各种电平知识总结

各种电平知识总结

噪声容限（Noise Margin）是指在前一极输出为最坏的情况下，为保证后一极正常工作，所允许的最大噪声幅度。 CMOS芯片的噪声容限比TTL通常大，因为VOH是离电源电压较近，并且最小值是离零较近。噪声容限越大说明容许的噪声越大，电路的抗干扰性越好。高电平噪声容限=最小输出高电平电压-最小输入高电平电压=VOH-VIH

低电平噪声容限=最大输入低电平电压-最大输出低电平电压=VIL-VOL

噪声容限=min{高电平噪声容限，低电平噪声容限}

这里主要总结了TTL、CMOS、RS232、RS485和RS422电平的相关知识：

TTL电平：TTL集成电路的全名是晶体管-晶体管逻辑集成电路（Transistor-Transistor Logic),主要有54/74系列标准TTL、高速型TTL（H-TTL）、低功耗型TTL（L-TTL）、肖特基型TTL（S-TTL）、低功耗肖特基型TTL（LS-TTL）五个系列。

TTL电路是电流控制器件，TTL电路的速度快，传输延时短，但是功耗较大（1～5mA/门）；TTL一般可以提供25mA的驱动能力，而CMOS只能提供10mA左右的驱动能力；TTL 电平一般过冲都会比较严重，在电路中可以串22或33欧姆电阻（过冲：在某一时刻本应该为低电平时，由于下降沿不够理想，该时刻仍然是高电平，主要原因是高电平太高，不能及时下降至低电平，串接电阻可以降低电压）；TTL电平输入引脚悬空时认为是高电平，悬空相当于接了一个无穷大的电阻；若要下拉应使用1K以下的电阻下拉，因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平；TTL输出不能驱动CMOS 输入，主要是因为TTL的VOH不一定大于CMOS的VIH；CMOS输出可以驱动TTL输入，主要因为CMOS的VOH>2.0V且VOL<0.8V；TTL驱动CMOS时需要加上拉电阻。

TTL电平信号直接与集成电路连接，一般是芯片间的传输电平；TTL型的通信大多数情况下是采用的并行数据传输方式，TTL电平通信速率高，通信距离短，芯片间通信；供电电压一般Vcc=5V，VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=2V；VIL<=0.8V；所以噪声容限为0.3V。由于2.4V与5V之间还有较大差值，对于改善噪声容限没有什么益处，且会增加系统功耗、影响速度，进而催生了LVTTL(Low Voltage TTL)，LVTTL又分为Vcc=3.3V和Vcc=2.5V以及更低电压的LVTTL，LVTTL电平并没有改善TTL电平的噪声容限，而是降低了系统的功耗；

CMOS电平：CMOS电平，CMOS的电源工作电压是3V - 18V，CMOS的电源工作电压范围宽，如果CMOS的电源工作电压是12V，那么这个CMOS的输入输出电平电压要适合12V 的输入输出要求。即CMOS的电平，要看你用的电源工作电压是多少，3v - 18V都在CMOS

的电源工作电压范围内，具体数值由加在CMOS芯片上的电源电压确定。当电源电压是Vcc 时，VOH>0.9VCC；VOL<0.1VCC；VIH>0.7VCC；VIL<0.3VCC;相对于TTL电平有了更大的噪声容限。

CMOS电平的1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V，CMOS器件的输入电流很小（>1mA时会烧坏元件），所以CMOS的功耗很低；CMOS电路的速度慢，电路功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率高时功耗也高；CMOS电路是电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平；对于CMOS结构的电路，当输入高于VCC一定值（一些芯片是0.7V）时，若电流足够大（>1mA），可能会引起闩锁效应烧毁芯片。

CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，电流一直在增大，除非切断电源。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。防御措施：

1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压。

2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。

3）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路的电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS 电路的电源。

5）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。

RS232电平：RS232是由电子工业协会制定的异步传输标准接口，标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特，驱动器允许有2500pF的电容负载，因此就限制了RS232的通信距离；如果采用150pF/m的通信电缆时，通信距离为最大15米，每米的电容量减小可以提高通信距离；具体的通信距离还与通信速率有关，速率低时通信距离可以适当加长；

RS232采用负逻辑，逻辑1的电平为-3~-15V，逻辑0的电平为+3~+15V；双向全双工通信，最高传输速率20Kbps，传输距离<15m；采用RX和TX共地形式传输信号，共地传输容易产生共模干扰；接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V，收发端的压差仅为2~3V，抑制共模能力较差；RS232接口信号电平较高，容易损坏芯片，在于TTL兼容时需要电平转换（MAX3232可以实现TTL电平与232电平双向转换，部分芯片只能实现单向转换）

RS485电平：RS485采用差分传输的方式，所以其电平方式一般是两个引脚A、B间的电压差（B-A），发送端压差：+2~+6V为逻辑1，-2~-6V为逻辑0，接收端压差：>+200mV是逻辑1，<-200mV是逻辑0；双向半双工通信，最高传输速率10Mbps，传输距离<1200m；RS485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，抗干扰性好；

RS422电平：电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于422有4根信号线：两根发送（Y、Z）、两根接收（A、B）。由于422的收与发是分开的所以可实现全双工通信，同时也支持单机发送、多机接收的单向传输；最高传输速率10Mbps；接收器采用高输入阻抗且发送器的驱动能力更高，允许点对多双向通信，最多可以有10个接收点；

USB电平:

电源线是5V，可以为USB设备提供最大500mA的电流，数据线是差分信号，通常D+和D-在+400mV~-400mV间变化；

而USB是一种多点、高速的连接方式，采用集线器能实现更多的连接。USB接口的基本部分是串行接口引擎SIE，SIE从USB收发器中接收数据位，转化为有效字节传送给SIE接口；反之，SIE接口也可以接收字节转化为串行位送到总线。由于PC机串口的最高速率仅为115.2kbps，会形成一个速度瓶颈。RS-232系统包括2个串行信号路径，其方向相反，分别用于传输命令和数据，而命令和状态必须与数据交织在一起；而USB支持分离的命令和数据通道并允许独立的状态报告。USB是一种方便、灵活、简单、高速的总线结构，与传统的RS-232接口相比，主要有以下特点：

(1) USB采用单一形式的连接头和连接电缆，实现了单一的数据通用接口。USB统一的4针插头，取代了PC机箱后种类繁多的串/并插头，实现了将计算机常规I/O设备、多媒体设备(部分)、通信设备(电话、网络)以及家用电器统一为一种接口的愿望。

(2) USB采用的是一种易于扩展的树状结构，通过使用USB Hub扩展，可连接多达127个外设。USB免除所有系统资源的要求，避免了安装硬件时发生端口冲突的问题，为其它设备空出硬件资源。

(3) USB外设能自动进行设置，支持即插即用与热插拔。

(4) 灵活供电。USB电缆具有传送电源的功能，支持节约能源模式，耗电低。USB总线可以提供电压+5v、最大电流500mA的电源，供低功耗的设备作电源使用，不需要额外的电源。

(5) USB可以支持四种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，可以适用于很多类型的外设。

(6)通信速度快。USB支持三种总线速度，低速1.5Mbps、全速12Mbps和高速480Mbps。

(7)数据传送的可靠性。USB采用差分传输方式，且具有检错和纠错功能，保证了数据的正确传输。

(8)低成本。USB简化了外设的连接和配置的方法，有效地减少了系统的总体成本，是一种廉价的简单实用的解决方案，具有较高的性能价格比。

关于电平转换的一些总结：

我们所说的USB转串口，实际上是上两种，一种是USB转232串口，一种是USB转TTL串。常见的转接方式有两种：单片机串口—232芯片—USB转232芯片—USB口和单片机串口—USB转TTL芯片–USB口。RS-232分TX/RX，全双工的，可以同时收发；USB只有一对差分数据线D+/D-,是半双工的；要实现串口的功能，首先需要有一个串口，不过现在的好多电脑都不带串口的功能，因此我们需要将输出的USB 信号转换为串口信号。

一般情况下，USB转串口的芯片为CH340 ，CH341等，这样就将USB转换成了TX/RX 串口信号。但是此时的串口还不能直接与单片机连接，由于此时电脑串口输出的电平为232电平，而单片机串口采用的是TTL电平。但他们的通信协议是相同的，仅有电平不统一，因此只需要让他们之间的电平统一了就可以互相通信，所以就用到了MAX232 等芯片（该芯片仅仅将电平进行了转换，使双方的串口电平统一。没有别的作用）

（注意：市面上用得USB转串口线中，PL2303是输出是USB直接转成TTL电平信号的，而CH341系列是将USB转换成了RS232信号，此时还需要将RS232电平转换成TTL电平才能够跟单片机通信）

备注1：MAX232

MAX232 是用来做电平转换的,标准RS232 电平很高，达正负15V。常用的TTL电平最高5V。相互连接的话，必须进行电平转换！由于电脑串口输出电压高达12V，直接与单片机连接会烧坏芯片。所以用MAX232来进行电平转换。

备注2：2303为什么不需要MAX232

RS232协议包括数据格式和电气连接两部分。用PL2303转换芯片接的是电脑的USB口又不是串口，所以电气协议部分就不需要了。只需用数据格式就行了，TTL电平刚好跟MCU 匹配。

目前常用的USB转串口芯片有FT232、PL2303、CH340等，三个常用的芯片稳定程度和价格是一致的，FT232>CH340>PL2303，PL2303用的最多，因为最便宜，国内很多开发板板子上，包括USB转串口线用的都是这种芯片，几元钱一片，电路也简单，做简单的串口应

用可以，但是做嵌入式开发如使用超级终端波特率在115200时就有可能出现延迟等现象。CH340是南京沁恒的芯片，做的还不错，对于普通应用完全能够满足。最好的是FT232稳定、可靠，在很多USB转串口的下载线、编程器中使用的都是这一种。

CH340既可以输出232电平，也可以输出TTL电平

CP2103也是可以输出232电平也可以输出TTL电平

PL2303好像只能输出TTL电平

FT232既可以输出232电平，也可以输出TTL电平

关门电平Voff:保证输出电压为额定高电平(例如3.5V)的90％条件下,允许的最大输入低电平值.

开门电平Von:保证输出电压为额定低电平时,允许的最小输入高电平值.

阈值电平Vt:高低电平的转折电压.也叫门槛电压

抗干扰容限VH:在保证输出为低电平的前题下,所允许叠加在输入高电平上的最大干扰电压.

抗干扰容限VL:在保证输出不低于高电平的90％前题下,允许叠加在输入低电平上的干扰电压.

8，TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三极管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC 门的输出就是开漏输出；OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。

9，什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？

TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级管，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA

OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外接上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。