信号的逻辑电平

一、基本概念：

逻辑电平是指一种可以产生信号的状态，通常由信号与地线之间的电位差来体现。

在数字电路中，信号0、1实际上是由电位差的高低进行传输表示的，我们制定了一系列的电平标准来确定这里的电压范围，逻辑电平经历了从单端信号到差分信号、从低速信号到高速信号的发展过程。

一些标记：

• \(V_{ih}\) ：输入电平高于\(V_{ih}\) 时，则认为输入电平为高电平;

• \(V_{il}\)：输入电平低于\(V_{il}\) 时，则认为输入电平为低电平;

• \(V_{oh}\)：输出为高电平时的电平值都必须大于此\(V_{oh}\) ;

• \(V_{ol}\)：输出为低电平时的电平值都必须小于此\(V_{ol}\);

• \(V_t\)：电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。对于CMOS电路的阈值电平，基本上是二分之一的电源电压值;

对于一般的逻辑电平，以上参数的关系如下：\(V_{oh}> V_{ih}> V_t > V_{il} > V_{ol}\)

二、常见的逻辑电平：

常用的逻辑电平有：TTL、CMOS、ECL、PECL、LVDS、LVPECL、RS232、RS422、RS485、CML、SSTL、HSTL等。

• TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列、3.3V系列、2.5V系列和1.8V系列，3.3V的TTL电平和CMOS电平通常称为LVTTL和LVCMOS;

• RS232/RS422/RS485是串口(UART)的电平标准，RS232是单端输入输出，RS422和RS485是差分输入输出;

• ECL、PECL、LVPECL、LVDkS、CML是差分输入输出电平;

• SSTL主要用于DDR存储器，HSTL主要用于QDR存储器;

下面对上述部分逻辑电平进行简单介绍：

1、TTL电平：

TTL电路的电平就叫TTL 电平，CMOS电路的电平就叫CMOS电平

TTL：Transistor-Transistor Logic 三极管结构。

\(V_{cc}\)：5V；\(V_{oh}\)>=2.4V；\(V_{ol}\)<=0.4V；\(V_{ih}\)>=2V；\(V_{il}\)<=0.8V。

一般说来，单片机内部发出的一般是TTL电平，可以实现较快的数据传输，这里的电源电压\(V_{cc}\)与\(V_{oh}\)之间的容限较宽，常见还有3.3V的LVTTL（如STM32）。

2、CMOS电平：

CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor。

Vcc：5V；\(V_{oh}\)>=4.45V；\(V_{ol}\)<=0.5V；\(V_{ih}\)>=3.5V；\(V_{il}\)<=1.5V。

相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻抗，CMOS电路是电压控制器件，输入电阻极大，对于干扰信号十分敏感，因此不用的输入端不应开路，接到地或者电源上。

3、RS232\422\485：

RS232采用负逻辑电平，逻辑“1”的电平为-5V~-15 V，逻辑“0”的电平为+5 V～+15 V，选用该电气标准的目的在于提高抗干扰能力，增大通信距离，一般用于点对点通信，全双工。另外RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

RS485在232基础上做了改进，传输差分信号逻辑“1“以两线间的电压差为+ （2-6）V表示; 逻辑“0”以两线间的电压差为-（2-6） V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。此外，RS485支持远距离传输（km），在总线上允许连接多达128个收发器，半双工，构成多点通信网络，传输速率也更快。

RS422采用4线，全双工，差分传输，多点通信的数据传输协议，可简单的理解为由两组半双工的RS485组成的全双工通信。

三、总结：

至于为什么有这么多的电平标准，一是历史发展原因，二是实际使用场景需求不同。对于采用不同的电平规范的器件之间的相互连接通信，如果相互之间不能兼容的，我们需要进行相应的电平转换，避免逻辑错误或电路损坏等，常见的如RS232-TTL电平转换接口、RS232-USB、TTL-USB等等。

参考：
[1] 什么是TTL电平、CMOS电平？区别？ - 21ic中国电子网
[2] 常用逻辑电平标准总结 - 简书
[3] 常用逻辑电平标准总结 - 简书
[4] cmos电平与TTL电平存在的差异及cmos使用注意事项-KIA MOS管