經(jīng)典電平轉(zhuǎn)換電路分析

3.3V供電的STM32開發(fā)板，輸出24V的工業(yè)傳感器，如果把它倆直連在一起，會發(fā)生什么？把不同電平的芯片或者開發(fā)板直連，你是不是也做過類似的事？運氣好只是讀不到信號，嚴(yán)重的話可能會導(dǎo)致芯片或開發(fā)板直接燒毀。

這時候，就需要一個“調(diào)解員”了。本期貿(mào)澤科普實驗室，就來聊聊電平轉(zhuǎn)換這個“調(diào)解員”——

1為什么需要電平轉(zhuǎn)換

在我們平時的設(shè)計中，經(jīng)常遇到以下兩種需要電平轉(zhuǎn)換的情況：

1）電壓不匹配

在數(shù)字電路和嵌入式系統(tǒng)中，不同的芯片或模塊可能使用不同的電壓標(biāo)準(zhǔn)，如1.8V、3.3V、5V、12V、24V等。當(dāng)這些不同電壓的芯片或模塊需要進行通信時，如果直接連接，可能會導(dǎo)致信號傳輸混亂，甚至損壞芯片。因此，需要進行電平轉(zhuǎn)換，以確保信號能夠在不同電壓系統(tǒng)間正確傳輸。

2）邏輯電平不兼容

除了電壓不匹配外，不同的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)（如TTL、CMOS、LVCMOS等）之間也存在不兼容的問題。這些邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)具有不同的電壓范圍和邏輯電平定義，因此需要進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換以確保信號的正確傳輸和處理。電平轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)不同邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，從而解決兼容性問題。

2電壓不匹配的電平轉(zhuǎn)換

電壓不匹配主要有三種情況：

第一種：芯片的數(shù)字I/O口與外部模組電平不匹配，也就是視頻開頭單片機與傳感器的情況，傳感器或驅(qū)動器的輸出電平與單片機I/O電平不匹配。

舉個例子，有的工業(yè)傳感器采用的是24V供電，如果單片機想要采集傳感器的數(shù)據(jù)，那么單片機的IO口要能承受24V的電壓，然而現(xiàn)在大部分的單片機都是3.3V供電，那么IO口肯定是承受不了24V的，這個時候，就需要在傳感器與單片機中間增加一個電平轉(zhuǎn)換電路，把24V信號轉(zhuǎn)成單片機可以容忍的電平范圍。

單片機IO容忍電平

圖源：STM32F103單片機數(shù)據(jù)表

針對這種情況的電平不匹配，可以使用三極管進行電平轉(zhuǎn)換。下圖就是經(jīng)常使用的三極管電平轉(zhuǎn)換電路。這兩張圖分別是1.8V轉(zhuǎn)5V和5V轉(zhuǎn)1.8V。

三極管電平轉(zhuǎn)換電路

左圖：1.8V轉(zhuǎn)5V，右圖：5V轉(zhuǎn)1.8V

以1.8V轉(zhuǎn)5V為例，當(dāng)開關(guān)S1接到1.8V時，Q1導(dǎo)通，Q1集電極的電壓為0V，當(dāng)S1接地時，Q1截止，Q1集電極的電壓為5V，5V轉(zhuǎn)1.8V也是同理。

用三極管轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是電路簡單，成本低，也有缺點，通訊速度受三極管的開關(guān)速度限制，通訊速度過低的時候還好。如果需要高速通訊的時候，就需要使用專門的高速電平轉(zhuǎn)換芯片啦，例如TI的TXS0102DCUR，可以同時轉(zhuǎn)換2路電平，在推挽模式下，轉(zhuǎn)換速率可高達24Mbps。當(dāng)然，不同的轉(zhuǎn)換通道或轉(zhuǎn)換速率，都有專門芯片可以使用。

第二種：芯片的模擬I/O口與外部模擬量量程不匹配。

常見的就是ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，單片機模擬I/O的有效輸入范圍是0-VRef，當(dāng)模擬信號輸入超出VRef或超出芯片的VDD電壓后，就會造成量程溢出或模擬I/O口永久損壞，而我們使用的模擬量輸出又是花樣百出，例如0~5V、-2.5V~2.5V、0~10V或4~20mA信號等，這個時候就需要將這些外部的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機能測量的0~VRef信號。

單片機模擬輸入IO電壓范圍

圖源：STM32F103單片機數(shù)據(jù)表

這種場景的電平轉(zhuǎn)換比較麻煩，沒有集成芯片可以用，常用的就是電阻分壓+運算放大器的轉(zhuǎn)換方案，下圖分別為常用的電壓采集和電流采集電路，在電壓采集電路中，輸入模擬量為5V，利用分壓電阻，輸入到電壓跟隨器的電壓就是2.5V，那么輸出就是2.5V。在面對不同模擬量時，只要選擇合理的電路轉(zhuǎn)換模型就可以了。

電阻分壓+運算放大器的轉(zhuǎn)換方案

左圖：電壓采集電路，右圖：電流采集電路

第三種：芯片的通訊接口轉(zhuǎn)換。

常用的通訊協(xié)議，比如RS485、RS232、CAN，有不同的電平標(biāo)準(zhǔn)，這些通訊電平在單片機內(nèi)部沒有集成，如果想要使用這些通訊方式，就需要使用電平轉(zhuǎn)換。

通訊接口的轉(zhuǎn)換非常簡單，直接選用對應(yīng)的通訊芯片就可以了。例如，RS485通訊時可以選擇MAX485，RS232可以用MAX232，CAN可以選SN65HVD230DR，方案基本都是固定的，按照對應(yīng)芯片的數(shù)據(jù)手冊設(shè)計電路就沒什么問題。

3邏輯電平不兼容的電平轉(zhuǎn)換

邏輯電平，用來表示數(shù)字信號狀態(tài)的電壓水平。在數(shù)字系統(tǒng)中，二進制的1和0就是用邏輯電平來表示，邏輯高電平通常表示為1，邏輯低電平通常表示為0。邏輯電平的穩(wěn)定性對于正確地識別和處理數(shù)字信號是至關(guān)重要的。

有2種廣為熟知的邏輯電平：TTL邏輯電平和CMOS邏輯電平。TTL邏輯電平的全稱是晶體管-晶體管集成邏輯電平，比如說我們現(xiàn)在用的74系列的一些芯片，它就是TTL電平。而CMOS邏輯電平是互補對稱金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯電平。通常是指電路中很多器件是由PMOS晶體管或者是NMOS晶體管來構(gòu)成的。

TTL和CMOS都有自己的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)，也就是對應(yīng)1和0 的電平。

圖中：VOH為：輸出為高電平時的電平最小值；
VOL為：輸出為低電平時的電平最大值

VIH為：輸入為高電平時的電平的最小值；
VIL為：輸入為低電平時的電平最小值

由上圖可以看出，TTL邏輯電平與CMOS邏輯電平之間存在差異，但是，我們通過分析發(fā)現(xiàn)，他們的電平在一定區(qū)間是有兼容性的，既然能兼容，那是不是可以不轉(zhuǎn)換，這是不可以的，這里舉個例子，以5VTTL和CMOS對比，比如一個信號速率為10GHZ，在TTL電平下，確定為高電平是2V以上，而在CMOS電平下，確定為高電平是3.5V以上，之間差了1.5V，我們都知道，信號的上升是需要時間的，在10G的速率下，這個確認(rèn)電平的時間差值就非常重要，這個時間差會造成信號時序錯誤，終將導(dǎo)致信號傳輸失敗，所以TTL與CMOS邏輯電平之間也需要進行轉(zhuǎn)換，通常TTL轉(zhuǎn)CMOS需要使用專門的轉(zhuǎn)換芯片，例如CD4504B，它就可以實現(xiàn)TTL轉(zhuǎn)CMOS。

圖源：CD4504B數(shù)據(jù)表

不論是電壓不匹配的電平轉(zhuǎn)換，還是邏輯電平之間的電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的形式有多種，上面介紹的只是其中一種方式，但只要記住電平轉(zhuǎn)換的目的就是讓電平兼容，用什么轉(zhuǎn)換都是可以的。

雖然這些電平轉(zhuǎn)換電路并不復(fù)雜，但是畢竟還是需要額外的器件搭建。有沒有可能把轉(zhuǎn)換電路集成到單片機里或者把I/O耐壓提高呢？這跟單片機的低功耗以及高速度有關(guān)，低壓可以帶來更小的損耗，如果加入這些轉(zhuǎn)換電路，會增加功耗，還降低了芯片的靈活性。既然無法集成到內(nèi)部，那么問題又來了，為什么不統(tǒng)一電平標(biāo)準(zhǔn)呢？這是個好問題，跟全世界的充電插頭無法統(tǒng)一一樣，每個芯片都是有自己的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一真的很難。