數(shù)字電路電平標(biāo)準(zhǔn)全解析
發(fā)布時(shí)間:2019-10-25 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在通信系統(tǒng)中,各種協(xié)議和接口經(jīng)常讓剛接觸不久的同學(xué)迷糊半天。不同領(lǐng)域涉及的通訊類型和應(yīng)用設(shè)計(jì)又有一定的差異,因此有必要盡可能詳細(xì)的做一下相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的梳理和總結(jié)。
關(guān)于電平標(biāo)準(zhǔn)的由來:
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)。
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。后來發(fā)展處PECL,即正電源射極耦合邏輯?;驹砭褪抢镁w管工作在非飽和區(qū)來減小轉(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,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:
四、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。
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!
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