dies anzeigen. Zum Beispiel ist es üblich, eine Lese-/Schreibleitung mit R/W zu bezeichnen, was anzeigt, dass das Signal im Falle eines Lesens High und im Falle eines Schreibens Low ist.
Logische SpannungspegelBearbeiten
Die beiden logischen Zustände werden normalerweise durch zwei verschiedene Spannungen dargestellt. Für jede Logikfamilie sind hohe und niedrige Schwellenwerte festgelegt. Unterhalb der unteren Schwelle ist das Signal „low“. Oberhalb des oberen Schwellenwerts ist das Signal „high“. Zwischenpegel sind undefiniert, was zu einem sehr implementierungsspezifischen Schaltungsverhalten führt.
Es ist üblich, eine gewisse Toleranz bei den verwendeten Spannungspegeln zuzulassen; zum Beispiel könnten 0 bis 2 Volt die logische 0 und 3 bis 5 Volt die logische 1 darstellen. Eine Spannung von 2 bis 3 Volt wäre ungültig und würde nur in einem Fehlerzustand oder bei einem Logikpegelübergang auftreten. Allerdings können nur wenige Logikschaltungen einen solchen Zustand erkennen, und die meisten Geräte interpretieren das Signal einfach als High oder Low in einer undefinierten oder gerätespezifischen Weise. Einige Logikbausteine verfügen über Schmitt-Trigger-Eingänge, deren Verhalten im Schwellenwertbereich viel besser definiert ist und die eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Schwankungen der Eingangsspannung aufweisen. Das Problem des Schaltungsdesigners ist es, Umstände zu vermeiden, die zu Zwischenpegeln führen, so dass sich die Schaltung vorhersehbar verhält.
| Technologie | L Spannung | H Spannung | Hinweise |
|---|---|---|---|
| CMOS | 0 V bis 1/3 VDD | 2/3 VDD bis VDD | VDD = Versorgungsspannung |
| TTL | 0 V bis 0.8 V | 2 V bis VCC | VCC = 5 V ±10% |
Nahezu alle digitalen Schaltungen verwenden einen einheitlichen Logikpegel für alle internen Signale. Dieser Pegel variiert jedoch von einem System zum anderen. Um zwei Logikfamilien miteinander zu verbinden, waren oft spezielle Techniken erforderlich, wie z. B. zusätzliche Pull-up-Widerstände oder speziell angefertigte Schnittstellenschaltungen, die als Pegelverschieber bekannt sind. Ein Pegelverschieber verbindet eine digitale Schaltung, die einen Logikpegel verwendet, mit einer anderen digitalen Schaltung, die einen anderen Logikpegel verwendet. Oft werden zwei Pegelumsetzer verwendet, einer an jedem System: Ein Leitungstreiber wandelt von internen Logikpegeln in Standard-Schnittstellen-Leitungspegel um; ein Leitungsempfänger wandelt von Schnittstellenpegeln in interne Spannungspegel.
Zum Beispiel unterscheiden sich TTL-Pegel von denen von CMOS. Im Allgemeinen steigt ein TTL-Ausgang nicht hoch genug an, um von einem CMOS-Eingang zuverlässig als logische 1 erkannt zu werden, insbesondere wenn er nur mit einem CMOS-Eingang mit hoher Eingangsimpedanz verbunden ist, der keinen signifikanten Strom liefert. Dieses Problem wurde durch die Erfindung der 74HCT-Bausteinfamilie gelöst, die CMOS-Technologie, aber TTL-Eingangslogikpegel verwendet. Diese Geräte arbeiten nur mit einer 5-V-Spannungsversorgung.