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TTL电平、CMOS电平、RS232通信电平的概念及区别


TTL 电平、CMOS 电平、RS232 通信电平的概念及区别 电平、 电平、 通信电平的概念及区别
电平的概念: 什么是电压、电流、电功率?无线电爱好者都十分清楚。而谈及“电平”能说清楚的人却 不多。尽管人们经常遇到,书刊中亦多次谈起电路中的高电平、低电平、电平增益、电平衰 减,就连电工必备的万用表上都有专测电平的方法和刻线,而且“dB”、“dB?”、“dBm”的字 样也常常可见。 尽管如此, 因“电平”本身概念抽象, 更无恰当的比喻, 故人们总是理解不清、 记忆不深。 人们在初学“电”的时候,往往把抽象的电学概念用水的具体现象进行比喻。如水流比电 流、水压似电压、水阻喻电阻。解释“电平”不妨如法炮制。我们说的“水平”,词典中解释与 水平面平行、或在某方面达到一定高度,引申指事物在同等条件下的比较结论。如人们常说 到张某工作很有水平、李某办事水平很差。这样的话都知其含义所在。即指“张某”与“李某” 相比而言。故借“水平”来比喻“电平”能使人便于理解。 什么是“电平”?“电平”就是指电路中两点或几点在相同阻抗下电量的相对比值。 这 里的电量自然指“电功率”、“电压”、“电流”并将倍数化为对数,用“分贝”表示,记 作“dB”。分别记作:10lg(P2/P1)、20lg(U2/U1)、20lg(I2/I1)上式中 P、U、I 分别是电功率、 电压、电流。 使用“dB”有两个好处:其一读写、计算方便。如多级放大器的总放大倍数为各级放大 倍数相乘,用分贝则可改用相加。其二能如实地反映人对声音的感觉。实践证明,声音的分 贝数增加或减少一倍, 人耳听觉响度也提高或降低一倍。 即人耳听觉与声音功率分贝数成正 比。例如蚊子叫声与大炮响声相差 100 万倍,但人的感觉仅有 60 倍的差异,而 100 万倍恰 是 60dB。 一、TTL 电平: TTL 电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定, +5V 等价于逻辑“1”, 0V 等价于逻辑“0”,这被称做 TTL(Transistor-TransistorLogic 晶体管-晶体管逻辑电平)信 号系统,这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。 TTL 电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的,首先计算机 处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低,另外 TTL 电平 信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路; 再者, 计算机处 理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的,TTL 接口的操作恰能满足这个要求。

而 TTL 型通信大多数情况下,是采用并行数据传输方式,而并行数据传输对于超过 10 英尺 的距离就不适合了。 这是由于可靠性和成本两面的原因。 因为在并行接口中存在着偏相和不 对称的问题,这些问题对可靠性均有影响。 TTL 输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下,一般输出高电平是 3.5V,输出 低电平是 0.2V。最小输入高电平和低电平:输入高电平>=2.0V,输入低电平<=0.8V,噪声 容限是 0.4V。 TTL 电路是电流控制器件,TTL 电路的速度快,传输延迟时间短(5-10ns),但是功耗大。 输出 L:<0.8V;H:>2.4V。 输入 L:<1.2V;H:>2.0V TTL 器件输出低电平要小于 0.8V,高电平要大于 2.4V。输入,低于 1.2V 就认为是 0, 高于 2.0 就认为是 1。 二、CMOS 电平: COMS 集成电路是互补对称金属氧化物半导体(Complementary symmetry metal oxide semiconductor)集成电路的英文缩写,电路的许多基本逻辑单元都是用增强型 PMOS 晶体 管和增强型 NMOS 管按照互补对称形式连接的,静态功耗很小。COMS 电路的供电电压电 压波动允许±10, 当输出电压高于 VDD-0.5VVDD 范围比较广在+5--+15V 均能正常工作, 时 为逻辑 1,输出电压低于 VSS+0.5V(VSS 为数字地)为逻辑 0,扇出数为 10--20 个 COMS 门 电路. 输出 L:<0.1*Vcc;H:>0.9*Vcc。 输入 L:<0.3*Vcc;H:>0.7*Vcc. 由于 CMOS 电源采用 12V,则输入低于 3.6V 为低电平,噪声容限为 1.8V,高于 3.5V 为高电平,噪声容限高为 1.8V。比 TTL 有更高的噪声容限。 三、RS232 标准 RS-232 原是基于公用电话网的一种串行通信标准,推荐的最大电缆长度为 15 米,即 传输距离一般不超过 15 米。它的逻辑电平以公共地为对称,其逻辑“0”电平规定在+3~+ 25V 之间,逻辑“1”电平则在-3~-25V 之间,因而它不仅要使用正负极性的双电源,而且 与传统的 TTL 数字逻辑电平不兼容, 两者之间必须使用电平转换。 逻辑 1 的电平为-3~-15V, 逻辑 0 的电平为+3~+15V,注意电平的定义反相了一次。

常用的电平转换器件有以驱动器 MC1488 和接收器 MC1489 为代表的集成电路。其中 MC1488 采用±12V 电源,以产生 RS-232 标准电平,MC1489 采用单一+5V 电源。在双向数 据传输中,这两个器件要同时使用,所以要具备正负两组电源,显然不方便。 TTL 电路的电平就叫 TTL 电平,CMOS 电路的电平就叫 CMOS 电平电平,TTL 集成电 路的全名是晶体管-晶体管逻辑集成电路(Transistor-TransistorLogic),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。标准 TTL 输入高电平最小 2V,输出高电平最小 2.4V, 典型值 3.4V,输入低电平最大 0.8V,输出低电平最大 0.4V,典型值 0.2V。S-TTL 输入高电 平最小 2V,输出高电平最小Ⅰ类 2.5V,Ⅱ、Ⅲ类 2.7V,典型值 3.4V,输入低电平最大 0.8V, 输出低电平最大 0.5V。LS-TTL 输入高电平最小 2V,输出高电平最小 I 类 2.5V,Ⅱ、Ⅲ类 2.7V,典型值 3.4V,输入低电平最大Ⅰ类 0.7V,Ⅱ、Ⅲ类 0.8V,输出低电平最大Ⅰ类 0.4V, Ⅱ、Ⅲ类 0.5V,典型值 0.25V。TTL 电路的电源 VDD 供电只允许在+5V±10%范围内,扇出 数为 10 个以下 TTL 门电路; COMS 集成电路是互补对称金属氧化物半导体(Complementary symmetry metal oxide semiconductor)集成电路的英文缩写,电路的许多基本逻辑单元都是用增强型 PMOS 晶体 管和增强型 NMOS 管按照互补对称形式连接的, 静态功耗很小。 COMS 电路的供电电压 VDD 范围比较广在+5--+15V 均能正常工作,电压波动允许±10,当输出电压高于 VDD-0.5V 时为 逻辑 1,输出电压低于 VSS+0.5V(VSS 为数字地)为逻辑 0,扇出数为 10--20 个 COMS 门电 路. TTL 电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定, +5V 等价于逻辑"1", 0V 等价于逻辑"0",这被称做 TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号系统,这是计算机处理 器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。TTL 电平信号对于计算机处理器控制的设 备内部的数据传输是很理想的, 首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要 求不高以及热损耗也较低,另外 TTL 电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线 路驱动器以及接收器电路; 再者, 计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行 的,而 TTL 接口的操作恰能满足这个要求。TTL 型通信大多数情况下,是采用并行数据传 输方式,而并行数据传输对于超过 10 英尺的距离就不适合了。这是由于可靠性和成本两面 的原因。因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题,这些问题对可靠性均有影响;另外 对于并行数据传输,电缆以及连接器的费用比起串行通信方式来也要高一些。CMOS 电平 和 TTL 电平:CMOS 电平电压范围在 3~15V,比如 4000 系列当 5V 供电时,输出在 4.6 以

上为高电平,输出在 0.05V 以下为低电平。输入在 3.5V 以上为高电平,输入在 1.5V 以下为 低电平。而对于 TTL 芯片,供电范围在 0~5V,常见都是 5V,如 74 系列 5V 供电,输出在 2.7V 以上为高电平,输出在 0.5V 以下为低电平,输入在 2V 以上为高电平,在 0.8V 以下为 低电平。因此,CMOS 电路与 TTL 电路就有一个电平转换的问题,使两者电平域值能匹配。 三、TTL 与 CMOS 电平使用起来有什么区别: 1.电平的上限和下限定义不一样, CMOS 具有更大的抗噪区域。 同是 5 伏供电的话, TTL 一般是 1.7V 和 3.5V 的样子,CMOS 一般是 2.2V,2.9V 的样子,不准确,仅供参考。 2.电流驱动能力不一样,TTL 一般提供 25 毫安的驱动能力,而 CMOS 一般在 10 毫安 左右。 3.需要的电流输入大小也不一样,一般 TTL 需要 2.5 毫安左右,CMOS 几乎不需要电流 输入。 4.很多器件都是兼容 TTL 和 CMOS 的,datasheet 会有说明。如果不考虑速度和性能, 一般器件可以互换。 但是需要注意有时候负载效应可能引起电路工作不正常, 因为有些 TTL 电路需要下一级的输入阻抗作为负载才能正常工作。 1.TTL 电路和 CMOS 电路的逻辑电平 VOH:逻辑电平 1 的输出电压 VOL:逻辑电平 0 的输出电压 VIH:逻辑电平 1 的输入电压 VIH:逻辑电平 0 的输入电压 TTL 电路临界值: VOHmin=2.4V VOLmax=0.4V VIHmin=2.0V VILmax=0.8V CMOS 电路临界值(电源电压为+5V) VOHmin=4.99V VOLmax=0.01V VIHmin=3.5V VILmax=1.5V 2.TTL 和 CMOS 的逻辑电平转换

CMOS 电平能驱动 TTL 电平,TTL 电平不能驱动 CMOS 电平,需加上拉电阻。3.常用 逻辑芯片特点 74LS 系列:TTL 输入:TTL 输出:TTL 74HC 系列:CMOS 输入:CMOS 输出:CMOS 74HCT 系列:CMOS 输入:TTL 输出:CMOS CD4000 系列:CMOS 输入:CMOS 输出:CMOS (一)TTL 高电平 3.6~5V,低电平 0V~2.4V CMOS 电平 Vcc 可达到 12V。 CMOS 电路输出高电平约为 0.9Vcc,而输出低电平约为 0.1Vcc。 CMOS 电路不使用的输入端不能悬空,会造成逻辑混乱。 TTL 电路不使用的输入端悬空为高电平 另外,CMOS 集成电路电源电压可以在较大范围内变化,因而对电源的要求不像 TTL 集成电路那样严格。 用 TTL 电平他们就可以兼容 (二)TTL 电平是 5V,CMOS 电平一般是 12V。 因为 TTL 电路电源电压是 5V,CMOS 电路电源电压一般是 12V。5V 的电平不能触发 CMOS 电路,12V 的电平会损坏 TTL 电路,因此不能互相兼容匹配。 (三)TTL 电平标准 输出 L:<0.4V;H:>2.4V。 输入 L:<0.8V;H:>2.0V TTL 器件输出低电平要小于 0.4V,高电平要大于 2.4V。输入,低于 0.8V 就认为是 0, 高于 2.0 就认为是 1。 CMOS 电平: 输出 L:<0.1*Vcc;H:>0.9*Vcc。 输入 L:<0.3*Vcc;H:>0.7*Vcc. 一般单片机、 DSP、 FPGA 他们之间管教能否直接相连.一般情况下, 同电压的是可以的, 不过最好是要好好查查技术手册上的 VIL,VIH,VOL,VOH 的值,看是否能够匹配(VOL 要 小于 VIL,VOH 要大于 VIH,是指一个连接当中的)。有些在一般应用中没有问题,但是 参数上就是有点不够匹配, 在某些情况下可能就不够稳定, 或者不同批次的器件就不能运行。

例如:74LS 的器件的输出,接入 74HC 的器件。在一般情况下都能好好运行,但是, 在参数上却是不匹配的,有些情况下就不能运行。 74LS 和 54 系列是 TTL 电路,74HC 是 CMOS 电路。如果它们的序号相同,则逻辑功 能一样,但电气性能和动态性能略有不同。TTL 的逻辑高电平为>如,2.7V,CMOS 为>3.6V。 如果 CMOS 电路的前一级为 TTL 则隐藏着不可靠隐患,反之则没问题。 1,TTL 电平: 输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下,一般输出高电平是 3.5V,输出低电平 是 0.2V。最小输入高电平和低电平:输入高电平>=2.0V,输入低电平<=0.8V,噪声容限是 0.4V。 2,CMOS 电平: 1 逻辑电平电压接近于电源电压,0 逻辑电平接近于 0V。而且具有很宽的噪声容限。 3,电平转换电路: 因为 TTL 和 COMS 的高低电平的值不一样(ttl5v<==>cmos3.3v),所以互相连接时 需要电平的转换:就是用两个电阻对电平分压,没有什么高深的东西。哈哈 4,OC 门,即集电极开路门电路,OD 门,即漏极开路门电路,必须外界上拉电阻和电 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。 5,TTL 和 COMS 电路比较: 1)TTL 电路是电流控制器件,而 coms 电路是电压控制器件。 2)TTL 电路的速度快,传输延迟时间短(5-10ns),但是功耗大。COMS 电路的速度慢, 传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS 电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关, 频率越高,芯片集越热,这是正常现象。 3)COMS 电路的锁定效应: COMS 电路由于输入太大的电流,内部的电流急剧增大,除非切断电源,电流一直在 增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时,COMS 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 和外电源之间加线流电阻,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 COMS 电路得 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 COMS 电路的电源。 6,COMS 电路的使用注意事项 1)COMS 电路时电压控制器件,它的输入总抗很大,对干扰信号的捕捉能力很强。所 以,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。 2)输入端接低内组的信号源时,要在输入端和信号源之间要串联限流电阻,使输入的 电流限制在 1mA 之内。 3)当接长信号传输线时,在 COMS 电路端接匹配电阻。 4)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。 5)COMS 的输入电流超过 1mA,就有可能烧坏 COMS。 7,TTL 门电路中输入端负载特性(输入端带电阻特殊情况的处理): 1)悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。 2)在门电路输入端串联 10K 电阻后再输入低电平,输入端出呈现的是高电平而不是低 电平。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。这个一定要注意。COMS 门电路就不用考虑这些了。 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。 门在截止时有漏电流输出, OC 那就是漏电流, 为什么有漏电流呢? 那是因为当三机管截止的时候,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。


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