【教程分享】FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)：數(shù)字通信中的電壓標(biāo)準(zhǔn)

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數(shù)字通信中的電壓標(biāo)準(zhǔn)

信號(hào)存在的意義是為了能夠進(jìn)行信息的溝通，所以要求接收方必須能夠正確的接收到信號(hào)，否則信號(hào)將沒(méi)有任何存在的意義。

為了信息能夠正確進(jìn)行傳輸，發(fā)送和接收要有對(duì)信息認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)（發(fā)送方發(fā)送高電平，接收方要認(rèn)為是高電平；發(fā)送方發(fā)送低電平，接收方要認(rèn)為是低電平）。

在數(shù)字電路中，經(jīng)常輸入或者輸出“高”、“低”電平，那么多高的電壓標(biāo)準(zhǔn)算作是“高電平”呢？難道只有“0V”才算低電平？這些問(wèn)題相信是任何一個(gè)初學(xué)者心中的疑慮。

我們平時(shí)所說(shuō)的電壓其實(shí)是電壓差。例如：家用電壓220V（火線）是相對(duì)于“零線”來(lái)說(shuō)。

ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）之間的相互通信是通過(guò)I/O發(fā)出高低電平進(jìn)行通信的，這些電平都要符合相應(yīng)的電平標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 ：傳輸模型

現(xiàn)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，I/O電壓標(biāo)準(zhǔn)包括早期的TTL標(biāo)準(zhǔn)，CMOS標(biāo)準(zhǔn)，LVTTL標(biāo)準(zhǔn)，LVCMOS標(biāo)準(zhǔn)，RS232，RS485標(biāo)準(zhǔn)以及HSTL(High Speed Transceiver Logic)標(biāo)準(zhǔn)和較新的LVDS（Low-Voltage Differential Signal）等標(biāo)準(zhǔn)。不同的標(biāo)準(zhǔn)支持的器件不同，支持的傳輸速度不同，支持的噪聲容限也不同。從另一個(gè)方面來(lái)看，I/O標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步反映了數(shù)字系統(tǒng)的進(jìn)步。

在實(shí)際中，各處的零電位實(shí)際上是不太相同的，將地線接在一起是為了統(tǒng)一零電位，以保證各處的電壓，即電勢(shì)差有統(tǒng)一的關(guān)系。

I/O端口標(biāo)準(zhǔn)按照信號(hào)的傳輸方式，分為單端信號(hào)（圖1-8），差分信號(hào)（圖1-9）和偽差分信號(hào)（圖1-10、圖1-11）。

圖2 ：?jiǎn)味诵盘?hào)傳輸模型

單端信號(hào)傳輸時(shí)，在單獨(dú)的導(dǎo)線上傳輸信號(hào)，其邏輯電平相對(duì)于GND（地）。ASIC_A以相對(duì)于GND的邏輯進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，接收端也用相對(duì)于地的邏輯進(jìn)行捕獲。LVTTL標(biāo)準(zhǔn)和LVCMOS標(biāo)準(zhǔn)都是單端信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。

單端信號(hào)傳輸一般都是短距離的傳輸，并且一般都是統(tǒng)一電源供電。中間的干擾相對(duì)較少。

LVDS，即LowVoltageDifferentialSignaling，是一種低壓差分信號(hào)技術(shù)接口。它是美國(guó)NS公司(美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司)為克服以TTL電平方式傳輸寬帶高碼率數(shù)據(jù)時(shí)功耗大、EMI電磁干擾大等缺點(diǎn)而研制的一種數(shù)字視頻信號(hào)傳輸方式。

LVDS輸出接口利用非常低的電壓擺幅(約350mV)在兩條PCB走線或一對(duì)平衡電纜上通過(guò)差分進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，即低壓差分信號(hào)傳輸。采用LVDS輸出接口，可以使得信號(hào)在差分PCB線或平衡電纜上以幾百M(fèi)bit/s的速率傳輸，由于采用低壓和低電流驅(qū)動(dòng)方式，因此，實(shí)現(xiàn)了低噪聲和低功耗。目前，LVDS輸出接口在17in及以上液晶顯示器中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖3 ：差分信號(hào)傳輸模型

圖4 ：差分信號(hào)傳輸連接關(guān)系

差分信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)，使用兩條傳輸線傳輸信號(hào)，ASIC_A按照信號(hào)的差值進(jìn)行邏輯驅(qū)動(dòng)，ASIC_B也按照信號(hào)的差值進(jìn)行邏輯捕獲。差分信號(hào)具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，因此它的速度性能和噪聲性能較好，多用于高速數(shù)據(jù)傳輸。LVDS標(biāo)準(zhǔn)為I/O差分標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 ：?jiǎn)味藗尾罘謧鬏斈Ｐ?/p>

圖6 : 單端偽差分傳輸連接關(guān)系

單端偽差分信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)，使用一條傳輸線傳輸信號(hào)，ASIC_A正常發(fā)送邏輯值，ASIC_B接收是相對(duì)于ref_V（參考電壓）進(jìn)行接收。ref_V一般為傳輸電壓的一半。接收端的信號(hào)電壓低于ref_V當(dāng)作邏輯“低”，高于ref_V當(dāng)作邏輯“高”。

圖7 ：雙端偽差分傳輸模型

圖8 ：雙端偽差分傳輸連接關(guān)系

雙端偽差分信號(hào)傳輸時(shí)，使用兩條傳輸線分別傳輸信號(hào)的“正”、“反”邏輯。ASIC_A發(fā)送信號(hào)的電平與“反”電平，接收端按照單端偽差分接收標(biāo)準(zhǔn)接收，然后取出其中一路作為輸出。

偽差分標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出幅度較小，電源邏輯比真差分電路簡(jiǎn)單，噪聲容限大而且與JEDEC支持的SDRAM的L-Bank結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，所以被應(yīng)用于DDR/DDR2/DDR3接口，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到600Mbit/s。

從發(fā)送端發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過(guò)線路的干擾影響，其電平可能升高或者降低，因而接收端必須在一個(gè)電平范圍內(nèi)判斷它的邏輯值。這個(gè)電平范圍稱為噪聲容限（Noise Margin， NM）。不同的信號(hào)傳輸方式和I/O標(biāo)準(zhǔn)有不同的噪聲容限和邏輯值判斷方式。

圖9 ：高電平噪聲容限示意圖

圖10 ：低電平噪聲容限示意圖

在單端信號(hào)傳輸高電平中，ASIC_A輸出高電平的電壓值要在VOH_max和VOH_min之間，ASIC_B為了能夠正確接收到邏輯，所以要求VIH_max大于VOH_max，VIH_min小于VOH_min。而VIH_max和VOH_max都是受到電源電壓的影響，并且越高肯定會(huì)判斷成為邏輯高，因此VIH_min和VOH_min才是影響傳輸?shù)年P(guān)鍵。所以高電平的噪聲容限（NMH）為VOH_min — VIH_min。

對(duì)于低電平而言，ASIC_A輸出高電平的電壓值要在VOL_max和VOL_min之間，ASIC_B為了能夠正確接收到邏輯，所以要求VIL_max大于VOL_max，VIL_min小于VOL_min。而VIL_min和VOL_min都是受到GND的影響，并且越低肯定會(huì)判斷成為邏輯低，因此VIL_max和VOH_max才是影響傳輸?shù)年P(guān)鍵。所以低電平的噪聲容限（NML）為VIL_max — VOL_max。如果發(fā)送端和接收端不能滿足以上條件，那么通信就會(huì)受到影響。

圖11 ：某芯片的電氣標(biāo)準(zhǔn)

圖12 ：各類電壓標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)信息

思考：3.3V供電的單片機(jī)如何和5V供電的單片機(jī)進(jìn)行通信？

1. 電平轉(zhuǎn)換芯片
   

2. 通過(guò)上拉電阻或者三極管等
   
   

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