Çevremize baktığımızda gödüklerimizi veya elimizde veya vücut derimizde hissettiğimiz durumları birer veri olarak değerlendirecek olursak aslında Analog sinyaller dünyasında yaşadığımızı görürüz. Isı, ışık, sesler vb. gibi bir çok faktörden alınan çok farklı sevielerdeki sinyaller Analog sinyaller olarak değerlendirilebilir, mesela Isı algılayan bir sensörün ölçtüğü değerler 0,01 volt ile 4,99v arasında bir değer olabilir. Hatta aynı sensörle 3,87v değerina karşılık gelecek bir sıcaklık değeri (diyelim ki 45°C) ölçebiliriz. Dijital elektronikte ise durum bu kadar detaylı değildir, sadece iki durum vardır – AÇIK veya KAPALI yada başka bir deyişle VAR veya YOK . Bu iki durumu kullanarak, devrelerimizde ve programlarımızda büyük miktarda veriyi kodlayabilir, taşıyabilir ve kontrol edebiliriz. Mantık seviyeleri, en geniş anlamıyla, bir sinyalin sahip olabileceği herhangi bir özel, ayrı durumu tanımlar. Dijital elektronikte, çalışmamızı genelde iki mantık haliyle (İkili 1 ve İkili 0) sınırlandırırız.
Mantık Seviyesi (Logic Level) Nedir?
Mantık seviyesi belirli bir voltaj veya bir sinyalin olabileceği bir durumdur. Dijital devredeki iki durumu sıklıkla AÇIK veya KAPALI olarak adlandırırız. ON durumu binary sayı sisteminde 1’e ve OFF durumu da, binary sayı sisteminde 0’a çevrilir. Arduino’da, bu sinyalleri sırasıyla YÜKSEK veya DÜŞÜK olarak adlandırırız. Çeşitli voltaj seviyelerini tanımlamak için elektronikte son 30 yılda gelişen çeşitli teknolojiler de vardır.
Lojik 0 veya Lojik 1
Dijital elektronik veri veya bilgileri saklamak, işlemek ve iletmek için ikili mantığa (binary) dayanır. İkili Mantık iki durumdan birine atıfta bulunur – AÇIK veya KAPALI. Bu genellikle ikili 1 veya ikili 0 olarak çevrilir. İkili sayı sistemine göre 1, HIGH sinyali olarak da adlandırılır ve ikili sayı sistemine göre 0 ise, DÜŞÜK sinyal olarak adlandırılır.
Bir sinyalin gücü tipik olarak voltaj seviyesi ile tanımlanır. Lojik 0 (DÜŞÜK) veya Lojik 1 (YÜKSEK) neye göre ve nasıl tanımlanır? Çip üreticileri genellikle bunları kendi teknik tablolarında tanımlarlar. En yaygın standart TTL veya uzun ismi ile Transistör-Transistör Mantığı’dır.
Aktif Düşük ve Aktif Yüksek (Active-Low and Active-High)
IC’lerle ve mikrodenetleyicilerle çalışırken, büyük olasılıkla aktif düşük ve aktif yüksek olan pinlerle karşılaşırsınız. Basitçe söylemek gerekirse, bu sadece pinin nasıl etkinleştirildiğini açıklar. Eğer aktif-düşük bir pinden bahsediyorsak, bu pin’i toprağa bağlayarak DÜŞÜĞE “çekmelisiniz”. Aktif yüksek bir pin için, bunu YÜKSEK voltajınıza bağlarsınız (genellikle 3.3V / 5V).
Örneğin CE (chip aneble)isimli, bir çip etkinleştirme pinine sahip bir shift registeriniz olduğunu varsayalım. CE pinini veri sayfasında herhangi bir yerde bunun üzerinde bir çizgiyle görüyorsanız, o zaman bu pin aktif düşüktür. Çipin etkinleştirilmesi için CE pininin GND’ye çekilmesi gerekir. Bununla birlikte, CE pini üzerinde bir çizgiye sahip değilse, o zaman aktif yüksektir ve pini etkinleştirmek için YÜKSEK çekilmesi gerekir. Aşağıdaki resimde 18 nolu bacaktaki ifadeye dikkat edin. CE yazısı üzerindeki çizgi, bu pinin aktif düşük (active – low) olduğunu gösterir ve çipi aktif hale getirmek istediğimizde bu pini GND’ye bağlamamız gerekir. Sürekli aktif tutacak isek Direk GND’ye bağlarız veya belirli zamanlarda aktif etmek istediğimizde ise ise örneğin bir transistör devresi ile aktif edebiliriz.
Birçok IC, aktif düşük ve aktif yüksek pinlerin birbirine karışmasına neden olur. Sadece üzerinde çizgi bulunan pin adlarını iki kez kontrol ettiğinizden emin olun. Çizgi NOT yani DEĞİL ifadesini (aynı zamanda çubuk olarak da bilinir) temsil etmek için kullanılır. Yani pin DEĞİL ile ifade ediliyorsa, canlı valtaja bağlı değil de GND ye bağlı olunca aktif oluyor. pinde DEĞİL ifadesi yoksa da canlı valtaja bağlı olunca aktif olacağını ifade ediyor.
TTL Mantık Seviyeleri
Kullandığımız sistemlerin çoğu 5 V TTL Mantık Seviyelerine dayanmaktadır. TTL, Transistör-Transistör Mantığı için bir kısaltmadır. Anahtarlama ve mantık durumlarını korumak için bipolar transistörlerden oluşturulan devrelere dayanır. Transistörler, Temel olarak elektrikle kontrol edilen anahtarlama elemanlarıdır ve entegre devrelerin bir çoğu transistörlerden imal ediliyor. Herhangi bir mantık ailesi için, bilinmesi gereken birkaç eşik voltaj seviyesi vardır:
- VOH (VOLTAGE of OUTPUT HIGH) – TTL çıkışının YÜKSEK kabul edilebilmesi için, cihazının sağlayabileceği Minimum ÇIKIŞ Voltaj seviyesi. YÜKSEK için bu seviyenin altında voltaj sağlayamaz.
- VIH (VOLTAGE of INPUT HIGH) – Girişin YÜKSEK olduğunun kabul edilebilmesi için uygulanması gereken Minimum Voltaj seviyesi. Bu seviyenin altındakiler YÜKSEK kabul edilmez.
- VOL (VOLTAGE of OUTPUT LOW) – Çıkışın DÜŞÜK seviyesi için, cihazın sağlayacağı Maksimum ÇIKIŞ voltaj seviyesi.
- VIL (VOLTAGE of INPUT LOW) – Girişin DÜŞÜK olarak kabul edilebilmesi için uygulanabilecek Maksimum GİRİŞ Gerilim voltaj seviyesi. Bu seviyenin üstündekiler DÜŞÜK olarak kabul edilmez.
VOH’nın minimum 2.7 V olduğunu fark edebiliriz. Bu ifadeden de anlaşılacağı gibi, çıkışından YÜKSEK sinyali veren cihazın çıkış voltajı, her zaman en az 2.7 V olabilir, yani TTL nin YÜKSEK çıkışından enaz 2.7 V alabiliriz (daha az veremeyecek şeklide tasarlanmıştır). VIH’nın YÜKSEK olarak kabul edilebilmesi için ise minimum giriş voltajı olarak 2 V görmesi gerekiyor. Temel olarak en az 2 V olan herhangi bir giriş voltajı, bir TTL cihazı tarafından lojik 1 (YÜKSEK) olarak okunacaktır.
Bir cihazın çıktısı ile diğerinin girişi arasında da 0.7 V’luk bir tampon olduğunu göreceksiniz. Buna bazen gürültü sınırı denir.
Benzer şekilde, VOL 0.4 V’dir. Bu voltaj seviyesi, lojik 0 göndermeye çalışan bir cihazın çıkış voltajının her zaman 0.4 V’nin altında olacağı anlamına gelir. VIL ise 0.8 V olarak gösterilmiştir. Yani herhangi bir giriş sinyali için 0.8 V’nin altındaki değerler olarak cihaza okunduğunda, cihaz bunu lojik 0 (DÜŞÜK) olarak kabul eder.
Peki girişte 0.8 V ile 2 V arasında bir voltaj varsa ne olur? Açıkçası, bu voltaj aralığı tanımsızdır ve çoğunlukla FLOATİNG olarak adlandırılan geçersiz bir duruma neden olur. Cihazınızdaki bir çıkış pini bu aralıkta yani “FLOATİNG” ise, sinyalin neyle sonuçlanacağından emin olamayız. Keyfi olarak YÜKSEK ve DÜŞÜK arasında sıçrama yapabilir.
Genel bir TTL cihazı için giriş / çıkış toleranslarına bakmanın başka bir yolu aşağıdaki resimde gösterilmiştir.
Karşılaştığınız diğer bir yaygın voltaj standardı ise 3.3 V’dur.
3.3 V CMOS Mantık Seviyeleri
Teknoloji geliştikçe, daha düşük güç tüketimi gerektiren ve daha düşük bir baz voltajla çalışan cihazlar üretilebildi (5 V yerine Vcc = 3.3 V). Üretim tekniği ayrıca daha az yer kaplayan ve genel sistem maliyetlerini düşüren 3.3 V cihazlar için biraz farklıdır.
Genel uyumluluk sağlamak için, voltaj seviyelerinin çoğunun neredeyse tümüyle 5 V cihazlarla aynı olduğunu fark edeceksiniz. 3.3 V’luk bir cihaz 5V’luk bir cihazla herhangi bir ek bileşen olmadan uyumlu bir şekilde çalışabilir. Örneğin, 3.3 V’luk bir cihazdan gelen bir lojik 1 (YÜKSEK), en az 2.4 V olacaktır. Bu, 5 V bir sisteme lojik 1 (YÜKSEK) olarak yorumlanacaktır ve devrelerin uyumlu şekilde çalışmasında herhangi bir sıkıntı oluşmayacaktır
Bununla birlikte bir uyarı yapmakta yarar var, diğer yöne giderken yani 5 V’luk bir cihazı 3.3 V’luk cihazla besleme ve giriş / çıkış sağlarken ilgilenmemiz gereken özellik, maksimum giriş voltajıdır (VIH).
TTL ve CMOS lojik seviyelerine tekrar baktığımızda;
- TTL için VIH değeri 2v ~ 5v arasında iken
- CMOS için VIH değerinin 2v ~ 3.3v olduğunu görürüz
Bazı 3.3 V cihazlarda, 3.6 V’un üzerindeki herhangi bir voltaj çipte kalıcı hasara neden olabilir. 5 V sinyallerini 3.3 V seviyelerine indirmek için basit bir voltaj bölücüyü (1KΩ ve 2KΩ gibi) kullanabilir veya mantık seviye değiştiricilerden (logic level shifter) birini kullanabilirsiniz.
Arduino Mantık Seviyeleri
ATMega328’in (Arduino UNO ve Sparkfun Redboard’un arkasındaki birincil mikro denetleyici) veri sayfasına bakarak, voltaj seviyelerinin biraz farklı olduğunu fark edebilirsiniz.
Arduino biraz daha sağlam bir platform üzerine kuruludur. En belirgin fark, geçersiz voltaj bölgesinin sadece 1,5 V ile 3,0 V arasında olmasıdır. Gürültü sınırı Arduino’da daha yüksektir ve DÜŞÜK bir sinyal için daha yüksek bir eşiğe sahiptir. Bu, arayüz oluşturma ve diğer donanımlarla çalışmayı çok daha basit hale getirir.
Umarım faydalı olmuştur. İstifade edebilmeniz dileği ile….
arduinomblog 