FPGA零基础学习系列精选：数字通信中的电压标准

作者：郝旭帅  校对：陆辉

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数字通信中的电压标准

信号存在的意义是为了能够进行信息的沟通，所以要求接收方必须能够正确的接收到信号，否则信号将没有任何存在的意义。

为了信息能够正确进行传输，发送和接收要有对信息认定的标准（发送方发送高电平，接收方要认为是高电平；发送方发送低电平，接收方要认为是低电平）。

在数字电路中，经常输入或者输出“高”、“低”电平，那么多高的电压标准算作是“高电平”呢？难道只有“0V”才算低电平？这些问题相信是任何一个初学者心中的疑虑。

我们平时所说的电压其实是电压差。例如：家用电压220V（火线）是相对于“零线”来说。

ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）之间的相互通信是通过I/O发出高低电平进行通信的，这些电平都要符合相应的电平标准。

图1 ：传输模型

现在数字通信系统中，I/O电压标准包括早期的TTL标准，CMOS标准，LVTTL标准，LVCMOS标准，RS232，RS485标准以及HSTL(High Speed Transceiver Logic)标准和较新的LVDS（Low-Voltage Differential Signal）等标准。不同的标准支持的器件不同，支持的传输速度不同，支持的噪声容限也不同。从另一个方面来看，I/O标准的进步反映了数字系统的进步。

在实际中，各处的零电位实际上是不太相同的，将地线接在一起是为了统一零电位，以保证各处的电压，即电势差有统一的关系。

I/O端口标准按照信号的传输方式，分为单端信号（图1-8），差分信号（图1-9）和伪差分信号（图1-10、图1-11）。

图2 ：单端信号传输模型

单端信号传输时，在单独的导线上传输信号，其逻辑电平相对于GND（地）。ASIC_A以相对于GND的逻辑进行驱动，接收端也用相对于地的逻辑进行捕获。LVTTL标准和LVCMOS标准都是单端信号标准。

单端信号传输一般都是短距离的传输，并且一般都是统一电源供电。中间的干扰相对较少。

LVDS，即LowVoltageDifferentialSignaling，是一种低压差分信号技术接口。它是美国NS公司(美国国家半导体公司)为克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。

LVDS输出接口利用非常低的电压摆幅(约350mV)在两条PCB走线或一对平衡电缆上通过差分进行数据的传输，即低压差分信号传输。采用LVDS输出接口，可以使得信号在差分PCB线或平衡电缆上以几百Mbit/s的速率传输，由于采用低压和低电流驱动方式，因此，实现了低噪声和低功耗。目前，LVDS输出接口在17in及以上液晶显示器中得到了广泛的应用。

图3 ：差分信号传输模型

图4 ：差分信号传输连接关系

差分信号进行传输时，使用两条传输线传输信号，ASIC_A按照信号的差值进行逻辑驱动，ASIC_B也按照信号的差值进行逻辑捕获。差分信号具有很强的抗共模干扰能力，因此它的速度性能和噪声性能较好，多用于高速数据传输。LVDS标准为I/O差分标准。

图5 ：单端伪差分传输模型

图6 : 单端伪差分传输连接关系

单端伪差分信号进行传输时，使用一条传输线传输信号，ASIC_A正常发送逻辑值，ASIC_B接收是相对于ref_V（参考电压）进行接收。ref_V一般为传输电压的一半。接收端的信号电压低于ref_V当作逻辑“低”，高于ref_V当作逻辑“高”。

图7 ：双端伪差分传输模型

图8 ：双端伪差分传输连接关系

双端伪差分信号传输时，使用两条传输线分别传输信号的“正”、“反”逻辑。ASIC_A发送信号的电平与“反”电平，接收端按照单端伪差分接收标准接收，然后取出其中一路作为输出。

伪差分标准的信号输出幅度较小，电源逻辑比真差分电路简单，噪声容限大而且与JEDEC支持的SDRAM的L-Bank结构相对应，所以被应用于DDR/DDR2/DDR3接口，数据速率可以达到600Mbit/s。

从发送端发出信号，经过线路的干扰影响，其电平可能升高或者降低，因而接收端必须在一个电平范围内判断它的逻辑值。这个电平范围称为噪声容限（Noise Margin， NM）。不同的信号传输方式和I/O标准有不同的噪声容限和逻辑值判断方式。

图9 ：高电平噪声容限示意图 

图10 ：低电平噪声容限示意图

在单端信号传输高电平中，ASIC_A输出高电平的电压值要在VOH_max和VOH_min之间，ASIC_B为了能够正确接收到逻辑，所以要求VIH_max大于VOH_max，VIH_min小于VOH_min。而VIH_max和VOH_max都是受到电源电压的影响，并且越高肯定会判断成为逻辑高，因此VIH_min和VOH_min才是影响传输的关键。所以高电平的噪声容限（NMH）为VOH_min — VIH_min。

对于低电平而言，ASIC_A输出高电平的电压值要在VOL_max和VOL_min之间，ASIC_B为了能够正确接收到逻辑，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的影响，并且越低肯定会判断成为逻辑低，因此VIL_max和VOH_max才是影响传输的关键。所以低电平的噪声容限（NML）为VIL_max — VOL_max。如果发送端和接收端不能满足以上条件，那么通信就会受到影响。

图11 ：某芯片的电气标准

图12 ：各类电压标准详细信息

思考：3.3V供电的单片机如何和5V供电的单片机进行通信？

1. 电平转换芯片

2. 通过上拉电阻或者三极管等