ARM核心板之—电平转换电路

　　电子工程师在电路设计过程中，经常会碰到处理器MCU的I/O电平与模块的I/O电平不相同的问题，为了保证两者的正常通信，需要进行电平转换。以下，我们将针对电平转换电路做出详细的分析。

　　对于多数MCU，其引脚基本上是CMOS结构，因此输入电压范围是：高电平不低于0.7VCC，低电平不高于0.3VCC。

　　但在介绍电平转换电路之前，我们需要先来了解以下几点：

　　⒈ 解决电平转换问题，最根本的就是要解决电平的兼容问题，而电平兼容原则有两条：①VOH>VIH②VOL

　　图1 阈值电压

　　⒉ 对于多电源系统，某些器件不允许输入电平超过电源电压，针对有类似要求的器件，电路上应适当做些保护。

　　⒊ 电平转换电路会影响通信速度，所以使用时应当注意通信速率上的要求。

　　⒋ 不同转换方式的驱动能力有所不同，在选择上应适当地加以考虑。

　　⒌ 当需要转换的路数较多时，转换方式选择不当将会导致元器件较多，或布线不方便。

　　下面通过致远电子MiniARM核心板的实例来给大家分享常用的电平转换电路方法。

　　1.  电阻分压法

　　电阻分压法是最简便的一种方法，该电路的工作方式是对逻辑电平高的进行分压。以MiniARM核心板与GPRS模块通信为例。MiniARM核心板IO电平为3.3V，而GPRS模块的IO电平为2.8V，两者之间通信时可以用图2来实现电平匹配。

　　图2 电阻分压法

　　对电阻分压的转换电路进行测试，转换后波形如图3所示。

　　图3 电平转换波形

　　2.  二极管钳位法

　　使用二极管来实现电平匹配，以MiniARM核心板与GPRS模块为例。

　　图4 二极管钳位法

　　当GPRS模块TXD为高电平时，由于二极管D2的钳位作用，MiniARM的RXD会得到2.8V+VF高电平电压。

　　当MiniARM的TXD为高电平时，由于二极管D1的钳位作用，GPRS模块的RXD会得到2.8V+VF高电平电压。

　　使用该电路应注意：

　　1.MiniARM的TXD输出端串联电阻R1的作用是限流， 同时R1会限制两者之间的通信速度。

　　2.MiniARM的TXD输出端会通过二极管D1向GPRS模块的VDD_EXT电源输入电流，防止VDD_EXT过压。

　　3.GPRS模块TXD的VOL最大值为0.1V,当输出低电平时，由于二极管的钳位作用，MiniARM的RXD的电压是0.1V+VF,该低电压应低于VIL。

　　先为大家介绍以上两种电平转换电路，后续将介绍其他几种方法。

　　 MiniARM工控核心板具有强大的功能和可靠的稳定性，通过选用该系列核心板进行产品开发，可以使得用户的产品开发流程更短、开发的产品更具可靠。其简要描述如下表所示。

　　3.  晶体管+上拉电阻

　　通过双极性晶体管，集电极由上拉电阻接到电源，输入的高电平的电压值就是电源电压值。以MiniARM核心板与GPRS模块为例，如图1所示。[page]

　　图1 晶体管电平转换电路

　　当GPRS模块TXD为高电平时，由于Q1的Ve=Vb，三极管截止，上拉电阻R1将MiniARM的RXD拉高到高电平。

　　当GPRS模块TXD为低电平时，由于Q1的Ve

　　当MiniARM的TXD为高电平时，由于Q2的Ve>Vb，三极管截止，上拉电阻R5将GPRS模块的RXD拉到高电平。

　　当MiniARM的TXD为低电平时，由于Q2的Ve

　　在选择集电极上拉电阻的阻值时，需要考虑输入的通信速率和上拉电阻上的电流消耗。减小上拉电阻阻值，可以提高通信速度，获取更短的开关时间，但却增大了低电平时电阻上的电流消耗。增大电阻阻值，开关时间延长，通信速度降低。

　　4.  MOS管+上拉电阻

　　采用MOSFET器件实现电平转换，该设计方法跟方法3相似。

　　图2  MOSFET电平转换电路

　　当GPRS模块TXD为高电平时，由于Ugs=0，NMOS截止，上拉电阻将MiniARM的RXD拉高到高电平。

　　当GPRS模块TXD为低电平时，由于Ugs>0，Uds>0，NMOS导通，MiniARM的RXD会得到电压值为0.1V+Uds的低电平。

　　此外，使用该电路需要注意：

　　1.  VDD_EXT≤VCC_MCU

　　2.  MiniARM的低电平门限应大于NMOS管压降+0.1V。

　　3.  Vgs≤VDD_EXT

　　4.  Vds≤VCC_MCU

　　5.  74xHCT系列芯片（3.3V转5V）

　　兼容5V TTL电平的CMOS器件，都可以用作3.3V转5V的电平转换芯片。这是由于3.3V CMOS的电平刚好和5V TTL电平兼容（如图3所示）。采用这种方法可选择廉价的74xHCT系列的芯片来实现与TTL兼容。

　　图3  5V与3.3V阈值电压

　　6. 专用电平转换芯片

　　采用专用的电平转换芯片（如74LVC16245、SN74LVC1T45、SN74LVC2T45）。通过电平转换芯片，能够使在芯片所能承受的不同电压节点之间进行灵活的双向电平转换。该方法具有较高的灵活性，但成本较高。

　　致远电子的MiniARM工控核心板具有强大的功能和可靠的稳定性，通过选用该系列核心板进行产品开发，可以使得用户的产品开发流程更短、开发的产品更具可靠。其简要描述如下表所示。