数字系统之间的接口电平标准

传感器技术 2020-05-29
前言
我们在对FPGA项目进行约束的时候,常常看到这样的电平标准,例如LVCOM18,LVCOS25,LVDS,LVDS25等等,其实这些都是一系列的电平标准,为了更加深刻地理解电平标准,下面摘选自《FPGA之道》这本书对于电平标准的讲解来理解。

双阈值标准

所谓的双阈值标准,是针对数字电路而言,数字电路表示电平的只有1和0两个状态,在实际的电路中,需要约定什么样的电压为1,什么样的电压为0。数字电路中的双阈值是这样定义的,例如TTL接口电平标准:

对于输出端,状态1的电压要求为大于等于2.4V,状态0的电压要求为小于等于0.5V;
对于输入端,状态1的判定要求为大于等于2.0V,状态0的判定要求为小于等于0.8V;
也就是需要大于某一个阈值表示电平1,小于某一个阈值表示电平0.

下面详细介绍一些接口电平标准:

TTL
TTL是Transistor-Transistor Logic的英文缩写,从其命名就可以看出,这种接口电平标准的初衷是用于基于三极管结构的数字系统之间的。

工作于TTL接口标准下的数字电路,其内部有源器件的标准电源供给应为5V,输出、输入情况如下:

对于输出端,状态1的电压要求为大于等于2.4V,状态0的电压要求为小于等于0.5V;
对于输入端,状态1的判定要求为大于等于2.0V,状态0的判定要求为小于等于0.8V;

对比输出、输入端的电压要求,可以看出输出端的电压输出要求要比输入端的双阀值判定标准更加严格,这样做主要是考虑到噪声的干扰以及电信号在输出与输入间的传递速度,从而让双阀值判定标准更加的可靠。

LVTTL
由于2.4V与5V之间还有很大空间,这对改善噪声干扰并没有什么明显的好处,而且还会增加系统的功耗,并且由于数字状态1、0之间电平相差较大,还会影响到数字电路的响应速度。因此后来就把TTL的电压范围进行了一些压缩,从而形成了LVTTL——Low Voltage Transistor-Transistor Logic,也即低压TTL电平标准。以下介绍两种目前常用的LVTTL标准:

LVTTL3V3
LVTTL3V3的意思,即其内部有源器件的标准电源供给为3.3V,输出、输入情况如下:

对于输出端,状态1的电压要求为大于等于2.4V,状态0的电压要求为小于等于0.4V;
对于输入端,状态1的判定要求为大于等于2.0V,状态0的判定要求为小于等于0.8V;

对比输出、输入端的电压要求可知,为了保证双阀值判定的稳定性和抗噪性,输出端的电压要求仍比输入端的双阀值判定标准要严格,这点对于所有的数字系统接口标准是一样的,以后不再赘述。

LVTTL2V5
LVTTL2V5的意思,即其内部有源器件的标准电源供给为2.5V,输出、输入情况如下:
对于输出端,状态1的电压要求为大于等于2.0V,状态0的电压要求为小于等于0.2V;
对于输入端,状态1的判定要求为大于等于1.7V,状态0的判定要求为小于等于0.7V。

CMOS
CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor的英文缩写,从其命名就可以看出,这种接口电平标准的初衷是用于基于NMOS、PMOS组成的MOS管结构的数字系统之间的。

工作于CMOS接口标准下的数字电路,其内部有源器件的标准电源供给为5V,输出、输入情况如下:

对于输出端,状态1的电压要求为大于等于4.45V,状态0的电压要求为小于等于0.5V;
对于输入端,状态1的判定要求为大于等于3.5V,状态0的判定要求为小于等于1.5V。

CMOS与TTL接口相比,有了更大的噪声容限,并且其输入阻抗也远大于TTL输入阻抗。

LVCOMS
同TTL一样,鉴于功耗和响应速度的考虑,CMOS也同样衍生出了LVCMOS接口标准,并且由于MOS管相对于三极管的导通门限更加低,因此LVCMOS比LVTTL更容易使用较低的电压进行通信。以下介绍几种目前常用的LVTTL标准:

LVCOMS3V3
LVCMOS3V3的意思,即其内部有源器件的标准电源供给为3.3V,输出、输入情况如下:

对于输出端,状态1的电压要求为大于等于3.2V,状态0的电压要求为小于等于0.4V;
对于输入端,状态1的判定要求为大于等于2.0V,状态0的判定要求为小于等于0.7V。

LVCOMS2V5
LVCMOS2V5的意思,即其内部有源器件的标准电源供给为2.5V,输出、输入情况如下:

对于输出端,状态1的电压要求为大于等于2.0V,状态0的电压要求为小于等于0.4V;
对于输入端,状态1的判定要求为大于等于1.7V,状态0的判定要求为小于等于0.7V。

LVCOMS1V8
LVCMOS1V8的意思,即其内部有源器件的标准电源供给为VCC=1.8V,当然这是有一定容忍度的,不过与之前介绍的电平标准不同,这个容忍度会影响它的输出、输入情况,介绍如下:

对于输出端,状态1的电压要求为大于等于VCC-0.45V(若VCC精确等于1.8V,则为1.35V),状态0的电压要求为小于等于0.45V;

对于输入端,状态1的判定要求为大于等于0.65倍的VCC(若VCC精确等于1.8V,则为1.17V),状态0的判定要求为小于等于0.35倍的VCC(若VCC精确等于1.8V,则为0.63V)。

LVCOMS1V5
LVCMOS1V5的意思,即其内部有源器件的标准电源供给为VCC=1.5V,它的容忍度也会影响到其输出、输入情况,介绍如下:

对于输出端,LVCMOS1V5没有明确的要求,但是肯定是状态1越接近VCC越好,状态0越接近0V越好;

对于输入端,状态1的判定要求为大于等于0.65倍的VCC(若VCC精确等于1.5V,则为0.975V),状态0的判定要求为小于等于0.35倍的VCC(若VCC精确等于1.5V,则为0.525V)。

LVCOMS1V2

LVCMOS1V2的意思,即其内部有源器件的标准电源供给为VCC=1.2V,它的容忍度也会影响到其输出、输入情况,介绍如下:

对于输出端,LVCMOS1V2也没有明确的要求,但是肯定是状态1越接近VCC越好,状态0越接近0V越好;

对于输入端,状态1的判定要求为大于等于0.65倍的VCC(若VCC精确等于1.2V,则为0.78V),状态0的判定要求为小于等于0.35倍的VCC(若VCC精确等于1.2V,则为0.42V)。

LVDS
LVDS是Low Voltage Differential Signaling的缩写,即低压差分信号,其输入、输出与之前所介绍的接口电平都不同,它需要通过两根线来完成通信。其工作原理如下图所示:

上图左部为LVDS输出端,其内部有一个恒流源IS,大约恒定输出3.5-4mA的电流值。最右边的Vout接入LVDS的输入端,而在靠近输入端的地方并联接入一个阻值为100欧的匹配电阻R。通过改变上图双刀双掷开关的位置,而改变差分线上电流的方向,以此来表示数字状态0和1,因此,接收端的差分线上将会由于电流方向的不同而表现出来±350mV的差分电平,并依次作为数字状态的判定依据。上图右侧还有一个直流偏置电压源VS,这主要是用来说明Vout的两端其实一般都是正电压的,实际电路中并没有该项。

由于LVDS的电压摆幅仅有350mV左右,电流也仅有3.5mA左右,而且又是差分传输,因此具有高速、超低功耗、低噪声和低成本等优良特性。

RS232

RS232是美国电子工业协会EIA(全称为Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是Recommended Standard的缩写,中文意思为推荐标准,232为标识号。RS232总线标准共设有25条信号线,这里我们仅讨论其数字电平接口判定标准。

RS232的标准电源供给为±12V或±15V,状态1的电压要求为-15V到-3V之间,状态0的电压要求为3V到15V之间。

RS485
RS485相当于RS232的升级版,与LVDS类似,RS485也是采用差分的形式来传递信息(不过RS485是真的传了两路电压信号过去),因此抗干扰性要优于RS232。这里,我们同样仅关心其数字电平接口判定标准。

RS485的状态1,其两线之间的电压差要求为2V到6V之间;状态0,其两线之间的电压差要求为-6V到-2V之间。

不同标准之间能否混连?

上面介绍了多种数字系统之间的接口电平标准,通常在使用的时候,还是强烈建议大家为数字系统接口的双方选择一致的标准。不过有时候受限于两方的一些配置情况,可能并不能找出统一的电平标准来进行通信,那么此时,是不是除了设计接口转换电路板以外就没有别的方法了呢?并不是的,其实,有些不同的接口电平标准是可以兼容的。

首先单端和差分是不可能兼容的,因为从物理连线上它们就不一样。但是对于同种类的接口,如果A电平标准的输出符合B电平标准的输入,那么就称A的输出可驱动B的输入,如果反之亦然,那么称A、B两种电平标准可相互驱动。

例如,CMOS的输出是可以驱动TTL输入的,但是反之则不行,因为TTL的状态1输出仅为大于等于2.4V,并不能达到CMOS判决状态1所需要的大于等于3.5V;但是LVTTL3V3和LVCMOS3V3却可以相互驱动,因为它们的输出都能满足彼此的输入判定要求。

END- 



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