Vivimos en un mundo de señales analógicas. Sin embargo, en la electrónica digital sólo hay dos estados: ON y OFF. Utilizando estos dos estados, los dispositivos pueden codificar, transportar y controlar una gran cantidad de datos. Los niveles lógicos, en el sentido más amplio, describen cualquier estado específico y discreto que pueda tener una señal. En electrónica digital, generalmente restringimos nuestro estudio a dos estados lógicos – Binario 1 y Binario 0.
En este tutorial aprenderás:
- ¿Qué es un nivel lógico?
- Cuáles son los estándares comunes para los niveles lógicos en la electrónica digital.
- Cómo interconectar diferentes tecnologías.
- Cambio de nivel
- Reguladores de tensión Buck-Boost
Te sugerimos revisar los siguientes tutoriales para complementar tu conocimiento sobre electrónica:
¿Qué es un nivel lógico?
En pocas palabras, un nivel lógico es una tensión específica o un estado en el que puede existir una señal. A menudo nos referimos a los dos estados de un circuito digital como ON u OFF. Representado en binario, un ON se traduce en un 1 binario, y un OFF en un 0 binario. En Arduino, llamamos a estas señales HIGH o LOW, respectivamente. Hay varias tecnologías diferentes que han evolucionado en los últimos 30 años en la electrónica para definir los distintos niveles de tensión.
Lógica 0 o Lógica 1
La electrónica digital se basa en la lógica binaria para almacenar, procesar y transmitir datos o información. La lógica binaria se refiere a uno de los dos estados: ON u OFF. Esto se traduce comúnmente como un 1 binario o un 0 binario. Un 1 binario también se conoce como una señal ALTA y un 0 binario se conoce como una señal BAJA.
La fuerza de una señal suele describirse por su nivel de tensión. ¿Cómo se define un 0 lógico (LOW) o un 1 lógico (HIGH)? Los fabricantes de chips suelen definirlos en sus hojas de especificaciones. El estándar más común es el TTL o Transistor-Transistor Logic.
Activo-Bajo y Activo-Alto
Cuando trabajas con circuitos integrados y microcontroladores, es probable que encuentres pines que son activo-bajo y pines que son activo-alto. En pocas palabras, esto describe cómo se activa el pin. Si se trata de un pin activo-bajo, debes “tirar” de ese pin hacia abajo conectándolo a tierra. Para un pin activo-alto, lo conectas a tu voltaje ALTO (normalmente 3.3V/5V).
Por ejemplo, digamos que tienes un registro de desplazamiento que tiene un pin de habilitación de chip, CE. Si ves el pin CE en cualquier parte de la hoja de datos con una línea sobre él como esta, CE, entonces ese pin es activo-bajo. El pin CE debe ser puesto a GND para que el chip sea habilitado. Sin embargo, si el pin CE no tiene una línea sobre él, entonces es activo-alto, y necesita ser puesto a ALTO para habilitar el pin.
Muchos circuitos integrados tienen pines activos-bajos y activos-altos entremezclados. Asegúrese de comprobar los nombres de los pines que tienen una línea sobre ellos. La línea se utiliza para representar NOT (también conocido como barra). Cuando algo está NEGADO (NOTTED), cambia al estado opuesto. Así que, si una entrada activa-alta es NEGADA, entonces ahora es activa-baja. Así de simple.
Niveles lógicos TTL
La mayoría de los sistemas que utilizamos se basan en niveles TTL de 3,3 V o 5 V. TTL es un acrónimo de Transistor-Transistor Logic. Se basa en circuitos construidos con transistores bipolares para lograr la conmutación y mantener los estados lógicos. Los transistores son, básicamente, un término elegante para referirse a los interruptores controlados eléctricamente. Para cualquier familia lógica, hay una serie de niveles de tensión de umbral que hay que conocer. A continuación, se muestra un ejemplo para niveles TTL estándar de 5V:
VOH — Nivel mínimo de tensión de SALIDA que un dispositivo TTL proporcionará para una señal ALTA.
VIH — Nivel mínimo de tensión de ENTRADA para que se considere un ALTO.
VOL — Máximo nivel de tensión de salida que un dispositivo proporcionará para una señal BAJA.
VIL – Máximo nivel de tensión de entrada para que se considere una señal BAJA.
Observa que la tensión mínima de salida HIGH (VOH) es de 2,7 V. Básicamente, esto significa que la tensión de salida del dispositivo que conduce a HIGH será siempre de al menos 2,7 V. La tensión mínima de entrada HIGH (VIH) es de 2 V, o básicamente cualquier tensión que sea de al menos 2 V se leerá como un 1 lógico (HIGH) en un dispositivo TTL.
También observa que hay un colchón de 0,7 V entre la salida de un dispositivo y la entrada de otro. Esto se denomina a veces margen de ruido.
Asimismo, la tensión máxima de salida LOW (VOL) es de 0,4 V. Esto significa que un dispositivo que intente enviar un 0 lógico siempre estará por debajo de 0,4 V. La máxima tensión BAJA de entrada (VIL) es de 0,8 V. Por lo tanto, cualquier señal de entrada que esté por debajo de 0,8 V seguirá considerándose un 0 lógico (BAJO) cuando se lea en el dispositivo.
¿Qué pasa si tienes una tensión que está entre 0,8 V y 2 V? Bueno, tu suposición es tan buena como la mía. Honestamente, este rango de voltajes no está definido y resulta en un estado inválido, a menudo referido como flotante. Si un pin de salida de tu dispositivo está “flotando” en este rango, no hay certeza con lo que la señal resultará. Puede rebotar arbitrariamente entre HIGH y LOW.
Esta es otra forma de ver las tolerancias de entrada/salida para un dispositivo TTL genérico.
Niveles lógicos CMOS de 3,3 V
A medida que la tecnología ha ido avanzando, hemos creado dispositivos que requieren un menor consumo de energía y funcionan con una tensión base más baja (Vcc = 3,3 V en lugar de 5 V). La técnica de fabricación también es un poco diferente para los dispositivos de 3,3 V, lo que permite una huella más pequeña y un menor coste global del sistema.
Para garantizar la compatibilidad general, observará que la mayoría de los niveles de tensión son casi todos iguales a los de los dispositivos de 5 V. Un dispositivo de 3,3 V puede interactuar con un dispositivo de 5 V sin necesidad de componentes adicionales. Por ejemplo, un 1 lógico (HIGH) de un dispositivo de 3,3 V será de al menos 2,4 V. Esto se interpretará como un 1 lógico (HIGH) para un sistema de 5V porque está por encima del VIH de 2 V.
Sin embargo, hay que tener cuidado cuando se va en la otra dirección y se hace la interfaz de un dispositivo de 5 V a uno de 3,3 V para asegurarse de que el dispositivo de 3,3 V es tolerante a 5 V. La especificación que te interesa es la tensión máxima de entrada. En ciertos dispositivos de 3,3 V, cualquier tensión superior a 3,6 V causará un daño permanente al chip. Puede utilizar un simple divisor de tensión (como un 1KΩ y un 2KΩ) para rebajar las señales de 5 V a niveles de 3,3 V o utilizar uno de nuestros desplazadores de nivel lógico.
Niveles lógicos en Arduino
Mirando la hoja de datos del ATMega328 (el principal microcontrolador detrás del Arduino Uno y de la Sparkfun RedBoard), puedes notar que los niveles de voltaje son ligeramente diferentes.
El Arduino está construido sobre una plataforma ligeramente más robusta. La diferencia más notable es que la región no válida de voltajes está sólo entre 1,5 V y 3,0 V. El margen de ruido es mayor en el Arduino y tiene un umbral más alto para una señal BAJA. Esto hace que la construcción de interfaces y el trabajo con otro hardware sea mucho más sencillo.
Bri_Huang .Logic levels. Sparkfun. https://learn.sparkfun.com/tutorials/logic-levels