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前言

我們?cè)趯?duì)FPGA項(xiàng)目進(jìn)行約束的時(shí)候，常?？吹竭@樣的電平標(biāo)準(zhǔn)，例如LVCOM18，LVCOS25，LVDS，LVDS25等等，其實(shí)這些都是一系列的電平標(biāo)準(zhǔn)，為了更加深刻地理解電平標(biāo)準(zhǔn)，下面摘選自《FPGA之道》這本書對(duì)于電平標(biāo)準(zhǔn)的講解來(lái)理解。

雙閾值標(biāo)準(zhǔn)

所謂的雙閾值標(biāo)準(zhǔn)，是針對(duì)數(shù)字電路而言，數(shù)字電路表示電平的只有1和0兩個(gè)狀態(tài)，在實(shí)際的電路中，需要約定什么樣的電壓為1，什么樣的電壓為0。數(shù)字電路中的雙閾值是這樣定義的，例如TTL接口電平標(biāo)準(zhǔn)：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于2.4V，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.5V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于2.0V，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.8V;

也就是需要大于某一個(gè)閾值表示電平1，小于某一個(gè)閾值表示電平0.

下面詳細(xì)介紹一些接口電平標(biāo)準(zhǔn)：

TTL

TTL是Transistor-Transistor Logic的英文縮寫，從其命名就可以看出，這種接口電平標(biāo)準(zhǔn)的初衷是用于基于三極管結(jié)構(gòu)的數(shù)字系統(tǒng)之間的。

工作于TTL接口標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)字電路，其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給應(yīng)為5V，輸出、輸入情況如下：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于2.4V，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.5V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于2.0V，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.8V;

對(duì)比輸出、輸入端的電壓要求，可以看出輸出端的電壓輸出要求要比輸入端的雙閥值判定標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，這樣做主要是考慮到噪聲的干擾以及電信號(hào)在輸出與輸入間的傳遞速度，從而讓雙閥值判定標(biāo)準(zhǔn)更加的可靠。

LVTTL

由于2.4V與5V之間還有很大空間，這對(duì)改善噪聲干擾并沒有什么明顯的好處，而且還會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，并且由于數(shù)字狀態(tài)1、0之間電平相差較大，還會(huì)影響到數(shù)字電路的響應(yīng)速度。因此后來(lái)就把TTL的電壓范圍進(jìn)行了一些壓縮，從而形成了LVTTL——Low Voltage Transistor-Transistor Logic，也即低壓TTL電平標(biāo)準(zhǔn)。以下介紹兩種目前常用的LVTTL標(biāo)準(zhǔn)：

LVTTL3V3

LVTTL3V3的意思，即其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為3.3V，輸出、輸入情況如下：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于2.4V，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.4V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于2.0V，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.8V;

對(duì)比輸出、輸入端的電壓要求可知，為了保證雙閥值判定的穩(wěn)定性和抗噪性，輸出端的電壓要求仍比輸入端的雙閥值判定標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格，這點(diǎn)對(duì)于所有的數(shù)字系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，以后不再贅述。

LVTTL2V5

LVTTL2V5的意思，即其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為2.5V，輸出、輸入情況如下：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于2.0V，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.2V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于1.7V，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.7V。

CMOS

CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor的英文縮寫，從其命名就可以看出，這種接口電平標(biāo)準(zhǔn)的初衷是用于基于NMOS、PMOS組成的MOS管結(jié)構(gòu)的數(shù)字系統(tǒng)之間的。

工作于CMOS接口標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)字電路，其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為5V，輸出、輸入情況如下：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于4.45V，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.5V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于3.5V，狀態(tài)0的判定要求為小于等于1.5V。

CMOS與TTL接口相比，有了更大的噪聲容限，并且其輸入阻抗也遠(yuǎn)大于TTL輸入阻抗。

LVCOMS

同TTL一樣，鑒于功耗和響應(yīng)速度的考慮，CMOS也同樣衍生出了LVCMOS接口標(biāo)準(zhǔn)，并且由于MOS管相對(duì)于三極管的導(dǎo)通門限更加低，因此LVCMOS比LVTTL更容易使用較低的電壓進(jìn)行通信。以下介紹幾種目前常用的LVTTL標(biāo)準(zhǔn)：

LVCOMS3V3

LVCMOS3V3的意思，即其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為3.3V，輸出、輸入情況如下：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于3.2V，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.4V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于2.0V，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.7V。

LVCOMS2V5

LVCMOS2V5的意思，即其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為2.5V，輸出、輸入情況如下：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于2.0V，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.4V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于1.7V，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.7V。

LVCOMS1V8

LVCMOS1V8的意思，即其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為VCC=1.8V，當(dāng)然這是有一定容忍度的，不過與之前介紹的電平標(biāo)準(zhǔn)不同，這個(gè)容忍度會(huì)影響它的輸出、輸入情況，介紹如下：

對(duì)于輸出端，狀態(tài)1的電壓要求為大于等于VCC-0.45V(若VCC精確等于1.8V，則為1.35V)，狀態(tài)0的電壓要求為小于等于0.45V;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于0.65倍的VCC(若VCC精確等于1.8V，則為1.17V)，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.35倍的VCC(若VCC精確等于1.8V，則為0.63V)。

LVCOMS1V5

LVCMOS1V5的意思，即其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為VCC=1.5V，它的容忍度也會(huì)影響到其輸出、輸入情況，介紹如下：

對(duì)于輸出端，LVCMOS1V5沒有明確的要求，但是肯定是狀態(tài)1越接近VCC越好，狀態(tài)0越接近0V越好;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于0.65倍的VCC(若VCC精確等于1.5V，則為0.975V)，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.35倍的VCC(若VCC精確等于1.5V，則為0.525V)。

LVCOMS1V2

LVCMOS1V2的意思，即其內(nèi)部有源器件的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為VCC=1.2V，它的容忍度也會(huì)影響到其輸出、輸入情況，介紹如下：

對(duì)于輸出端，LVCMOS1V2也沒有明確的要求，但是肯定是狀態(tài)1越接近VCC越好，狀態(tài)0越接近0V越好;

對(duì)于輸入端，狀態(tài)1的判定要求為大于等于0.65倍的VCC(若VCC精確等于1.2V，則為0.78V)，狀態(tài)0的判定要求為小于等于0.35倍的VCC(若VCC精確等于1.2V，則為0.42V)。

LVDS

LVDS是Low Voltage Differential Signaling的縮寫，即低壓差分信號(hào)，其輸入、輸出與之前所介紹的接口電平都不同，它需要通過兩根線來(lái)完成通信。其工作原理如下圖所示：

上圖左部為L(zhǎng)VDS輸出端，其內(nèi)部有一個(gè)恒流源IS，大約恒定輸出3.5-4mA的電流值。最右邊的Vout接入LVDS的輸入端，而在靠近輸入端的地方并聯(lián)接入一個(gè)阻值為100歐的匹配電阻R。通過改變上圖雙刀雙擲開關(guān)的位置，而改變差分線上電流的方向，以此來(lái)表示數(shù)字狀態(tài)0和1，因此，接收端的差分線上將會(huì)由于電流方向的不同而表現(xiàn)出來(lái)±350mV的差分電平，并依次作為數(shù)字狀態(tài)的判定依據(jù)。上圖右側(cè)還有一個(gè)直流偏置電壓源VS，這主要是用來(lái)說(shuō)明Vout的兩端其實(shí)一般都是正電壓的，實(shí)際電路中并沒有該項(xiàng)。

由于LVDS的電壓擺幅僅有350mV左右，電流也僅有3.5mA左右，而且又是差分傳輸，因此具有高速、超低功耗、低噪聲和低成本等優(yōu)良特性。

RS232

RS232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(全稱為Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是Recommended Standard的縮寫，中文意思為推薦標(biāo)準(zhǔn)，232為標(biāo)識(shí)號(hào)。RS232總線標(biāo)準(zhǔn)共設(shè)有25條信號(hào)線，這里我們僅討論其數(shù)字電平接口判定標(biāo)準(zhǔn)。

RS232的標(biāo)準(zhǔn)電源供給為±12V或±15V，狀態(tài)1的電壓要求為-15V到-3V之間，狀態(tài)0的電壓要求為3V到15V之間。

RS485

RS485相當(dāng)于RS232的升級(jí)版，與LVDS類似，RS485也是采用差分的形式來(lái)傳遞信息(不過RS485是真的傳了兩路電壓信號(hào)過去)，因此抗干擾性要優(yōu)于RS232。這里，我們同樣僅關(guān)心其數(shù)字電平接口判定標(biāo)準(zhǔn)。

RS485的狀態(tài)1，其兩線之間的電壓差要求為2V到6V之間;狀態(tài)0，其兩線之間的電壓差要求為-6V到-2V之間。

不同標(biāo)準(zhǔn)之間能否混連?

上面介紹了多種數(shù)字系統(tǒng)之間的接口電平標(biāo)準(zhǔn)，通常在使用的時(shí)候，還是強(qiáng)烈建議大家為數(shù)字系統(tǒng)接口的雙方選擇一致的標(biāo)準(zhǔn)。不過有時(shí)候受限于兩方的一些配置情況，可能并不能找出統(tǒng)一的電平標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行通信，那么此時(shí)，是不是除了設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路板以外就沒有別的方法了呢?并不是的，其實(shí)，有些不同的接口電平標(biāo)準(zhǔn)是可以兼容的。

首先單端和差分是不可能兼容的，因?yàn)閺奈锢磉B線上它們就不一樣。但是對(duì)于同種類的接口，如果A電平標(biāo)準(zhǔn)的輸出符合B電平標(biāo)準(zhǔn)的輸入，那么就稱A的輸出可驅(qū)動(dòng)B的輸入，如果反之亦然，那么稱A、B兩種電平標(biāo)準(zhǔn)可相互驅(qū)動(dòng)。

例如，CMOS的輸出是可以驅(qū)動(dòng)TTL輸入的，但是反之則不行，因?yàn)門TL的狀態(tài)1輸出僅為大于等于2.4V，并不能達(dá)到CMOS判決狀態(tài)1所需要的大于等于3.5V;但是LVTTL3V3和LVCMOS3V3卻可以相互驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊妮敵龆寄軡M足彼此的輸入判定要求。

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