电平转换电路.docx

7.10 电平转换电路在数字电路系统中，一般情况下，不同种类器件（如 TTL、CMOS、HCMOS 等）不能直 接相连；电源电压不同的CMOS、HCMOS器件因输出电平不同也不能直接相连，这就涉及 到电平转换问题所幸的是目前单片机应用系统中的MCU、存储器、卩P监控芯片、I/O扩 展与接口电路芯片等多采用HCMOS工艺;另一方面74LS系列数字电路芯片已普遍被74HC 系列芯片所取代即数字电路系统中的门电路、触发器、驱动器尽可能采用74HC系列（或 高速的74AHC系列）芯片、CD40系列或CD45系列的CMOS器件（速度较HCMOS系列慢， 但功耗比HC系列芯片低、电源电压范围宽当电源电压大于5.5V时，CMOS数字逻辑器 件就成了唯一可选的数字IC芯片），尽量不用74LS系列芯片（速度与74HC系列相同，但电 源范围限制为5.0V±5%、功耗大、价格甚至比74HC系列高）与74系列（在74系列中，只 有输出级可承受高压的7406、7407 OC门电路芯片仍在使用）根据CMOS、HCMOS芯片输出高低电平特征、输入高低电平范围，在电源电压VDD相 同，且不大于5.5V情况下，这些芯片能直接相连。

因此，在现代数字电子电路中只需解决 不同电源电压CMOS、HCMOS器件之间的连接问题7.10.1 高压器件驱动低压器件接口电路高压器件驱动低压器件（如5V驱动3V或9V驱动5V、3V）时，一般不能直接相连，应根 据高压器件输出口结构（漏极开路的OD门、准双向或CMOS互补推挽输出）选择相应的接口 电路对于OD输出引脚，可采用图7-42（a）所示电路，上拉电阻R 一般取10K〜510K之间， 具体数值与前级输出信号频率有关：输出信号频率高，如1MHz以上方波信号，R取小一些； 输出信号频率低，R可取大一些，以减小输出低电平时上拉电阻R的功耗对于 CMOS 互补推挽输出、准双向（如 MCS-51 的 P1、 P2、 P3 口）输出，须在两者之间 加隔离二极管，如图7-42（b）所示，其中电阻R选择与图（a）相同，二极管D可采用小功率开 关二极管，如1N4148前级输出高电平时,二极管D截止，后级输入高电平电压VIH接近电 源电压VDD当前级输出低电平时，二极管D导通，后级输入低电平电压VIL = VOL+VD （二 极管导通压降）显然VIL V1.0V,当后级电路为HCMOS、CMOS器件时，只要输入级N沟 MOS的阈值电压UTH >1.0V,就能正常工作。

图 7-42 高压器件驱动低压器件接口电路对于后级输入端已内置了上拉电阻(如准双向结构的MCS-51 P1〜P3 口，等效上拉电阻 约为30K),则外置上拉电阻R可以省略，如图7-42(c)所示7.10.2 低压器件驱动高压器件接口电路低压器件驱动高压器件时，应根据前级输出口电路结构选择图7-43(a)〜(g)所示电路作为 相应的接口电路当前级为OD输出结构时，如果前级输出高电平VOH >2VDD (后级电源电压的二分之 一),可采用图(a)〜(c)所示的接口电路，上拉电阻R取值原则与图7-42(a)相同当处于截止 状态的输出管不能承受高压，且两电源电压差小于后级输入高电平电压最小值V .时，IH min可采用图(a)所示电路，该电路缺点是后级输入高电平电压VIH =3.5V (前级电源电压VDD为3.6V)，仅比2.5V高1.0V，即输入高电平噪声容限偏小；此外，输入高电平电压VOH偏 小，容易引起后级CMOS反相器P沟MOS管不能可靠截止，漏电流大，仅适用于两电源 电压差不大的情形，当两电源电压差较大时，只能采用图(b)所示电路反之，当处于截止 状态的输出管可以承受高压时(如P89LPC900系列MCU引脚处于OD输出状态时)，则采用 图(c)所示电路，该电路后级输入高电平电平VIH接近5.0V，噪声容限高。

a)(b) (c)+30V+50VOut In(CMOS 门(高阻输入(准双向3V器牛5V器牛+3.10V+5^0V(内置上拉电阻InOut(CMOS I 门 (准双向)3V器件5V器牛(d) (e)(f) (g)图 7-43 低压器牛驱动高压器牛接口电路对于CMOS输出或准双向输出结构，可采用图(d)〜(g)电路，其中图(d)也存在类似图(a) 的缺点7.10.3 非轨对轨运放构成的比较器驱动数字 IC 电路使用非轨对轨运放，如LM324、LM358、MC4558等构成的比较器驱动74HC数字电路芯片时，要特别留意非轨对轨运放输出高电平电压V 不满幅现象(即V 达不到电源电压OH OHV )例如，当电源电压V 为5.0V时，V 最大值约为3.5V；又如当电源电压V 为3.3VCC CC OH CC时，V 最大值约为1.8V因此当运放电源电压V 为5.0V时，可通过1K〜5.1KQ电阻直 OH CC接驱动电源电压VDD为3.3V的74HC系列数字IC,如图7-44(b)所示无须二极管隔离，否 则会使具有施密特输入特性的74HC芯片，如74HC14六反相器等无法工作，如图7-44(a)。

而当运放电源电压匕与74HC数字IC电原电压J均为3.3V,由于运放输出高电平电压Voh =1・8V（3・3V-1.5V谨小于Vdd，驱动带施密特输入特性的74HC芯片外’尚需要外接上图7-44由非轨对轨运放构成的比较器驱动74HC数字电路7.10.4利用MCU的I/O 口电路结构简化接口电路从不同电源电压器件接口电路可知，作为控制部件核心的MCU的I/O 口结构如果能根 据需要编程选择为OD输出、CMOS互补推挽输出、准双向输出、高阻输入、上拉、下拉六 种方式之一，则可极大地简化包括电平转化电路在内的外围接口电路的设计，这正是一些新 的单片机芯片得到电路设计人员青睐的主要原因之一目前一些MCS-51兼容芯片（如Philips 公司的 P89LPC76X 系列、P89LPC900 系列，Atmel 公司的 AT89LPC213、214、216 芯片， Winbond公司的W79E82X系列，宏晶公司STC12C54XX、英飞凌的XC886等）、PIC系列 及其兼容的8位MCU芯片、绝大部分32位MCU芯片等均支持I/O 口重定义功能例如，当需要驱动不同电源电压时，令MCU输出引脚处于OD输出方式，可直接与具 有内置上拉电阻的器件（如处于准双向的MCS-51 I/O引脚）或借助外接上拉电阻与高阻输入 方式的器件，如CMOS或HCMOS数字电路相连。

又如采用互补 CMOS 输出方式的 I/O 口，做矩阵键盘行、列线时，对于输入引脚需外 接上拉电阻；对于输出扫描引脚需外接防止电流倒灌的二极管如能重新定义，将输入引脚 选择上拉输入 （如 STM8S 系列芯片以及大部分的 ARM 芯片）或准双输入/输出方式（如 MCS-51兼容芯片）；将输出引脚定义为OD方式（如STM8S系列芯片以及大部分的ARM芯 片）或准双向输入/输出方式，就可以省去上拉电阻和保护二极管当需要驱动大的拉电流负载时，准双向输入/输出结构可能会遇到驱动能力不足，需要 外加缓冲器、驱动器或上拉电阻，这种情况下，就有必要选择互补CMOS输出结构。