TTL電平、CMOS電平、RS232通信電平的概念及區(qū)別

　　本文主要講了一下關(guān)于TTL電平、CMOS電平、RS232通信電平的概念及區(qū)別，希望對(duì)你的學(xué)習(xí)有所幫助。

　　電平的概念：

　　什么是電壓、電流、電功率?無(wú)線電愛(ài)好者都十分清楚。而談及“電平”能說(shuō)清楚的人卻不多。盡管人們經(jīng)常遇到，書(shū)刊中亦多次談起電路中的高電平、低電平、電平增益、電平衰減，就連電工必備的萬(wàn)用表上都有專測(cè)電平的方法和刻線，而且“dB”、“dBμ”、“dBm”的字樣也常?？梢?jiàn)。盡管如此，因“電平”本身概念抽象，更無(wú)恰當(dāng)?shù)谋扔鳎嗜藗兛偸抢斫獠磺?、記憶不深?/p>

　　人們?cè)诔鯇W(xué)“電”的時(shí)候，往往把抽象的電學(xué)概念用水的具體現(xiàn)象進(jìn)行比喻。如水流比電流、水壓似電壓、水阻喻電阻。解釋“電平”不妨如法炮制。我們說(shuō)的“水平”，詞典中解釋與水平面平行、或在某方面達(dá)到一定高度，引申指事物在同等條件下的比較結(jié)論。如人們常說(shuō)到張某工作很有水平、李某辦事水平很差。這樣的話都知其含義所在。即指“張某”與“李某”相比而言。故借“水平”來(lái)比喻“電平”能使人便于理解。

　　什么是“電平”?“電平”就是指電路中兩點(diǎn)或幾點(diǎn)在相同阻抗下電量的相對(duì)比值。這里的電量自然指“電功率”、“電壓”、“電流”并將倍數(shù)化為對(duì)數(shù)，用“分貝”表示，記作“dB”。分別記作：10lg(P2/P1)、20lg(U2/U1)、20lg(I2/I1)上式中P、U、I分別是電功率、電壓、電流。

　　使用“dB”有兩個(gè)好處：其一讀寫(xiě)、計(jì)算方便。如多級(jí)放大器的總放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)相乘，用分貝則可改用相加。其二能如實(shí)地反映人對(duì)聲音的感覺(jué)。實(shí)踐證明，聲音的分貝數(shù)增加或減少一倍，人耳聽(tīng)覺(jué)響度也提高或降低一倍。即人耳聽(tīng)覺(jué)與聲音功率分貝數(shù)成正比。例如蚊子叫聲與大炮響聲相差100萬(wàn)倍，但人的感覺(jué)僅有60倍的差異，而100萬(wàn)倍恰是60dB。

　　一、TTL電平：

　　TTL電平信號(hào)被利用的最多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯“1”，0V等價(jià)于邏輯“0”，這被稱做TTL(Transistor-TransistorLogic晶體管-晶體管邏輯電平)信號(hào)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

　　TTL電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于電源的要求不高以及熱損耗也較低，另外TTL電平信號(hào)直接與集成電路連接而不需要價(jià)格昂貴的線路驅(qū)動(dòng)器以及接收器電路;再者，計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進(jìn)行的，TTL接口的操作恰能滿足這個(gè)要求。而TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于超過(guò)10英尺的距離就不適合了。這是由于可靠性和成本兩面的原因。因?yàn)樵诓⑿薪涌谥写嬖谥嗪筒粚?duì)稱的問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)可靠性均有影響。

　　TTL輸出高電平>2.4V，輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

　　TTL電路是電流控制器件，TTL電路的速度快，傳輸延遲時(shí)間短(5-10ns)，但是功耗大。

　　輸出L：<0.8V;H：>2.4V。

　　輸入L：<1.2V;H：>2.0V

　　TTL器件輸出低電平要小于0.8V，高電平要大于2.4V。輸入，低于1.2V就認(rèn)為是0，高于2.0就認(rèn)為是1。

　　二、CMOS電平：

　　COMS集成電路是互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary symmetry metal oxide semiconductor)集成電路的英文縮寫(xiě)，電路的許多基本邏輯單元都是用增強(qiáng)型PMOS晶體管和增強(qiáng)型NMOS管按照互補(bǔ)對(duì)稱形式連接的，靜態(tài)功耗很小。COMS電路的供電電壓電壓波動(dòng)允許±10，當(dāng)輸出電壓高于VDD-0.5VVDD范圍比較廣在+5--+15V均能正常工作，時(shí)為邏輯1，輸出電壓低于VSS+0.5V(VSS為數(shù)字地)為邏輯0，扇出數(shù)為10--20個(gè)COMS門(mén)電路.

　　輸出L：<0.1*Vcc;H：>0.9*Vcc。

　　輸入L：<0.3*Vcc;H：>0.7*Vcc.

　　由于CMOS電源采用12V，則輸入低于3.6V為低電平，噪聲容限為1.8V，高于3.5V為高電平，噪聲容限高為1.8V。比TTL有更高的噪聲容限。

　　三、RS232標(biāo)準(zhǔn)

　　RS-232原是基于公用電話網(wǎng)的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)，推薦的最大電纜長(zhǎng)度為15米，即傳輸距離一般不超過(guò)15米。它的邏輯電平以公共地為對(duì)稱，其邏輯“0”電平規(guī)定在+3～+25V之間，邏輯“1”電平則在-3～-25V之間，因而它不僅要使用正負(fù)極性的雙電源，而且與傳統(tǒng)的TTL數(shù)字邏輯電平不兼容，兩者之間必須使用電平轉(zhuǎn)換。邏輯1的電平為-3～-15V，邏輯0的電平為+3～+15V，注意電平的定義反相了一次。

　　常用的電平轉(zhuǎn)換器件有以驅(qū)動(dòng)器MC1488和接收器MC1489為代表的集成電路。其中MC1488采用±12V電源，以產(chǎn)生RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平，MC1489采用單一+5V電源。在雙向數(shù)據(jù)傳輸中，這兩個(gè)器件要同時(shí)使用，所以要具備正負(fù)兩組電源，顯然不方便。

　　TTL電路的電平就叫TTL電平，CMOS電路的電平就叫CMOS電平電平，TTL集成電路的全名是晶體管-晶體管邏輯集成電路(Transistor-TransistorLogic),主要有54/74系列標(biāo)準(zhǔn)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)五個(gè)系列。標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入高電平最小2V，輸出高電平最小2.4V,典型值3.4V，輸入低電平最大0.8V，輸出低電平最大0.4V，典型值0.2V。S-TTL輸入高電平最小2V，輸出高電平最?、耦?.5V，Ⅱ、Ⅲ類2.7V,典型值3.4V,輸入低電平最大0.8V，輸出低電平最大0.5V。LS-TTL輸入高電平最小2V，輸出高電平最小I類2.5V，Ⅱ、Ⅲ類2.7V,典型值3.4V,輸入低電平最大Ⅰ類0.7V，Ⅱ、Ⅲ類0.8V，輸出低電平最大Ⅰ類0.4V，Ⅱ、Ⅲ類0.5V，典型值0.25V。TTL電路的電源VDD供電只允許在+5V±10%范圍內(nèi)，扇出數(shù)為10個(gè)以下TTL門(mén)電路;

　　COMS集成電路是互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary symmetry metal oxide semiconductor)集成電路的英文縮寫(xiě)，電路的許多基本邏輯單元都是用增強(qiáng)型PMOS晶體管和增強(qiáng)型NMOS管按照互補(bǔ)對(duì)稱形式連接的，靜態(tài)功耗很小。COMS電路的供電電壓VDD范圍比較廣在+5--+15V均能正常工作，電壓波動(dòng)允許±10，當(dāng)輸出電壓高于VDD-0.5V時(shí)為邏輯1，輸出電壓低于VSS+0.5V(VSS為數(shù)字地)為邏輯0，扇出數(shù)為10--20個(gè)COMS門(mén)電路.

　　TTL電平信號(hào)被利用的最多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯"1"，0V等價(jià)于邏輯"0"，這被稱做TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)信號(hào)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。TTL電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于電源的要求不高以及熱損耗也較低，另外TTL電平信號(hào)直接與集成電路連接而不需要價(jià)格昂貴的線路驅(qū)動(dòng)器以及接收器電路;再者，計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進(jìn)行的，而TTL接口的操作恰能滿足這個(gè)要求。TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于超過(guò)10英尺的距離就不適合了。這是由于可靠性和成本兩面的原因。因?yàn)樵诓⑿薪涌谥写嬖谥嗪筒粚?duì)稱的問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)可靠性均有影響;另外對(duì)于并行數(shù)據(jù)傳輸，電纜以及連接器的費(fèi)用比起串行通信方式來(lái)也要高一些。CMOS電平和TTL電平:CMOS電平電壓范圍在3～15V，比如4000系列當(dāng)5V供電時(shí)，輸出在4.6以上為高電平，輸出在0.05V以下為低電平。輸入在3.5V以上為高電平，輸入在1.5V以下為低電平。而對(duì)于TTL芯片，供電范圍在0～5V，常見(jiàn)都是5V，如74系列5V供電，輸出在2.7V以上為高電平，輸出在0.5V以下為低電平，輸入在2V以上為高電平，在0.8V以下為低電平。因此，CMOS電路與TTL電路就有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，使兩者電平域值能匹配。

　　四、TTL與CMOS電平使用起來(lái)有什么區(qū)別：

　　1.電平的上限和下限定義不一樣，CMOS具有更大的抗噪?yún)^(qū)域。同是5伏供電的話，TTL一般是1.7V和3.5V的樣子，CMOS一般是2.2V,2.9V的樣子，不準(zhǔn)確，僅供參考。

　　2.電流驅(qū)動(dòng)能力不一樣，TTL一般提供25毫安的驅(qū)動(dòng)能力，而CMOS一般在10毫安左右。

　　3.需要的電流輸入大小也不一樣，一般TTL需要2.5毫安左右，CMOS幾乎不需要電流輸入。

　　4.很多器件都是兼容TTL和CMOS的，datasheet會(huì)有說(shuō)明。如果不考慮速度和性能，一般器件可以互換。但是需要注意有時(shí)候負(fù)載效應(yīng)可能引起電路工作不正常，因?yàn)橛行㏕TL電路需要下一級(jí)的輸入阻抗作為負(fù)載才能正常工作。

　　1.TTL電路和CMOS電路的邏輯電平

　　VOH:邏輯電平1的輸出電壓

　　VOL:邏輯電平0的輸出電壓

　　VIH:邏輯電平1的輸入電壓

　　VIH:邏輯電平0的輸入電壓

　　TTL電路臨界值：

　　VOHmin=2.4V

　　VOLmax=0.4V

　　VIHmin=2.0V

　　VILmax=0.8V

　　CMOS電路臨界值(電源電壓為+5V)

　　VOHmin=4.99V

　　VOLmax=0.01V

　　VIHmin=3.5V

　　VILmax=1.5V

　　2.TTL和CMOS的邏輯電平轉(zhuǎn)換

　　CMOS電平能驅(qū)動(dòng)TTL電平，TTL電平不能驅(qū)動(dòng)CMOS電平，需加上拉電阻。3.常用邏輯芯片特點(diǎn)

　　74LS系列：TTL輸入:TTL輸出:TTL

　　74HC系列：CMOS輸入:CMOS輸出:CMOS

　　74HCT系列：CMOS輸入:TTL輸出:CMOS

　　CD4000系列：CMOS輸入:CMOS輸出:CMOS

　　(一)TTL高電平3.6~5V，低電平0V~2.4V

　　CMOS電平Vcc可達(dá)到12V。

　　CMOS電路輸出高電平約為0.9Vcc，而輸出低電平約為0.1Vcc。

　　CMOS電路不使用的輸入端不能懸空，會(huì)造成邏輯混亂。

　　TTL電路不使用的輸入端懸空為高電平

　　另外，CMOS集成電路電源電壓可以在較大范圍內(nèi)變化，因而對(duì)電源的要求不像TTL集成電路那樣嚴(yán)格。

　　用TTL電平他們就可以兼容

　　(二)TTL電平是5V，CMOS電平一般是12V。

　　因?yàn)門(mén)TL電路電源電壓是5V，CMOS電路電源電壓一般是12V。5V的電平不能觸發(fā)CMOS電路，12V的電平會(huì)損壞TTL電路，因此不能互相兼容匹配。

　　(三)TTL電平標(biāo)準(zhǔn)

　　輸出L：<0.4V;H：>2.4V。

　　輸入L：<0.8V;H：>2.0V

　　TTL器件輸出低電平要小于0.4V，高電平要大于2.4V。輸入，低于0.8V就認(rèn)為是0，高于2.0就認(rèn)為是1。

　　CMOS電平：

　　輸出L：<0.1*Vcc;H：>0.9*Vcc。

　　輸入L：<0.3*Vcc;H：>0.7*Vcc.

　　一般單片機(jī)、DSP、FPGA他們之間管教能否直接相連.一般情況下，同電壓的是可以的，不過(guò)最好是要好好查查技術(shù)手冊(cè)上的VIL,VIH,VOL,VOH的值，看是否能夠匹配(VOL要小于VIL，VOH要大于VIH，是指一個(gè)連接當(dāng)中的)。有些在一般應(yīng)用中沒(méi)有問(wèn)題，但是參數(shù)上就是有點(diǎn)不夠匹配，在某些情況下可能就不夠穩(wěn)定，或者不同批次的器件就不能運(yùn)行。

　　例如：74LS的器件的輸出，接入74HC的器件。在一般情況下都能好好運(yùn)行，但是，在參數(shù)上卻是不匹配的，有些情況下就不能運(yùn)行。

　　74LS和54系列是TTL電路，74HC是CMOS電路。如果它們的序號(hào)相同，則邏輯功能一樣，但電氣性能和動(dòng)態(tài)性能略有不同。TTL的邏輯高電平為>如，2.7V,CMOS為>3.6V。如果CMOS電路的前一級(jí)為T(mén)TL則隱藏著不可靠隱患，反之則沒(méi)問(wèn)題。

　　1、TTL電平：

　　輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

　　2、CMOS電平：

　　1邏輯電平電壓接近于電源電壓，0邏輯電平接近于0V。而且具有很寬的噪聲容限。

　　3、電平轉(zhuǎn)換電路：

　　因?yàn)門(mén)TL和COMS的高低電平的值不一樣(ttl5v<==>cmos3.3v)，所以互相連接時(shí)需要電平的轉(zhuǎn)換：就是用兩個(gè)電阻對(duì)電平分壓，沒(méi)有什么高深的東西。哈哈

　　4、OC門(mén)，即集電極開(kāi)路門(mén)電路，OD門(mén)，即漏極開(kāi)路門(mén)電路，必須外界上拉電阻和電源才能將開(kāi)關(guān)電平作為高低電平用。否則它一般只作為開(kāi)關(guān)大電壓和大電流負(fù)載，所以又叫做驅(qū)動(dòng)門(mén)電路。

　　5、TTL和COMS電路比較：

　　1)TTL電路是電流控制器件，而coms電路是電壓控制器件。

　　2)TTL電路的速度快，傳輸延遲時(shí)間短(5-10ns)，但是功耗大。COMS電路的速度慢，傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)(25-50ns),但功耗低。COMS電路本身的功耗與輸入信號(hào)的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正常現(xiàn)象。

　　3)COMS電路的鎖定效應(yīng)：

　　COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時(shí)，COMS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。

　　防御措施：

　　1)在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過(guò)不超過(guò)規(guī)定電壓。

　　2)芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓。

　　3)在VDD和外電源之間加線流電阻，即使有大的電流也不讓它進(jìn)去。

　　4)當(dāng)系統(tǒng)由幾個(gè)電源分別供電時(shí)，開(kāi)關(guān)要按下列順序：開(kāi)啟時(shí)，先開(kāi)啟COMS電路得電源，再開(kāi)啟輸入信號(hào)和負(fù)載的電源;關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閉輸入信號(hào)和負(fù)載的電源，再關(guān)閉COMS電路的電源。

　　6、COMS電路的使用注意事項(xiàng)

　　1)COMS電路時(shí)電壓控制器件，它的輸入總抗很大，對(duì)干擾信號(hào)的捕捉能力很強(qiáng)。所以，不用的管腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個(gè)恒定的電平。

　　2)輸入端接低內(nèi)組的信號(hào)源時(shí)，要在輸入端和信號(hào)源之間要串聯(lián)限流電阻，使輸入的電流限制在1mA之內(nèi)。

　　3)當(dāng)接長(zhǎng)信號(hào)傳輸線時(shí)，在COMS電路端接匹配電阻。

　　4)當(dāng)輸入端接大電容時(shí)，應(yīng)該在輸入端和電容間接保護(hù)電阻。電阻值為R=V0/1mA.V0是外界電容上的電壓。

　　5)COMS的輸入電流超過(guò)1mA，就有可能燒壞COMS。

　　7、TTL門(mén)電路中輸入端負(fù)載特性(輸入端帶電阻特殊情況的處理)：

　　1)懸空時(shí)相當(dāng)于輸入端接高電平。因?yàn)檫@時(shí)可以看作是輸入端接一個(gè)無(wú)窮大的電阻。

　　2)在門(mén)電路輸入端串聯(lián)10K電阻后再輸入低電平，輸入端出呈現(xiàn)的是高電平而不是低電平。因?yàn)橛蒚TL門(mén)電路的輸入端負(fù)載特性可知，只有在輸入端接的串聯(lián)電阻小于910歐時(shí)，它輸入來(lái)的低電平信號(hào)才能被門(mén)電路識(shí)別出來(lái)，串聯(lián)電阻再大的話輸入端就一直呈現(xiàn)高電平。這個(gè)一定要注意。COMS門(mén)電路就不用考慮這些了。

　　8、TTL電路有集電極開(kāi)路OC門(mén)，MOS管也有和集電極對(duì)應(yīng)的漏極開(kāi)路的OD門(mén)，它的輸出就叫做開(kāi)漏輸出。OC門(mén)在截止時(shí)有漏電流輸出，那就是漏電流，為什么有漏電流呢?那是因?yàn)楫?dāng)三機(jī)管截止的時(shí)候，它的基極電流約等于0，但是并不是真正的為0，經(jīng)過(guò)三極管的集電極的電流也就不是真正的0，而是約0。而這個(gè)就是漏電流。開(kāi)漏輸出：OC門(mén)的輸出就是開(kāi)漏輸出;OD門(mén)的輸出也是開(kāi)漏輸出。它可以吸收很大的電流，但是不能向外輸出的電流。

　　所以，為了能輸入和輸出電流，它使用的時(shí)候要跟電源和上拉電阻一齊用。OD門(mén)一般作為輸出緩沖/驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換器以及滿足吸收大負(fù)載電流的需要。