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作者：郝旭帥??校對：陸輝
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數(shù)字通信中的電壓標(biāo)準
信號存在的意義是為了能夠進行信息的溝通，所以要求接收方必須能夠正確的接收到信號，否則信號將沒有任何存在的意義。
為了信息能夠正確進行傳輸，發(fā)送和接收要有對信息認定的標(biāo)準（發(fā)送方發(fā)送高電平，接收方要認為是高電平；發(fā)送方發(fā)送低電平，接收方要認為是低電平）。
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)準算作是“高電平”呢？難道只有“0V”才算低電平？這些問題相信是任何一個初學(xué)者心中的疑慮。
我們平時所說的電壓其實是電壓差。例如：家用電壓220V（火線）是相對于“零線”來說。
ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）之間的相互通信是通過I/O發(fā)出高低電平進行通信的，這些電平都要符合相應(yīng)的電平標(biāo)準。
圖1 ：傳輸模型
現(xiàn)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，I/O電壓標(biāo)準包括早期的TTL標(biāo)準，CMOS標(biāo)準，LVTTL標(biāo)準，LVCMOS標(biāo)準，RS232，RS485標(biāo)準以及HSTL(High Speed Transceiver Logic)標(biāo)準和較新的LVDS（Low-Voltage Differential Signal）等標(biāo)準。不同的標(biāo)準支持的器件不同，支持的傳輸速度不同，支持的噪聲容限也不同。從另一個方面來看，I/O標(biāo)準的進步反映了數(shù)字系統(tǒng)的進步。
在實際中，各處的零電位實際上是不太相同的，將地線接在一起是為了統(tǒng)一零電位，以保證各處的電壓，即電勢差有統(tǒng)一的關(guān)系。
I/O端口標(biāo)準按照信號的傳輸方式，分為單端信號（圖1-8），差分信號（圖1-9）和偽差分信號（圖1-10、圖1-11）。
圖2 ：單端信號傳輸模型
單端信號傳輸時，在單獨的導(dǎo)線上傳輸信號，其邏輯電平相對于GND（地）。ASIC_A以相對于GND的邏輯進行驅(qū)動，接收端也用相對于地的邏輯進行捕獲。LVTTL標(biāo)準和LVCMOS標(biāo)準都是單端信號標(biāo)準。
單端信號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。中間的干擾相對較少。
LVDS，即LowVoltageDifferentialSignaling，是一種低壓差分信號技術(shù)接口。它是美國NS公司(美國國家半導(dǎo)體公司)為克服以TTL電平方式傳輸寬帶高碼率數(shù)據(jù)時功耗大、EMI電磁干擾大等缺點而研制的一種數(shù)字視頻信號傳輸方式。
LVDS輸出接口利用非常低的電壓擺幅(約350mV)在兩條PCB走線或一對平衡電纜上通過差分進行數(shù)據(jù)的傳輸，即低壓差分信號傳輸。采用LVDS輸出接口，可以使得信號在差分PCB線或平衡電纜上以幾百Mbit/s的速率傳輸，由于采用低壓和低電流驅(qū)動方式，因此，實現(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 ：差分信號傳輸模型
圖4 ：差分信號傳輸連接關(guān)系
差分信號進行傳輸時，使用兩條傳輸線傳輸信號，ASIC_A按照信號的差值進行邏輯驅(qū)動，ASIC_B也按照信號的差值進行邏輯捕獲。差分信號具有很強的抗共模干擾能力，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)準為I/O差分標(biāo)準。
圖5 ：單端偽差分傳輸模型
圖6 : 單端偽差分傳輸連接關(guān)系
單端偽差分信號進行傳輸時，使用一條傳輸線傳輸信號，ASIC_A正常發(fā)送邏輯值，ASIC_B接收是相對于ref_V（參考電壓）進行接收。ref_V一般為傳輸電壓的一半。接收端的信號電壓低于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
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圖8 ：雙端偽差分傳輸連接關(guān)系
雙端偽差分信號傳輸時，使用兩條傳輸線分別傳輸信號的“正”、“反”邏輯。ASIC_A發(fā)送信號的電平與“反”電平，接收端按照單端偽差分接收標(biāo)準接收，然后取出其中一路作為輸出。
偽差分標(biāo)準的信號輸出幅度較小，電源邏輯比真差分電路簡單，噪聲容限大而且與JEDEC支持的SDRAM的L-Bank結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，所以被應(yīng)用于DDR/DDR2/DDR3接口，數(shù)據(jù)速率可以達到600Mbit/s。
從發(fā)送端發(fā)出信號，經(jīng)過線路的干擾影響，其電平可能升高或者降低，因而接收端必須在一個電平范圍內(nèi)判斷它的邏輯值。這個電平范圍稱為噪聲容限（Noise Margin， NM）。不同的信號傳輸方式和I/O標(biāo)準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，那么通信就會受到影響。
圖11 ：某芯片的電氣標(biāo)準
圖12 ：各類電壓標(biāo)準詳細信息
思考：3.3V供電的單片機如何和5V供電的單片機進行通信？
1.?電平轉(zhuǎn)換芯片
