Предисловие
Когда мы ограничиваем проект FPGA, мы часто видим такие стандарты уровня, как LVCOM18, LVCOS25, LVDS, LVDS25 и т. д. Фактически, это серия стандартов уровня, чтобы иметь более глубокое понимание стандартов уровня. следующие выдержки из книги «Путь FPGA» для объяснения стандартов уровня, которые нужно понять.

Стандарт с двойным порогом

Так называемый двухпороговый стандарт предназначен для цифровых схем, цифровые схемы представляют уровень только двух состояний 1 и 0, в реальной схеме необходимо договориться о том, какое напряжение для 1, какое напряжение для 0. В цифровых схемах определяется двухпорог, например, ТТЛ.

Стандарт уровня интерфейса:

Для выходов требуемое напряжение для состояния 1 больше или равно 2,4 В, а требуемое напряжение для состояния 0 меньше или равно 0,5 В;

Для входов состояние 1 должно быть больше или равно 2,0 В, а состояние 0 должно быть меньше или равно 0,8 В;
Это означает, что для указания уровня 1 требуется пороговое значение, превышающее определенное значение, а для указания уровня 0 требуется пороговое значение, меньшее определенного значения.
Некоторые стандарты уровня интерфейса подробно описаны ниже:

TTL
TTL — это аббревиатура от «Транзисторно-транзисторная логика», и, как видно из названия, первоначальная цель этого стандарта уровня интерфейса заключалась в использовании между цифровыми системами, основанными на транзисторных структурах.

Цифровые схемы, работающие по стандарту интерфейса TTL, должны иметь стандартный источник питания 5 В для внутренних активных устройств со следующими условиями выхода и входа:
Для выходов требуемое напряжение для состояния 1 больше или равно 2,4 В, и Требуемое напряжение для состояния 0 меньше или равно 0,5 В;

Для входного терминала требование определения состояния 1 больше или равно 2,0 В, а требование определения состояния 0 меньше или равно 0,8 В; Сравнение требований к выходному и входному напряжению,

Видно, что требования к выходному напряжению, чем входная сторона стандарта определения двойного клапана, более
строгие, что в основном связано с учетом помех шума и скорости передачи электрического сигнала между выходом и входом. , чтобы сделать стандарт определения двойного клапана более надежным.

ЛВТТЛ

Поскольку между 2,4 В и 5 В существует большой промежуток, который не дает существенной выгоды в улучшении шумовых помех, но также увеличивает энергопотребление системы, а также из-за большой разницы уровней между цифровым состоянием 1, 0, но также влияет на скорость отклика цифровой схемы. Поэтому в дальнейшем диапазон напряжений ТТЛ подвергается некоторому сжатию, образуя таким образом LVTTL - Low Volt Transistor-Transistor Logic, то есть стандарт уровня низковольтного TTL. Ниже описаны два стандарта LVTTL, которые в настоящее время широко используются:

LVTTL3V3
LVTTL3V3 означает, что стандартное питание для его внутренних активных устройств составляет 3,3 В, а условия выхода и входа следующие:
для выхода требуемое напряжение для состояния 1 больше или равно 2,4 В, а требование к напряжению для состояния 0 меньше или равно 0,4 В;

Для входа требование оценки для состояния 1 больше или равно 2,0 В, а требование оценки для состояния 0 меньше или равно 0,8 В;
Можно увидеть сравнение требований к выходному и входному напряжению: чтобы обеспечить стабильность двухклапанного определения и помехоустойчивость, требования к выходному напряжению все еще более строгие, чем входная сторона двухклапанного определения стандарта, этот пункт одинаков для всех стандартов интерфейса цифровых систем и не будет повторяться позже.

LVTTL2V5
LVTTL2V5 означает, что стандартное питание внутреннего активного устройства составляет 2,5 В, а выход и вход следующие:
для выхода требование напряжения для состояния 1 больше или равно 2,0 В, а требование напряжения для состояние 0 меньше или равно 0,2 В;
Для входов требование определения для состояния 1 больше или равно 1,7 В, а требование определения для состояния 0 меньше или равно 0,7 В.

CMOS
CMOS — это аббревиатура от «дополнительный металлооксид-полупроводник», и из его названия видно, что первоначальная цель этого стандарта уровня интерфейса — использование между цифровыми системами на основе NMOS, PMOS, состоящими из трубчатой ​​структуры MOS.
Цифровые схемы, работающие по стандарту интерфейса CMOS, имеют стандартный источник питания 5 В для внутренних активных устройств, а условия на выходе и входе следующие:
На стороне выхода требуемое напряжение для состояния 1 больше или равно 4,45 В. , а требуемое напряжение для состояния 0 меньше или равно 0,5 В;

Для входной стороны требование определения состояния 1 больше или равно 3,5 В, а требование определения состояния 0 меньше или равно 1,5 В.

КМОП имеет гораздо большую устойчивость к помехам по сравнению с интерфейсами ТТЛ, и его входное сопротивление намного больше, чем входное сопротивление ТТЛ.

LVCOMS
Как и TTL, CMOS породил стандарт интерфейса LVCMOS с учетом соображений энергопотребления и скорости отклика, а поскольку лампы MOS имеют гораздо более низкий порог включения по сравнению с транзисторами, LVCMOS легче взаимодействовать с использованием более низких напряжений, чем LVTTL. Ниже описаны несколько широко используемых сегодня стандартов LVTTL:

LVCOMS3V3
LVCMOS3V3 означает, что стандартный источник питания для его внутренних активных устройств подается при напряжении 3,3 В. Условия выхода и входа следующие:
Для выходной стороны требуемое напряжение для состояния 1 больше или равно 3,2 В, а Требуемое напряжение для состояния 0 меньше или равно 0,4 В;
Для входов требование определения для состояния 1 больше или равно 2,0 В, а требование определения для состояния 0 меньше или равно 0,7 В.

LVCOMS2V5
LVCMOS2V5 означает, что стандартный источник питания внутреннего активного устройства подается при напряжении 2,5 В, а условия на выходе и входе следующие:
для выходной стороны требуемое напряжение для состояния 1 больше или равно 2,0 В, и Требуемое напряжение для состояния 0 меньше или равно 0,4 В;
Для входов требование определения для состояния 1 больше или равно 1,7 В, а требование определения для состояния 0 меньше или равно 0,7 В.

LVCOMS1V8
LVCMOS1V8 означает, что стандартным источником питания для его внутреннего активного устройства является VCC=1,8 В, что, конечно, имеет определенный допуск, но в отличие от стандарта уровня, представленного ранее, этот допуск влияет на его выходные и входные условия, которые вводятся следующим образом:
Для выхода требуемое напряжение для состояния 1 больше или равно VCC-0,45 В (или 1,35 В, если VCC точно равно 1,8 В), а требуемое напряжение для состояния 0 меньше или равно 0,45 В;
Для входов определение состояния 1 требует напряжения, превышающего или равного 0,65 раз VCC (или 1,17 В, если VCC точно равно 1,8 В), а определение состояния 0 требует напряжения меньше или равного 0,35 раз VCC (или 0,63 В). V, если VCC точно равно 1,8 В).

LVCOMS1V5
Значение LVCMOS1V5, т.е. стандартный источник питания для его внутренних активных устройств составляет VCC=1,5 В, и его допуск также влияет на его выходные и входные условия, как описано ниже: Для
выходной стороны LVCMOS1V5 не имеет четких требований. , но, конечно, чем ближе состояние 1 к VCC, тем лучше, и чем ближе состояние 0 к 0 В, тем лучше;
Для входной стороны определение состояния 1 должно быть больше или равно 0,65 раз VCC (или 0,975 В, если VCC точно равно 1,5 В), а определение состояния 0 должно быть меньше или равно до 0,35 раз VCC (или 0,525 В, если VCC точно равно 1,5 В).

LVCOMS1V2
LVCMOS1V2 означает, что стандартный источник питания для его внутренних активных устройств подается с напряжением VCC=1,2 В, и его допуск также влияет на его выходные и входные условия, как описано ниже:
Для выходной стороны LVCMOS1V2 также нет четких требований, но, конечно, чем ближе состояние 1 к VCC, тем лучше, и чем ближе состояние 0 к 0 В, тем лучше;
Для входной стороны определение состояния 1 должно быть больше или равно 0,65 раз VCC (или 0,78 В, если VCC точно равно 1,2 В), а определение состояния 0 должно быть меньше или равно до 0,35 раз VCC (или 0,42 В, если VCC точно равно 1,2 В).

LVDS
LVDS — это аббревиатура от Low Volt Differential Signaling, т.е. низковольтная дифференциальная сигнализация, и ее вход и выход отличаются от ранее описанных уровней интерфейса, и для завершения связи требуется два провода. Принцип его работы показан на рисунке ниже:

Вставьте сюда описание изображения
Левая часть приведенного выше рисунка представляет собой выход LVDS, который имеет внутренний источник постоянного тока IS, который выводит значение тока около постоянного значения 3,5–4 мА. Крайний правый Vout подключается ко входу LVDS, а рядом с входом R параллельно подключается согласующий резистор сопротивлением 100 Ом. Путем изменения положения двухножевого двухпозиционного переключателя на приведенном рисунке , направление тока на дифференциальной линии изменяется, чтобы указать цифровые состояния 0 и 1, так что дифференциальная линия на приемной стороне будет показывать дифференциальный уровень ± 350 мВ из-за разницы в направлении тока, и используется в свою очередь, как суждение о цифровом государстве. Таким образом, дифференциальный уровень ± 350 мВ будет отображаться на дифференциальной линии приемника из-за разницы в направлении тока. и будет использоваться в качестве основы для определения цифрового состояния. В правой части приведенного выше рисунка также имеется источник напряжения смещения постоянного тока VS, который в основном используется для иллюстрации того, что два конца Vout на самом деле обычно имеют положительное напряжение, и в реальной схеме такого элемента нет. Поскольку размах напряжения LVDS составляет всего около 350 мВ, ток составляет всего около 3,5 мА, а дифференциальная передача обеспечивает высокую скорость, сверхнизкое энергопотребление, низкий уровень шума, низкую стоимость и другие хорошие характеристики.

RS232
RS232 — это Ассоциация электронной промышленности США EIA (известная как Ассоциация электронной промышленности), которая разработала стандарт последовательного физического интерфейса. RS — это аббревиатура Рекомендуемого стандарта, китайское значение рекомендуемых стандартов, 232 — идентификационный номер. Стандарт шины RS232 имеет в общей сложности 25 сигнальных линий! Мы обсуждаем только стандарт определения интерфейса цифрового уровня.
Стандартный источник питания RS232 составляет ±12 В или ±15 В, требуемое напряжение состояния 1 составляет от -15 В до -3 В, а требуемое напряжение состояния 0 составляет от 3 В до 15 В.

RS485
RS485 эквивалентен обновленной версии RS232, аналогично LVDS, RS485 также использует дифференциальную форму для передачи информации (но RS485 действительно передает два сигнала напряжения в прошлое), поэтому защита от помех лучше, чем у RS232. здесь нас также беспокоит только стандарт определения интерфейса цифрового уровня.

Состояние RS485 1, разница напряжений между двумя линиями должна составлять от 2 В до 6 В; В состоянии 0 разница напряжений между двумя линиями должна находиться в пределах от -6 В до -2 В.

Можно ли смешивать разные стандарты?

Выше представлены различные стандарты уровня интерфейса между цифровыми системами, которые обычно используются, но по-прежнему настоятельно рекомендуется выбирать один и тот же стандарт для обеих сторон интерфейса цифровой системы. Тем не менее, иногда ограниченные некоторыми конфигурациями двух сторон, возможно, не удастся найти единый стандарт уровня связи, а затем, в дополнение к разработке печатных плат преобразования интерфейса, в дополнение к никакому другому пути? Нет, на самом деле совместимы некоторые стандарты уровня интерфейса.

Прежде всего, несимметричный и дифференциальный несовместимы, поскольку они не совпадают по физическому соединению. Но для того же типа интерфейса, если выход стандарта уровня A соответствует входу стандарта уровня B, то говорят, что выход A может управлять входом B. Если наоборот, то говорят, что два уровня стандартов A и B могут управлять друг другом. Например, выход CMOS может управлять входом TTL, но не наоборот, поскольку выходное напряжение состояния 1 TTL больше или равно 2,4 В и не может достичь состояния 1 решения CMOS, которое должно быть больше или равно 3,5 В; однако LVTTL3V3 и LVCMOS3V3 могут управляться друг другом, поскольку их выходы способны удовлетворять требованиям входного решения друг друга.