嵌入式硬件篇---常见电平标准
在数字电路和通信系统中，电平标准用于定义逻辑 “1” 和 “0” 的电压范围，不同标准适用于不同场景。以下是一些常用的电平标准及其特点：
一、TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管 - 晶体管逻辑）
- 特点：经典数字逻辑电平，历史悠久，广泛应用于早期电路。
- 电压范围：
- 逻辑 “1”（高电平）：≥2.4V
- 逻辑 “0”（低电平）：≤0.4V
- 优点：驱动能力强，兼容性好。
- 缺点：功耗较高，速度相对较慢，电源电压固定为 5V。
- 应用场景：早期计算机、简单数字电路、低速接口。
二、CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）
- 特点：基于 CMOS 工艺，功耗低，集成度高，是现代数字电路的主流。
- 电压范围：随工艺和电源电压变化，常见类型：
- 5V CMOS：逻辑 “1”≥3.5V，逻辑 “0”≤1.5V
- 3.3V CMOS：逻辑 “1”≥2.4V，逻辑 “0”≤0.8V
- 更低电压（如 1.8V、1.2V）：按比例缩小电压范围。
- 优点：低功耗、抗干扰能力强、电源电压范围灵活。
- 缺点：驱动能力较弱，高速下功耗会增加。
- 应用场景：微处理器、FPGA、存储器、高速数字电路。
三、LVTTL（Low-Voltage TTL，低电压 TTL）
- 特点：TTL 的低电压版本，兼容 TTL 逻辑电平。
- 电压范围：电源电压 3.3V，逻辑 “1”≥2.0V，逻辑 “0”≤0.8V。
- 优点：功耗低于传统 TTL，与 3.3V CMOS 兼容。
- 应用场景：低速接口、混合电压系统。
四、LVCMOS（Low-Voltage CMOS，低电压 CMOS）
- 特点：CMOS 的低电压版本，电压范围更灵活。
- 电压范围：
- 3.3V LVCMOS：逻辑 “1”≥2.4V，逻辑 “0”≤0.4V
- 2.5V、1.8V 等版本按对应电源电压定义。
- 优点：低功耗、高速性能好，适合低电压系统。
- 应用场景：高速数字芯片、嵌入式系统、存储器接口。
五、RS-232（Recommended Standard 232，串口通信标准）
- 特点：异步串行通信电平，用于计算机串口（如 COM 口）。
- 电压范围：
- 逻辑 “1”：-3V ~ -15V（负电平）
- 逻辑 “0”：+3V ~ +15V（正电平）
- 优点：抗干扰能力强，传输距离较远（约 15 米）。
- 缺点：电平不兼容 TTL/CMOS，需通过芯片（如 MAX232）转换；传输速率较低（最高约 115.2kbps）。
- 应用场景：传统串口通信、工业设备、调试接口。
六、RS-485（平衡差分通信标准）
- 特点：差分信号传输，抗干扰能力强，支持多节点总线。
- 电压范围：
- 逻辑 “1”：A-B ≥200mV
- 逻辑 “0”：A-B ≤-200mV
- 优点：传输距离长（可达 1200 米），速率高（最高 10Mbps），支持多设备组网。
- 应用场景：工业控制、物联网、远程通信、现场总线（如 Modbus）。
七、LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低压差分信号）
- 特点：高速差分传输，低功耗，抗干扰能力强。
- 电压范围：差分电压约 350mV，电源电压通常 3.3V 或更低。
- 优点：传输速率高（可达数 Gbps），噪声小，适合高速数据传输。
- 应用场景：高速接口（如 PCIe、HDMI、DisplayPort）、高速数据线、背板通信。
八、PECL（Positive Emitter-Coupled Logic，正发射极耦合逻辑）
- 特点：高速差分逻辑，基于电流模式，开关速度极快。
- 电压范围：电源电压 5V，逻辑摆幅约 400mV。
- 优点：传输速率极高（可达数百 MHz），信号完整性好。
- 缺点：功耗较高，需负电源（如 - 5.2V）或偏置电路。
- 应用场景：高速通信、时钟电路、高频数字系统。
九、ECL（Emitter-Coupled Logic，发射极耦合逻辑）
- 特点：PECL 的原型，非正逻辑差分电路，速度极快。
- 电压范围：电源电压 - 5.2V，逻辑摆幅约 800mV。
- 优点：开关速度最快（纳秒级），适合超高速场景。
- 缺点：功耗大，成本高，需特殊电源。
- 应用场景：高速计算机、雷达、高频通信设备。
十、I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间通信）
- 特点：低速串行总线，使用开漏（Open Drain）结构，需上拉电阻。
- 电压范围：随器件不同，常见 3.3V 或 5V，逻辑 “1” 为高电平（取决于上拉电源），逻辑 “0” 为接地。
- 优点：只需两根线（SDA、SCL），支持多设备挂载，布线简单。
- 应用场景：低速传感器（如温度、湿度传感器）、外设芯片（如 EEPROM）。
十一、SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）
- 特点：高速串行总线，全双工，主从模式，电平兼容 TTL/CMOS。
- 电压范围：与主设备一致（如 3.3V 或 5V），逻辑 “1” 和 “0” 对应高 / 低电平。
- 优点：传输速率高（可达数十 Mbps），协议简单，适合短距离通信。
- 应用场景：存储器（如 Flash）、ADC/DAC 芯片、无线模块。
不同电平标准的对比
| 标准 | 电源电压 | 逻辑 “1” 范围 | 逻辑 “0” 范围 | 特点 | 典型速率 |
|---|---|---|---|---|---|
| TTL | 5V | ≥2.4V | ≤0.4V | 经典逻辑 | 低速 |
| CMOS | 5V/3.3V 等 | 电源电压的 70% 以上 | 电源电压的 30% 以下 | 低功耗 | 中高速 |
| RS-232 | ±15V | -3V~-15V | +3V~+15V | 串口通信 | 低速 |
| RS-485 | 2.5V~5V | A-B≥200mV | A-B≤-200mV | 差分传输 | 高速 |
| LVDS | 3.3V | 差分 350mV | 差分 - 350mV | 高速差分 | 数 Gbps |
电平转换与兼容性
- 不同电平互联时需注意：
- 电压范围匹配：如 3.3V 设备与 5V 设备通信，需考虑高电平是否超过接收端耐压。
- 驱动能力：开漏 / 开集电极输出需外接上拉电阻。
- 转换芯片：如 RS-232 与 TTL 之间用 MAX232，不同电压 CMOS 间用电平转换器（如 TXB0108）。
了解这些电平标准有助于电路设计、接口匹配和系统集成，实际应用中需根据场景需求（如速度、功耗、距离、成本）选择合适的标准。