數位狀態、電壓準位與邏輯族

數位裝置中只有兩種狀態：開和關。裝置只需要使用這兩種狀態，就能傳輸大量資料，也能控制各類其他裝置。二進位制以 1 或 0 表示這兩種狀態。一般認定二進位 1 是邏輯高，0 則是邏輯低。

電壓準位

不過，驅動數位裝置的，通常是有著無數種類型的類比裝置。如何將無數種狀態轉換成單純 2 種狀態？方法就是建立電壓邏輯準位，用於定義代表邏輯高或邏輯低的電壓。

^{圖 1： 電壓準位定義代表邏輯高或邏輯低的類比電壓。}

系統可將電壓邏輯準位定義在系統所選的任何值，但許多電路是以 +5 V 或 +3.3 V 到接地代表邏輯高，以接地或 0 V 代表邏輯低。這類系統稱為正系統或高活動系統。這類系統說明針腳啟動方式：高活動針腳要接高電壓。

負系統或低活動系統則相反。電壓較高代表邏輯低，而電壓較低則代表邏輯高。若是低活動針腳，必須將針腳接地，將針腳拉低。資料表通常會在針腳名稱上方加註一條線，表示這是低活動針腳，比方說 EN。

儘管指定了高低，大多數系統其實是有範圍的，這是為了提高實用性。舉例來說，邏輯高可以是 2 V 到 5 V 之間的任何值，邏輯低則可以是 0 V 到 1 V 之間的任何值。超出這些範圍的電壓視同無效電壓，唯有在發生故障或進行邏輯準位轉換的階段，才會出現無效電壓。

Z 與 X 狀態

數位訊號只能有開和關兩種狀態，但您可以使用其他狀態輔助擷取及產生數位訊號。以三態邏輯來說，就會出現第三種可能的條件：輸出與線路中斷的高阻抗狀態。這種狀態不分高低，而是浮動或高阻抗狀態。其代號是 Z，用途通常是啟動線。

Z 狀態最普遍的用途是測試一或多條可由多個傳輸器驅動的數位線路。記憶體晶片上的資料埠就是一個很好的例子。電腦寫入記憶體裝置時，需在記憶體裝置的資料針腳 (0 或 1) 上驅動欲寫入至記憶體晶片中的資料。之後，當電腦處理器需要讀取記憶體中的內容時，記憶體裝置必須將先前預存的資料值驅動回電腦處理器 (通常是資料針腳上的 Z 狀態)。 

第四種狀態是代號 X 所代表的「保持」狀態。產生數位訊號時，可以讓裝置將通道保持在目前的狀態，不論任何狀態皆可。設定初始或閒置狀態時，這個狀態就能派上用場。

擷取資料時，X 狀態會有不同的代號，就是「無關」。比較擷取到的數位訊號與預期的訊號時，這個狀態可以派上用場。舉例來說，在一個由 10 個值組成的訊號中，您只在意前四個值。此時您可以用 X 代表最後六個值，只比較前四個值即可。

^{表 1： 數位訊號的狀態只能是高或低；不過，若是需要產生或擷取數位訊號的用途，Z 與 X 狀態仍然可以發揮輔助作用。}

標準化的邏輯族可以簡化電路與元件的處理流程。這類邏輯族提供構成邏輯高或邏輯低的標準化電壓準位。邏輯族內的電路全數與同一族當中的其他電路相容，這是因為這些電路有著相同的特性。

單端點邏輯族

單端點邏輯族指定相對於接地的電壓準位。四個準位的定義如下：

• V_OH (輸出高準位電壓) – 又稱為產生電壓高準位。設定產生主動驅動時，這就是裝置產生邏輯高時所產生的電壓。設定產生集電極開路產生時，等於將資料通道設定為高阻抗狀態。
• V_OL (輸出低準位電壓) – 又稱產生電壓低準位。這是裝置產生邏輯低時所產生的電壓。
• V_IH (輸入高準位) – 又稱為擷取電壓高準位。這是必須傳送到裝置才能讓裝置讀取邏輯高的電壓準位。
• V_IL (輸入低準位電壓) – 又稱為擷取電壓低準位。這是必須傳送到裝置才能讓裝置讀取邏輯低的電壓準位。

^{圖 2： 指定輸出和輸入的單端點邏輯準位。}

為了能與裝置準確通訊，設定數位裝置時，一定要符合下列條件：

• V_OH ≥ DUT V_IH
• V_OL ≤ DUT V_IL
• V_IH ≤ DUT V_OH
• V_IL ≥ DUT V_OL
• V_IH > V_IL

裝置的輸出電壓與其他裝置的輸入電壓之間，通常會有緩衝，這就稱為雜訊邊限或雜訊抗擾準位 (NIM)。如果您所在的環境雜訊較高，而且難以處理不正確的資料位元，不妨考慮提高這個值。

單端點邏輯族分為數種。電晶體-電晶體邏輯 (Transistor-transistor logic, TTL) 常見於積體電路，用途相當廣，例如電腦、消費性電子產品以及測試設備。以雙極性電晶體製作的電路會進行切換並保持邏輯狀態。TTL 還必須符合特定的電流規格，以及上升/下降時間，請參閱 TTL 相容訊號的定義是什麼？。

^{圖 3： 標準 5 V TTL 電壓準位}

另一種常見的 IC 族是 CMOS。這些裝置的雜訊抗擾度高，耗電量低，基礎電壓也較低。大部分的電壓準位皆與 TTL 裝置相似，相容性更好。由於如此，從 TTL 改為 CMOS 裝置會比較容易，但反過來就未必了。CMOS 電壓過高可能會損壞晶片。在這種情況下，可以使用分壓器降低電壓。

^{圖 4： 標準 CMOS 電壓準位}

差動邏輯族

單端點邏輯族使用與接地相關的固定電壓準位；而差動邏輯族則使用兩個數值的差，不是接地參考。要將差動訊號解析為邏輯低，訊號必須小於其互補訊號，且兩者的差要高出特定的值，這就是所謂的臨界值 (VTH)。由於會同時參考及傳輸這些訊號，因此，相較於使用單端點邏輯族，這種方式較能夠提高訊號的抗擾度。指定差動邏輯族的電壓準位時通常是以差動為準，而不以絕對電壓為準。四個準位的定義如下：

• V_OD (輸出差動電壓) –這是訊號之間的電壓差。
• V_OS (偏移電壓) – 這是差動訊號的共模。您可以將它想成這兩個訊號的平均值。這是接地參考。
• V_TH (臨界電壓) - 這是裝置記錄有效邏輯狀態所需的電壓差。
• V_RANGE (輸入電壓範圍) – 這是絕對電壓，其參考值是裝置允許的接地電壓。 

• 電壓邏輯準位定義電壓代表的是邏輯高或邏輯低。 
• 許多電路以 +5 V 或 +3.3 到接地代表邏輯高，以接地或 0 V 代表邏輯低。這類系統稱為正系統或高活動系統。 
• 在三態邏輯中，Z 狀態是高阻抗狀態，其用途通常是啟動線。 
• 於數位產生中，X 狀態會維持目前的邏輯準位。在數位擷取中，這個狀態代表「無關」狀態。 
• 邏輯族提供構成邏輯高或邏輯低的標準化電壓準位。 
• TTL 以 V_CC = 5 V 為準。
• CMOS 以 V_CC = 3.3 V 為準。
• 差動邏輯族使用兩個數值之間的差，不是接地參考。
• LVDS 是低雜訊、低功率且低振幅的差動方式，其 V_CC= 3.3 V。
• LVPECL 電路是其中一種 ECL 電路，其每個通道各需要一對訊號線 (V_CC= 3 或 3.3 V)。

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