如何快速掌握數(shù)字電路的電平標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于電平標(biāo)準(zhǔn)的由來(lái)：

在以高（1）和低（0）為格式的數(shù)字通信過程中必然要涉及到高和低對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，而這個(gè)值的確定是有原因和歷史的。具體而言就是和半導(dǎo)體器件的發(fā)展有關(guān)，例如TTL即Transistor-Transistor Logic （晶體管-晶體管邏輯集成電路），這是因?yàn)榘雽?dǎo)體器件中最先發(fā)明的是雙極型晶體管。而后由于MOS,CMOS工藝的發(fā)展給電路的供電需求帶來(lái)新的改變而導(dǎo)致輸出數(shù)字電平標(biāo)準(zhǔn)的變化。

一、TTL和CMOS電平介紹

TTL電路只能在5V或以下工作，VCC=5V時(shí)。

TTL輸出：VOH>2.4V，VOL<0.4V。

輸入：VIH>2.0V，VIL<0.8V。

CMOS電路的工作電壓范圍更寬，可達(dá)到12V，VCC=5V時(shí)。

CMOS輸出：VOH>4.99V，VOL<0.01V。

輸入：VIH>3.5V，VIL<1.5V。

可以看出TTL電平的噪聲容限為0.4V，CMOS的噪聲容限為1.5V。

TTL和CMOS門電路結(jié)構(gòu)：

如圖TTL門結(jié)構(gòu)，輸出級(jí)采用推挽式輸出結(jié)構(gòu)，T4為射極跟隨的形式，輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

如圖CMOS門結(jié)構(gòu)。

TTL和CMOS驅(qū)動(dòng)的幾個(gè)特點(diǎn)：

1、TTL輸出電阻小，因此帶載能力一般更強(qiáng)。

2、TTL的響應(yīng)速度更快一般在ns級(jí)，CMOS稍大，但是先進(jìn)的高速M(fèi)OS設(shè)計(jì)速度已經(jīng)不輸于TTL。

3、TTL為電流驅(qū)動(dòng)，功耗更大，無(wú)法進(jìn)行更大規(guī)模集成。

4、CMOS的柵極輸入更容易受到干擾，因?yàn)檩斎胱杩惯h(yuǎn)大于TTL輸入，因此不能懸空。

5、現(xiàn)代集成電路工藝綜合TTL和CMOS的特點(diǎn)發(fā)展出Bicmos工藝。

6、TTL和CMOS電平有差異，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能有效識(shí)別。

TTL和CMOS電平的發(fā)展

因?yàn)門TL的高電平2.4V與5V之間存在空閑區(qū)間，后來(lái)又發(fā)展出低壓的LVTTL，具體電平標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)手冊(cè)。

3.3V LVTTL:VCC:3.3V VOH>2.4V,VOL<0.4V;VIH>2V;VIL<0.8V;

V2.5V LVTTL: VCC:2.5V。VOH>2.0V,VOL<0.2V,VIH>1.7V,VIL<0.7V.??

同樣也發(fā)展出LVCMOS電平。

3.3V LVCMOS： Vcc：3.3V；VOH>=3.2V；VOL<=0.1V；VIH>=2.0V；VIL<=0.7V。 2.5V LVCMOS： Vcc：2.5V；VOH>=2V；VOL<=0.1V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。

二、高速電平標(biāo)準(zhǔn)

在高速電路中如何實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)輸出呢？要么增大驅(qū)動(dòng)電流，要么降低電平標(biāo)準(zhǔn)，或者提高晶體管工作速度。顯然前者會(huì)帶來(lái)非常大的功耗，因此改變電平標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)晶體管設(shè)計(jì)成為選擇，雖然低電平更容易受到干擾，所以需要更嚴(yán)格的硬件設(shè)計(jì)。

1、ECL和PECL電平接口

ECL即射極耦合邏輯（Emitter Coupled Logic）采用的是差分結(jié)構(gòu)輸出，并需要負(fù)電源供電。后來(lái)發(fā)展處PECL，即正電源射極耦合邏輯。基本原理就是利用晶體管工作在非飽和區(qū)來(lái)減小轉(zhuǎn)換時(shí)間，大大提高轉(zhuǎn)換速度。

ECL的輸出管始終有電流通過，非常有利于高速轉(zhuǎn)換。輸出阻抗幾歐姆，輸出電流10mA左右，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

接口連接：直流耦合，適用于短距離

這個(gè)匹配方式由等效而來(lái)，具體阻值計(jì)算：

接口連接：交流耦合，適用于較遠(yuǎn)距離

2、LVDS電平接口

LVDS即Low-Voltage Differential Signaling，是一種利用低壓差分信號(hào)傳輸高速信號(hào)的電平標(biāo)準(zhǔn)。特點(diǎn)是：低壓，低功耗，噪聲抑制能力強(qiáng)。

如圖LVDS的輸入和輸出規(guī)格：

LVDS的連接方式：直接連接，因?yàn)槠瑑?nèi)具有端接電阻。

、

三、CML電平接口

CML即電流模式邏輯電平，采用恒流驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置匹配電阻，使用簡(jiǎn)單，短距離高速應(yīng)用中最多。

下圖是幾種高速接口的性能簡(jiǎn)單比較：

三、常用普通電平標(biāo)準(zhǔn)

在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的應(yīng)該是485 232的電平標(biāo)準(zhǔn)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，成本低，使用也比較簡(jiǎn)單，但是依然有很多技術(shù)要點(diǎn)可以討論，譬如傳輸速度，距離，防護(hù)設(shè)計(jì)等等。

因?yàn)?85輸出的是A/B差分信號(hào)，因此485屬于半雙工通訊，而232屬于全雙工通訊。

485和232的幾個(gè)特點(diǎn)及原因說(shuō)明：

1、傳輸距離。受驅(qū)動(dòng)電容的影響，232允許的電容負(fù)載為2500pF，因此傳輸距離在15~30m。而485采用的是差分傳輸，距離可達(dá)上千米。

2、傳輸可靠性。232因?yàn)槭瞻l(fā)端共地的原因更容易受到干擾，485實(shí)際上兩根線就可以應(yīng)用，可靠性要好。

3、電平標(biāo)準(zhǔn)。232：高電平為-3V~-15V。低電平為+3V~+15V。485發(fā)送時(shí)：高電平A-B為+2V~+6V，低電平為-2V~-6V,接收時(shí)|A-B|差值在200mV以上。

4、關(guān)于共模電平，顯然232的共模電平更高，容易損壞芯片，可靠性稍低。

5、RS485可以進(jìn)行組網(wǎng)通訊，總線最多可帶32臺(tái)。

RS232和RS485的防護(hù)設(shè)計(jì)說(shuō)明：

接口的防護(hù)設(shè)計(jì)問題一直是重中之重，基本電路結(jié)構(gòu)原理實(shí)際上并不難，主要在于對(duì)問題的綜合分析和處理。按照干擾源-傳播路徑-屏蔽措施的套路來(lái)逐步實(shí)驗(yàn)處理。如圖以485為例的接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)

RS232和RS485的連接問題：

工作中了解到不少同學(xué)對(duì)于232或者485的連接一直有些迷糊，關(guān)于信號(hào)的收發(fā)端定義及公母頭連接，一開始我也是經(jīng)常摸不著頭腦。以收發(fā)地三線為主。

標(biāo)準(zhǔn)的232是DB9接頭：

簡(jiǎn)記為：235-收發(fā)地。

485如何利用DB9連接：

485的兩根線對(duì)應(yīng)DB9頭的1,2腳。

232和485與MCU的連接：

四、小結(jié)

關(guān)于數(shù)字電平的標(biāo)準(zhǔn)主要就這么幾種，這些都是在硬件層面的定義，在軟件上對(duì)應(yīng)的就有各種協(xié)議通訊方式的規(guī)定。關(guān)于接口設(shè)計(jì)確實(shí)是電路設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，尤其是在目前的高速數(shù)字通訊應(yīng)用當(dāng)中，我覺得主要有幾個(gè)要掌握的方面：

1、信號(hào)電平的應(yīng)用電路，也就是基本結(jié)構(gòu)要清晰。

2、防護(hù)設(shè)計(jì)問題要考慮周全，不同接口對(duì)于負(fù)載對(duì)于匹配度的要求都不一樣。

3、PCB設(shè)計(jì)的重要性，在高速設(shè)計(jì)中很多都采用EDA軟件仿真的方式來(lái)協(xié)助查找關(guān)于干擾的問題，但是首要的還是要嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)則和規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)。

4、實(shí)驗(yàn)的必要性。尤其是接口的干擾問題，盡可能全面的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)是盡快解決問題的最佳路徑之一。

總之，理論基礎(chǔ)要有，設(shè)計(jì)考慮要到，測(cè)試實(shí)驗(yàn)要全，如此，結(jié)果可能才好！