數(shù)字電路電平標(biāo)準(zhǔn)與接口設(shè)計(jì)解析

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：

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。

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！