USB/TTL/RS232/RS485

RS232电平或者说串口电平:指得都是计算机9针串口的电平，采用负逻辑：－15v ~ －3v 代表1 ，＋3v ~ ＋15v 代表0 。

RS485电平和RS422电平：由于两者均采用差分传输（平衡传输）的方式，所以它们的电平方式，一般有两个引脚 A,B 发送端 AB间的电势差U为UB-UA: ＋2 ～ ＋6v : 1 ，－2 ～ －6v : 0 ，接收端 AB间的电势差U为：大于 ＋200mv: 1 ，小于 －200mv: 0 ，定义逻辑1为B>A的状态，定义逻辑0为B

USB电平：电源线是5V，为USB设备提供最大500mA的电流，它与数据线上的电平无关，数据线是差分信号，通常D+和D-在+400mV~-400mV间变化,在传统的单端（Single-ended）通信中，一条线路来传输一个比特位。高电平表示1，低电平表示0。倘若在数据传输过程中受到干扰，高低电平信号完全可能因此产生突破临界值的大幅度扰动，一旦高电平或低电平信号超出临界值，信号就会出错。在差分传输电路中，输出电平为正电压时表示逻辑“1”，输出负电压时表示逻辑“0”，而输出“0”电压是没有意义的，它既不代表“1”，也不代表“0”。而差分通信中，干扰信号会同时进入相邻的两条信号线中，在信号接收端，两个相同的干扰信号分别进入差分放大器的两个反相输入端后，输出电压为0。所以说，差分信号技术对干扰信号具有很强的免疫力。对于串行传输来说，LVDS能够低于外来干扰；而对于并行传输来说，LVDS可以不仅能够抵御外来干扰，还能够抵御数据传输线之间的串扰。因为上述原因，实际电路中只要使用低压差分信号（Low Voltage Differential Signal，LVDS），350mV左右的振幅便能满足近距离传输的要求。假定负载电阻为100Ω，采用LVDS方式传输数据时，如果双绞线长度为10m，传输速率可达400 Mbps；当电缆长度增加到20m时，速率降为100 Mbps；而当电缆长度为100m时，速率只能达到10 Mbps左右。

RS232 可做到双向传输，全双工通讯 最高传输速率 20kbps 。

422    只能做到单向传输，半双工通讯，最高传输速率10Mbps 。

485    双向传输，半双工通讯, 最高传输速率10Mbps 。

USB 可以自动选择HS（High-Speed，高速，480 Mbps）、FS（Full-Speed，全速，12Mbps）和LS（Low-Speed，低速，1.5Mbps）三种模式中的一种。

现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等，还有一些速度比较高的 LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项。

TTL：Transistor-Transistor Logic 三极管结构。
Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。
因为2.4V与5V之间还有很大空闲，对改善噪声容限并没什么好处，又会白白增大系统功耗，还会影响速度。所以后来就把一部分“砍”掉了。也就是后面的LVTTL。
LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。

3.3V LVTTL：
Vcc：3.3V；VOH>=2.4V；VOL<=0.4V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。

2.5V LVTTL：
Vcc：2.5V；VOH>=2.0V；VOL<=0.2V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。
更低的LVTTL不常用就先不讲了。多用在处理器等高速芯片，使用时查看芯片手册就OK了。

TTL使用注意：TTL电平一般过冲都会比较严重，可能在始端串22欧或33欧电阻；TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。TTL输出不能驱动CMOS输入。

CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor    PMOS+NMOS。
Vcc：5V；VOH>=4.45V；VOL<=0.5V；VIH>=3.5V；VIL<=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。对应3.3V LVTTL，出现了LVCMOS，可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。

3.3V LVCMOS：
Vcc：3.3V；VOH>=3.2V；VOL<=0.1V；VIH>=2.0V；VIL<=0.7V。

2.5V LVCMOS：
Vcc：2.5V；VOH>=2V；VOL<=0.1V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。

CMOS使用注意：CMOS结构内部寄生有可控硅结构，当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时，电流足够大的话，可能引起闩锁效应，导致芯片的烧毁。

ECL：Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)：
Vcc=0V；Vee：-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36V。
速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百M的应用。但是功耗大，需要负电源。为简化电源，出现了PECL(ECL结构，改用正电压供电)和LVPECL。
PECL（Pseudo/Positive ECL）：
Vcc=5V；VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VIL=3.64V。
LVPELC（Low Voltage PECL）：
Vcc=3.3V；VOH=2.42V；VOL=1.58V；VIH=2.06V；VIL=1.94V 。

ECL、PECL、LVPECL使用注意：不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构，必须有电阻拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL：直流匹配时用130欧上拉，同时用82欧下拉；交流匹配时用82欧上拉，同时用130欧下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。)

前面的电平标准摆幅都比较大，为降低电磁辐射，同时提高开关速度又推出LVDS电平标准。
LVDS：Low Voltage Differential Signaling
差分对输入输出，内部有一个恒流源3.5-4mA，在差分线上改变方向来表示0和1。通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。
LVDS使用注意：可以达到600M以上，PCB要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过500mil，最好控制在300mil以内。

CML：是内部做好匹配的一种电路，不需再进行匹配。三极管结构，也是差分线，速度能达到3G以上。只能点对点传输。

GTL：类似CMOS的一种结构，输入为比较器结构，比较器一端接参考电平，另一端接输入信号。1.2V电源供电。
Vcc=1.2V；VOH>=1.1V；VOL<=0.4V；VIH>=0.85V；VIL<=0.75V
PGTL/GTL+：
Vcc=1.5V；VOH>=1.4V；VOL<=0.46V；VIH>=1.2V；VIL<=0.8V

HSTL是主要用于QDR存储器的一种电平标准：一般有V¬CCIO=1.8V和V¬¬CCIO= 1.5V。和上面的GTL相似，输入为输入为比较器结构，比较器一端接参考电平(VCCIO/2)，另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。
SSTL主要用于DDR存储器。和HSTL基本相同。V¬¬CCIO=2.5V，输入为输入为比较器结构，比较器一端接参考电平1.25V，另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度),HSTL和SSTL大多用在300M以下.

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。 

TTL与COMS电平使用区别

(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： <0.8V ； 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。 

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。

TTL与COMS电平使用区别

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。 

TTL——Transistor-Transistor Logic 

HTTL——High-speed TTL 

LTTL——Low-power TTL 

STTL——Schottky TTL 

LSTTL——Low-power Schottky TTL 

ASTTL——Advanced Schottky TTL 

ALSTTL——Advanced Low-power Schottky TTL 

FAST(F)——Fairchild Advanced schottky TTL 

CMOS——Complementary metal-oxide-semiconductor 

HC/HCT——High-speed CMOS Logic(HCT与TTL电平兼容) 

AC/ACT——Advanced CMOS Logic(ACT与TTL电平兼容)（亦称ACL） 

AHC/AHCT——Advanced High-speed CMOS Logic(AHCT与TTL电平兼容) 

FCT——FACT扩展系列，与TTL电平兼容 

FACT——Fairchild Advanced CMOS Technology,其

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 

它的噪声容限是0.4V.

2,CMOS电平：

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（ttl 5vcmos 3.3v），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。 

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。 

9，什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？ 

    TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA。

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 

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