TTL电平、CMOS电平、RS232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”、“dBμ”、“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 symmetrymetal 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 symmetrymetal 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。

四、TTLCMOS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。

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。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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