数字电子课程–第9部分：电平转换器和不同的逻辑电平

在本课程的前几期中，我们了解了数字电子学如何在两个电压电平上设置其主要功能：“真”电平和“假”电平。这两个电平对应于两个电压，但不一定必须分别对应于5V和0V。本文将展示如何用任意电平的电压来表示两种逻辑状态。

不仅仅是5V

正如我们在本课程前几期中所观察到的，在数字系统中，信号只能采用两个值：高或低。这些值通常由两个电压电平表示。下面列出了最常用的电平，但并不妨碍系统采用自己的逻辑状态编码方法：

• 5V和0V：这是数字电路中最常用的逻辑电平系统。在该系统中，高逻辑电平由5V电压表示，而低逻辑电平由0V电压表示。
• 12V和0V：这种逻辑电平系统有时用于工业数字电路。高逻辑电平由12V电压表示，而低逻辑电平由0V电压表示。
• –5V和0V：这种逻辑电平系统有时用于必须在极端温度条件下工作的数字电路。高逻辑电平由–5V电压表示，而低逻辑电平由0V电压表示。
• –12V和12V：在这一系统中，高逻辑电平由12V电压表示，而低逻辑电平由–12V电压表示。

逻辑电平电压的选择取决于数据传输速度、电路的能耗和环境条件。数字系统并不完全相同(见图1)，特别是在两个逻辑电平的工作电压方面。如果设计人员需要将两个数字电路连接在一起，可能会出现两种情况：

• 情况1：如果幸运的话，两个电路的工作电压相同，因此无需使用额外的接口。只需简单的电气连接即可。
• 情况2：另一方面，如果两个电路工作在不同的逻辑电压下，则必须在它们之间放置一个电平适配器，即转换器。

显然，第二种情况更为复杂和关键，因为不仅需要考虑不同的电压电平，还需要考虑信号能达到的最大速度。只有相互之间能够解读信号的设备才能相互通信。如果设备之间直接连接，则只有在相同的电压电平下工作时才能正确通信。

图1：逻辑电路经常使用不同的电压电平。

通常，数字系统的信号是“TTL兼容”(5V和0V)，或者在3.3V和0V下工作。它们之间存在工作上的不兼容性。例如，当将微控制器电子系统(5V和0V)与配备RS-232接口的电路(–12V和12V)连接时，就必须插入一个适配器，因为两者的工作电压差异很大。由于工作电压较高，甚至微控制器电路可能会被串行电路损坏。

因此，电平转换器的任务是在不改变传输信号波形的情况下发送或接收电压调整信号。电压转换器是将一种电压电平转换为另一种电压电平的电子设备。它们用于将使用不同电压电平的设备相互连接起来。如果它们使用电子电路来转换电压，电压转换器可以是有源的，如果它们使用电阻器和电容器等无源元件来转换电压，电压转换器可以是无源的。此外，如果它们仅在一个方向上转换电压，它们可以是单向的，如果它们在两个方向上转换电压，它们可以是双向的。

一个非常简单的5V转3.3V转换器

在许多情况下，都需要连接工作电压不同的设备。例如，可以将工作电压为5V的设备连接到工作电压为3.3V的设备，这在当今是一种非常常见的情况。在这种情况下，就有必要使用电压转换器。一个非常简单的解决方案是使用由两个串联电阻组成的分压器。分压器的输出电压被降低，从而达到所需电压。两个电阻的计算非常简单，使用欧姆定律即可。

图2显示了一个通用应用示意图。通常，让电阻器R2的值是电阻器R1的两倍就足够了。步骤如下：

• 选择R1的值(例如4.7kΩ)。由于传输电流较高，该值不能太低，但也不能太高。
• 计算电阻器R1上必须存在的电压：(5V–3.3V)=1.7V。
• 计算传输电流：I=V÷R=1.7V÷4,700Ω=361.7µA。
• 计算电阻器R2的值：R=V÷I=3.3V÷7µA=9,123.58Ω。

将得到的值四舍五入化简为商用电阻的值，即10kΩ。刚刚执行的计算是针对无负载的电阻分压器。通常，数字输入具有非常高的输入阻抗，因此后者不会影响最终的电压。然而，设计人员每次都必须要检查负载的阻抗。在图2中，左侧是一个无负载分压器，右侧是一个从逻辑门输出获取信号的转换分压器。在这些情况下，输出电压可能会略有不同。

图2：将电压从5V降低至3.3V的转换器

该转换器制作起来非常简单，并且可以使用很容易获得的组件来制作。对于精度要求不高的简单应用，它是一个很好的解决方案。它的最大优点是线性度高，输出信号的形状始终如实的反应输入信号。事实上，电阻元件不会使信号变形，而只会造成振幅的衰减。图3显示了对前一种电路的改进。电阻转换分压器分别位于单位增益跟随器的前面和后面，为3.3V电路提供了较低的阻抗。刚才的例子只是为了降低电压电平。

图3：使用运算放大器可确保良好的信号转换，而不会因阻抗而产生衰减。

3.3V转5V转换器

在许多情况下，需要将一个工作电压为3.3V的设备连接到另一个工作电压为5V的设备上。在这些情况下，就需要使用升压转换器，如图4所示。电路中有两个NPN晶体管，Q1和Q2。V(in)是输入电压为3.3V，是直流或脉动电压。当V(in)为高电平(3.3V)时，Q1打开，Q2关闭。Q2集电极两端的电压为5V。当V(in)为低电平时，Q1关闭，Q2打开。Q1集电极的电压为0V。这样，转换器将3.3V输入电压转换为5V输出电压，并保持信号的相位不变。该转换器制作简单，可以用很容易获得的元件来制作。对于不需要很高精度的简单应用来说，这是一个很好的解决方案。

图4：简单的晶体管3.3V转5V转换器

集成电路

最简单的电平转换器可以用分立元件来制造，例如晶体管、电阻器、电容器甚至运算放大器。不过，也有封装在集成电路(IC)中的电平转换器，它们比由不同公司生产的分立电平转换器功能更强、速度更快、效率更高。它们可以支持更高的电源电压和开关速度，以及更精确的逻辑电平。

此外，IC转换器比分立转换器更紧凑且更易于使用。它们可以是单向或双向的。单向转换器可以将信号从一种逻辑电平转换为另一种逻辑电平，但不能反向转换。双向转换器可以在两个方向上转换信号。由于市场上有成千上万种型号，很难在这短短几页内将完。因此我们以著名的MAX232集成电路为例进行说明，如图5所示。它将TTL逻辑信号(0–5V)转换为RS-232信号(–15V到15V)，反之亦然，是在不同逻辑电平的设备之间进行串行通信的重要元件。单个芯片中包含四个电平转换器，每个通信方向两个。MAX232是一款可靠且易于使用的元件，有多种封装可供选择。图中清楚地显示了输入信号V(TTL) (0V到5V)是如何转换为具有不同工作电压V(RS232) (–10V到10V)的输出信号的。

图5：MAX232将电压电平从TTL/CMOS转换为RS-232，反之亦然。