经典电平转化电路剖析
3.3V。供电。的。STM32。开发板，输出24V的。工业。传感器。，假如把它俩直连在一起，会产生什么？把不同电平的。芯片。或许开发板直连，你是不是也做过相似的事？命运好仅仅读不到。信号。，严峻的话或许会导致芯片或开发板直接焚毁。
这时分，就需求一个“调解员”了。本期贸泽科普实验室，就来聊聊电平转化这个“调解员”——。
1为什么需求电平转化。
在咱们平常的规划中，常常遇到以下两种需求电平转化的状况：
1）电压不匹配。
在。数字电路。和。嵌入式体系。中，不同的芯片或模块或许运用不同的电压规范，如1.8V、3.3V、5V、12V、24V等。当这些不同电压的芯片或模块需求进行。通讯。时，假如直接衔接，或许会导致信号传输紊乱，乃至损坏芯片。因而，需求进行电平转化，以保证信号能够在不同电压体系间正确传输。
2）逻辑电平不兼容。
除了电压不匹配外，不同的逻辑电平规范（如TTL、CMOS、LVCMOS等）之间也存在不兼容的问题。这些逻辑电平规范具有不同的电压规模和逻辑电平界说，因而需求进行相应的转化以保证信号的正确传输和处理。电平转化能够完成不同逻辑电平规范之间的转化，然后处理兼容性问题。
2电压不匹配的电平转化。
电压不匹配主要有三种状况：
第一种：芯片的数字I/O口与外部模组电平不匹配，也便是。视频。最初。单片机。与传感器的状况，传感器或。驱动器。的输出电平与单片机I/O电平不匹配。
举个比方，有的工业传感器选用的是24V供电，假如单片机想要收集传感器的数据，那么单片机的IO口要能接受24V的电压，可是现在大部分的单片机都是3.3V供电，那么IO口肯定是接受不了24V的，这个时分，就需求在传感器与单片机中心添加一个电平转化电路，把24V信号转成单片机能够忍受的电平规模。
单片机IO忍受电平。
图源：STM32F103单片机数据表。
针对这种状况的电平不匹配，能够运用三极管进行电平转化。下图便是常常运用的三极管电平转化电路。这两张图分别是1.8V转5V和5V转1.8V。
三极管电平转化电路。
左图：1.8V转5V，右图：5V转1.8V。
以1.8V转5V为例，当开关S1接到1.8V时，Q1导通，Q1集电极的电压为0V，当S1接地时，Q1截止，Q1集电极的电压为5V，5V转1.8V也是同理。
用三极管转化的长处是电路简略，成本低，也有缺陷，通讯速度受三极管的开关速度限制，通讯速度过低的时分还好。假如需求高速通讯的时分，就需求运用专门的高速电平转化芯片啦，例如。TI。的TXS0102。DC。UR，能够一起转化2路电平，在推挽方法下，转化速率可高达24Mbps。当然，不同的转化通道或转化速率，都有专门芯片能够运用。
第二种：芯片的。模仿。I/O口与外部模仿量量程不匹配。
常见的便是。ADC。数据转化，单片机模仿I/O的有用输入规模是0-。VR。ef，当模仿信号输入超出VRef或超出芯片的VDD电压后，就会形成量程溢出或模仿I/O口永久损坏，而咱们运用的模仿量输出又是花样百出，例如0~5V、-2.5V~2.5V、0~10V或4~20mA信号等，这个时分就需求将这些外部的模仿量转化为单片机能丈量的0~VRef信号。
单片机模仿输入IO电压规模。
图源：STM32F103单片机数据表。
这种场景的电平转化比较费事，没有集成芯片能够用，常用的便是。电阻。分压+。运算放大器。的转化计划，下图分别为常用的电压收集和。电流。收集电路，在电压收集电路中，输入模仿量为5V，运用分压电阻，输入到电压跟从器的电压便是2.5V，那么输出便是2.5V。在面临不同模仿量时，只需挑选合理的电路转化模型就能够了。
电阻分压+运算放大器的转化计划。
左图：电压收集电路，右图：电流收集电路。
第三种：芯片的通讯。接口。转化。
常用的通讯协议，比方。RS485。、。RS232。、。CAN。，有不同的电平规范，这些通讯电平在单片机内部没有集成，假如想要运用这些通讯方法，就需求运用电平转化。
通讯接口的转化十分简略，直接选用对应的通讯芯片就能够了。例如，RS。485通讯时能够挑选MAX485，RS232能够用MAX232，CAN能够选SN65HVD230DR，计划根本都是固定的，依照对应芯片的数据手册规划电路就没什么问题。
3逻辑电平不兼容的电平转化。
逻辑电平，用来表明。数字信号。状况的电压水平。在数字体系中，二进制的1和0便是用逻辑电平来表明，逻辑高电平一般表明为1，逻辑低电平一般表明为0。逻辑电平的稳定性关于正确地辨认和处理数字信号是至关重要的。
有2种广为熟知的逻辑电平：TTL逻辑电平缓CMOS逻辑电平。TTL逻辑电平的全称是。晶体管。-晶体管集成逻辑电平，比方说咱们现在用的74系列的一些芯片，它便是TTL电平。而CMOS逻辑电平是互补对称金属氧化物。半导体。逻辑电平。一般是指电路中许多器材是由PMOS晶体管或许是NMOS晶体管来构成的。
TTL和CMOS都有自己的逻辑电平规范，也便是对应1和0 的电平。
图中：VOH为：输出为高电平常的电平最小值；
VOL为：输出为低电平常的电平最大值。
VIH为：输入为高电平常的电平的最小值；
VIL为：输入为低电平常的电平最小值。
由上图能够看出，TTL逻辑电平与CMOS逻辑电平之间存在差异，可是，咱们经过剖析发现，他们的电平在必定区间是有兼容性的，已然能兼容，那是不是能够不转化，这是不能够的，这儿举个比方，以5VTTL和CMOS比照，比方一个信号速率为10GHZ，在TTL电平下，确定为高电平是2V以上，而在CMOS电平下，确定为高电平是3.5V以上，之间差了1.5V，咱们都知道，信号的上升是需求时刻的，在10G的速率下，这个承认电平的时刻差值就十分重要，这个时刻差会形成信号时序过错，终将导致信号传输失利，所以TTL与CMOS逻辑电平之间也需求进行转化，一般TTL转CMOS需求运用专门的转化芯片，例如CD4504B，它就能够完成TTL转CMOS。
图源：CD4504B数据表。
不论是电压不匹配的电平转化，仍是逻辑电平之间的电平转化，转化的方法有多种，上面介绍的仅仅其间一种方法，但只需记住电平转化的意图便是让电平兼容，用什么转化都是能够的。
尽管这些电平转化电路并不杂乱，可是究竟仍是需求额定的器材建立。有没有或许把转化电路集成到单片机里或许把I/O耐压进步呢？这跟单片机的低功耗以及高速度有关，低压能够带来更小的损耗，假如参加这些转化电路，会添加功耗，还降低了芯片的灵活性。已然无法集成到内部，那么问题又来了，为什么不一致电平规范呢？这是个好问题，跟全世界的充电插头无法一致相同，每个芯片都是有自己的规范，一致真的很难。