الرئيسية - مساحة المقالات - علوم الالكترونيات - ما هي المجالات المنطقية Logic Levels

ما هي المجالات المنطقية Logic Levels

يعبر المجال المنطقي عن قيمٍ للجهود الكهربائية التي يمكن عبرها تمثيل الإشارات الثنائية

عندما نريد أن نقوم توصيف أمر ما في حياتنا اليومية، فإننا سنجد أنفسنا أمام طيف واسع من الخيارات: قد يكون الطقس مشمس، أو غائم، أو غائم جزئياً، أو ممطر، أو ممطر جزئياً، جاف، رطب، أو كل ما سبق خلال يومٍ واحد فقط؛ لا يوجد جواب مطلق وواضح يمكن من خلاله أن نصف حالة الطقس.

بالنسبة للعالم الرقمي فإن الوضع مختلف: بدلاً من مجال احتمالات واسع، يتم التعامل مع الإشارات على أنها إحدى حالتين: صفر أو واحد. إلا أن الإشارة نفسها عبارة عن جهد كهربائي، فكيف يمكن تمثيل قيمة الجهد بلحظة معينة على أنها صفر أو واحد؟ هذا ما سنجيب عليه في هذا المقال عبر توضيح مفهوم المجالات المنطقية.

1. ما هو المجال (المستوى) المنطقي Logic Level

المجال المنطقي ببساطة هو عبارة عن قيمة معينة للجهد الكهربائي أو حالة معينة تصف وضعية إشارة عند زمنٍ معين. في عالم الدارات الرقمية والإلكترونية، فإننا نستخدم حالتين لوصف الإشارات: حالة العمل (أو التشغيل) ON وحالة اللا عمل (أو الإيقاف) OFF. بشكلٍ مماثل، يتم ترميز حالة الإشارات على أنها في المجال (أو المستوى) العالي High-Signal أو على أنها في المجال المنخفض Low-Signal.

نعلم أيضاً من عالم المنطق الرقميّ أنه يُمكن تمثيل الإشارات (أو المعلومات) اعتماداً على قيمتين: الصفر أو الواحد. بهذه الصورة، يُمكن النظر لحالات الإشارات الكهربائية على أنها أحد احتمالين:

  • حالة العمل ON وتكافئ إشارة تشغل جهد في المجال المرتفع High وتكافئ الواحد المنطقي Logic-One
  • حالة الإيقاف Off وتكافئ إشارة تشغل جهد في المجال المنخفض Low وتكافئ الصفر المنطقي Logic-Zero

يمكن تبسيط المفاهيم السابقة عبر صورة لإشارة رقمية مربعة يمكن أن تأخذ أحد قيمتين: إما الصفر أو الواحد، بحيث يُعادل الواحد جهداً كهربائياً قيمته 5 فولت، بينما يعادل الصفر المنطقي جهداً كهربائياً قيمته 0 فولت.

2. الحاجة لتحديد مجال الإشارات

يقودنا الطرح السابق إلى سؤال هام: كيف يتم تحديد الصفر المنطقي (أو المستوى المنخفض Low) والواحد المنطقي (أو المستوى العالي High) بالنسبة للإشارات التي تمتلك قيماً مختلفة للجهد الكهربائيّ؟ لو افترضنا كمثال أن الواحد المنطقي يعادل جهداً قيمته 5 فولت، ماذا لو كانت القيمة الحالية للإشارة 4.5 فولت؟ ألا يمكن اعتبارها واحد منطقي؟

الصفر المنطقي والواحد المنطقي

هذا الأمر يأخذنا مرة أخرى لمفهوم مستوى الإشارات المنطقية الذي مررنا عليه سريعاً في الفقرة السابقة؛ لا يتم تمثيل الصفر المنطقي أو الواحد المنطقي عن طريق قيم مطلقة للجهد الكهربائيّ، وإنما عبر مجال أو مستوى معين، وبالتالي وبدلاً من اعتبار الواحد المنطقي هو إشارة جهد كهربائي بقيمة 5 فولت، يمكن اعتبار كل إشارات الجهد الكهربائي التي تتراوح قيمها ما بين 4 و 5 فولت على أنها واحد منطقي، وكذلك الأمر بالنسبة للصفر المنطقي الذي لا يتم التعامل معه على أنه إشارة جهد كهربائي قيمتها 0 فولت، بل مجال من الجهود الكهربائية التي تتراوح قيمتها ما بين 0 و 1.5 فولت – على سبيل المثال.

التفعيل العالي والتفعيل المنخفض Active-High and Active-Low

تمتلك الدارات المتكاملة والشرائح الإلكترونية مغارز (أرجل) Pins تتيح التخاطب معها والحصول على الخرج المطلوب منها، وفي كثير من الحالات يكون هنالك مغارز دخل Input-Pins والتي تعني أنه من أجل قيام الدارة المتكاملة بإنجاز المهمة المطلوبة منها سيتوجب علينا أن نزودها ببعض إشارات الدخل.

من الأمثلة على ذلك هو دارة مسجل الإزاحة Shift Register والتي تمتلك مغرزاً يُدعى “تفعيل الشريحة OE: Output Enable”. عند قراءة النشرة الفنية الخاصة بمسجل الإزاحة، سنجد أن هذه الإشارة ذات “تفعيل منخفض Active-Low”، وهذا يعني أنها بحاجة لجهد كهربائي ذو مستوى منخفض على المغرز الموافق لهذه الإشارة من أجل السماح لإشارة خرج مسجل الإزاحة بالظهور على مغرز الخرج Output-Pin. بنفس الوقت، وعندما تشير النشرة الفنية إلى أن مغرزاً ما يعمل بإشارات ذات تفعيل منخفض، فهذا يعني أنه في حال لم نكن نريد تفعيل هذا المغرز يتوجب علينا وصله بإشارة ذات تفعيل عالي Active-Low. [ملاحظة: يتم الإشارة إلى المغارز ذات إشارات التفعيل المنخفض عبر وضع خط فوق اسم المغرز في نشرة البيانات الفنية].

ولكن كيف نعلم ما هو مجال الجهد الخاص بإشارات التفعيل المنخفض أو إشارات التفعيل العالي؟

عادةً ما يقوم مصنعو الدارات المتكاملة والشرائح الإلكترونية بتحديد المجالات المنطقية وما يكافئها من قيمٍ للجهدٍ الكهربائيّ وذكر ذلك بشكلٍ صريح في النشرات الفنية Datasheet كي يستطيع المصممون ومهندسو الإلكترونيات بناء تطبيقاتهم على أفضل نحو ولمنع أي التباس بكيفية تفسير الدارة المتكاملة للجهود الكهربائية المختلفة، وفي هذا السياق يبرز تقنيتين يتم الاعتماد عليها بكثرة لتوضيح مجال الجهود المنطقية الخاصة بالشريحة: منطق ترانزيستور-ترانزيستور TTL ومنطق سيموس CMOS.

3. المجالات المنطقية بحسب منطق ترانزستور-ترانزستور TTL Logic Levels

يُشير منطق ترانزستور-ترانزستور إلى الدارات المنطقية التي يتم بناؤها اعتماداً على الترانزستورات ثنائية القطبية BJT. نحن نعلم أن الترانزستورات تقوم بوظيفة “مفتاح” بمعنى أنها تسمح بمرور التيار الكهربائيّ عند وصول الجهد إلى قيمةٍ معينة، ودونه فإنها لن تقوم بتمرير التيار، وبحالة عائلة منطق ترانزستور-ترانزستور فإن هنالك قيماً حدية للجهود التي توضح كيفية عمل الدارات أو العناصر المبنية على هذه العائلة.

بحالة عائلة منطق ترانزستور-ترانزستور المعتمدة على جهد 5 فولت كجهد تغذية Vcc، وعلينا أن نميز دوماً بين نوعين من الإشارات: إشارات الدخل التي ستتعامل معها الدارة وإشارات الخرج التي تستطيع توليدها. بناءً على ذلك، يمكن تمييز القيم الحديثة التالية لإشارات الدخل والخرج في عائلة TTL ذات جهد 5 فولت:

  • الحد الأدنى لمجال جهد إشارة الخرج الذي تعتبر ضمنه الإشارة في المستوى المرتفع Voh وهو يساوي 2.7 فولت
  • الحد الأدنى لمجال جهد إشارة الدخل الذي تعتبر عنده الإشارة في المستوى المنخفض Vihوهو يساوي 2 فولت
  • الأحد الأعظمي لمجال جهد إشارة الخرج الذي تعتبر ضمنه في المستوى المنخفض Vol وهو يساوي 0.4 فولت
  • الحد الأعظمي لمجال جهد إشارة الدخل الذي تعتبر ضمنه في المستوى المرتفع Vil وهو يساوي 0.8 فولت
القيم الحدية لجهود إشارات الدخل والخرج في منطق TTL. حقوق الصورة: Sparkfun

يمكن فهم القيم الحدية السابقة كما يلي: لو أخذنا الحد الأدنى للمجال المرتفع لجهد الخرج Voh والذي تبلغ قيمته 2.7 فولت، سيكون بإمكاننا أن نفهم ببساطة أن أي إشارة خرج من دارة تتبع منطق ترانزستور-ترانزستور سُتعتبر ضمن المجال المرتفع High في حال كانت ما بين 2.7 و 5 فولت. نفس الأمر ينطبق مثلاً على الحد الأعلى للمجال المنخفض لجهد الدخل Vin والذي يبلغ 0.8 فولت، فأي إشارة تدخل دارة تتبع لمنطق ترانزستور-ترانزستور وتقع ضمن المجال 0 وحتى 0.8 فولت ستُعتبر إشارة ضمن المجال المنخفض Low وسُتفسر على أنها صفر منطقي.

هامش الضجيج Noise Margin

هنا قد يطرأ على الذهن سؤال هام: ماذا عن إشارات الدخل والخرج التي لا تقع ضمن أي مجالٍ من المجالات السابقة؟ وبالتحديد، ماذا لو كانت قيمة الإشارة على مغرز ما (سواء كانت دخل أو خرج) تقع في المجال ما بين 0.8 وحتى 2 فولت؟ عادةً ما يتم تعريف مثل هكذا إشارات على أنها “عائمة Floating” بحيث سيكون من الصعب تحديد حالتها، وغالباً ما تؤدي إلى أخطاءٍ منطقية تؤدي لتفسيرها بشكلٍ عشوائي على أنها ضمن المجال المرتفع أو المنخفض. يُعرف هذا المجال من قيم الجهود باسم هامش الضجيج Noise Margin. يجب الانتباه دوماً لمثل هكذا حالات خصوصاً في مجالاتٍ مثل الاتصالات التسلسلية Serial Communications لأن وجود إشارة ضمن حالة عائمة سيؤدي إلى عدم دقة في كيفية تفسيرها، ما يعني احتمالية تفسيرها على أنها مجال مرتفع (أي واحد منطقي) في حين أنه يفترض أن تكون مجال منخفض (أي صفر منطقي)، وبالتالي سيكون هنالك خطأ في المعلومات المتبادلة.

4. المجالات المنطقية بحسب منطق سيموس عند جهد 3.3 فولت

منطق ترانزستور-ترانزستور ليس الوحيد المستخدم من أجل بناء الدارات الرقمية والمنطقية، في الواقع، يُعتبر هذا المنطق ذو استهلاك مرتفع للطاقة الكهربائية (عند جهد تغذية يساوي 5 فولت)، وهو ما دفع لاعتماد تصاميم أخرى تعتمد على المنطق الذي توفره عائلة سيموس CMOS التي تعمل عند جهد تغذية قدره 3.3 فولت.

بخلاف منطق ترانزستور-ترانزستور، تعتمد الدارات المنطقية المبنية على منطق سيموس على ترانزستور تأثير المجال (أو ترانزستور التأثير الحقلي)، ونظراً لإمكانية ضبطها للعمل عند جهد تغذية قدره 3.3 فولت فإنها توفر بالنتيجة وسيلةً فعالة لتصميم دارات منطقية ذات استهلاك أقل للطاقة، فضلاً عن حجمٍ أصغر.

بشكلٍ مشابه للدارات المنطقية المعتمدة على منطق تراتزستور-ترانزستور TTL، هنالك قيم حدية لجهود إشارات الدخل والخرج في منطق سيموس والتي تحدد متى تعتبر إشارة ما (سواء كانت دخل أو خرج) ضمن المجال المرتفع أو المنخفض؛ أي متى تُعتبر إشارة ما على أنها واحد أو صفر منطقي.

القيم الحدية لجهود إشارات الدخل والخرج في منطق سيموس. حقوق الصورة: Sparkfun

بشكل مشابهٍ لمنطق ترانزستور-ترانزستور TTL، يمكن النظر للقيم الحدية لجهود إشارات الدخل والخرج في منطق سيموس كما يلي:

5. ملاحظات حول التوافقية

عند مقارنة قيم الجهود الحدية لإشارات الدخل والخرج بين منطقي ترانزستور-ترانزستور وسيموس، سنجد أن أي إشارة دخل ذات قيمة جهد أعلى من 2 فولت سُتعتبر واحد منطقي في كلا الحالتين، وهذا يعني أنه لن يكون هنالك مشكلة بتفسير مثل هكذا إشارة سواء كانت الدارة مبنية على منطق سيموس أو ترانزستور-ترانزستور طالما أن جهدها لا يتجاوز 3.3 فولت (الحد الأعظمي لدارات سيموس في هذه الحالة). على صعيدٍ آخر، وعلى افتراض أن هنالك دارة سيموس تقوم بتوليد إشارة خرج عند المجال المرتفع، فهذا يعني أن جهدها سيكون على الأقل 2.4 فولت، وبالتالي سيكون بالإمكان استقبالها باستخدام دارة TTL لأن الحد الأدنى لجهد إشارة الدخل عند المجال المرتفع هو 2 فولت، وهكذا لن يكون هنالك مشكلة بتفسير الإشارة.

بكل الأحوال، وعند التعامل مع داراتٍ تعتمد على عوائل منطقية مختلفة (أي قيم حدية مختلفة لجهود إشارات الدخل والخرج) من المهم الانتباه للقيمة الأعظمية لجهود إشارات الدخل والخرج، ويُفضل استخدام تقنيات مثل مجزئ الجهد (شبكة مقاومات) لضمان أن إشارة خرج من الدارة الأولى لا تتجاوز الحد الأعظمي لدخل الدارة الثانية. يمكن أيضاً استخدام نمط خاص من الدارات المعروف باسم مزيح المجال المنطقي Logic Level Shifter والتي يمكن عبرها التحويل بين مجالات 3.3 و 5 فولت بسهولة لضمان توافق الجهود بين الدارات المختلفة.

6. عوائل أخرى: 5 فولت و3.3 فولت ليست كل شيء

سيكون من المفيد معرفة أن جهود المجالات المنطقية لا تقتصر فقط على منطق سيموس عند 3.3 فولت أو منطق ترانزستور-ترانزستور عند 5 فولت، فهنالك عوائل سيموس أخرى ذات جهد تغذية أعظمي عند 2.5 فولت أو حتى 1.8 فولت، كما أن هنالك عائلة لمنطق ترانزستور-ترانزستور تعمل عند جهد تغذية أعظمي مقداره 3.3 فولت. هذا الأمر يعني ضرورة الانتباه إلى نوعية العائلة المنطقية التي تعتمد عليها الدارة قيد الاستخدام، ومثل هكذا معلومات يوفرها مصنعو الدارات والشرائح الإلكترونية ضمن النشرات الفنية.

أمثلة على عوائل منطقية تختلف بحسب جهد التغذية والقيم الحدية لجهود المجالات المنطقية الخاصة بها. حقوق ملكية الصورة: Texas Instrument

7. خلاصة

  • المجال المنطقي عبارة عن مجال يغطي قيم الجهد الكهربائي التي يمكن أن تأخذها إشارة عند لحظة زمنية ما
  • تُقسم المجالات المنطقية بشكلٍ أساسيّ إلى مجال مرتفعٍ high و منخفض Low والتي توافق الواحد المنطقي والصفر المنطقي
  • يتم تفسير الإشارات على أنها ضمن المجال المرتفع أو المنخفض بحسب المنطق أو العائلة المنطقية المستخدمة في بناء الدارة قيد الاستخدام
  • يحدد هامش الضجيج المجال الذي تكون فيه الإشارة عائمة؛ أي لا يمكن اعتبارها صفر منطقي أو واحد منطقي
  • أشهر العوائل المنطقية المستخدمة في بناء الدارات الرقمية هي منطق ترانزستور-ترانزستور TTL ذات جهد التغذية 5 فولت وعائلة منطق سيموس ذات جهد التغذية 3.3 فولت
  • عند تبادل إشارات أو معلومات بين دوائر أو متحكمات صغرية تعتمد على عوائل منطقية يجب الانتباه إلى توافق القيم الحدية لجهود المجالات المنطقية لضمان عدم حصول خطأ في تفسير الإشارات.

8. مصادر إضافية للاطلاع

عن ماريو رحال

x

‎قد يُعجبك أيضاً

[سبق تقني]: آي بي إم تُطلق أول شريحة معالجة بدقة تصنيع 2 نانومتر

أصبحت شركة آي بي إم الأميركية أول شركة في العالم تتمكن من تصنيع شريحة معالجة حاسوبية بتقنية تصنيع بدقة 2 نانومتر، متفوقة على كل الشركات الأخرى في هذا المجال