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FPGA零基础学习:数字通信中的电压标准

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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


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