经典电平转换电路分析

3.3V供电的STM32开发板，输出24V的工业传感器，如果把它俩直连在一起，会发生什么？把不同电平的芯片或者开发板直连，你是不是也做过类似的事？运气好只是读不到信号，严重的话可能会导致芯片或开发板直接烧毁。

这时候，就需要一个“调解员”了。本期贸泽科普实验室，就来聊聊电平转换这个“调解员”——

1为什么需要电平转换

在我们平时的设计中，经常遇到以下两种需要电平转换的情况：

1）电压不匹配

在数字电路和嵌入式系统中，不同的芯片或模块可能使用不同的电压标准，如1.8V、3.3V、5V、12V、24V等。当这些不同电压的芯片或模块需要进行通信时，如果直接连接，可能会导致信号传输混乱，甚至损坏芯片。因此，需要进行电平转换，以确保信号能够在不同电压系统间正确传输。

2）逻辑电平不兼容

除了电压不匹配外，不同的逻辑电平标准（如TTL、CMOS、LVCMOS等）之间也存在不兼容的问题。这些逻辑电平标准具有不同的电压范围和逻辑电平定义，因此需要进行相应的转换以确保信号的正确传输和处理。电平转换可以实现不同逻辑电平标准之间的转换，从而解决兼容性问题。

2电压不匹配的电平转换

电压不匹配主要有三种情况：

第一种：芯片的数字I/O口与外部模组电平不匹配，也就是视频开头单片机与传感器的情况，传感器或驱动器的输出电平与单片机I/O电平不匹配。

举个例子，有的工业传感器采用的是24V供电，如果单片机想要采集传感器的数据，那么单片机的IO口要能承受24V的电压，然而现在大部分的单片机都是3.3V供电，那么IO口肯定是承受不了24V的，这个时候，就需要在传感器与单片机中间增加一个电平转换电路，把24V信号转成单片机可以容忍的电平范围。

单片机IO容忍电平

图源：STM32F103单片机数据表

针对这种情况的电平不匹配，可以使用三极管进行电平转换。下图就是经常使用的三极管电平转换电路。这两张图分别是1.8V转5V和5V转1.8V。

三极管电平转换电路

左图：1.8V转5V，右图：5V转1.8V

以1.8V转5V为例，当开关S1接到1.8V时，Q1导通，Q1集电极的电压为0V，当S1接地时，Q1截止，Q1集电极的电压为5V，5V转1.8V也是同理。

用三极管转换的优点是电路简单，成本低，也有缺点，通讯速度受三极管的开关速度限制，通讯速度过低的时候还好。如果需要高速通讯的时候，就需要使用专门的高速电平转换芯片啦，例如TI的TXS0102DCUR，可以同时转换2路电平，在推挽模式下，转换速率可高达24Mbps。当然，不同的转换通道或转换速率，都有专门芯片可以使用。

第二种：芯片的模拟I/O口与外部模拟量量程不匹配。

常见的就是ADC数据转换，单片机模拟I/O的有效输入范围是0-VRef，当模拟信号输入超出VRef或超出芯片的VDD电压后，就会造成量程溢出或模拟I/O口永久损坏，而我们使用的模拟量输出又是花样百出，例如0~5V、-2.5V~2.5V、0~10V或4~20mA信号等，这个时候就需要将这些外部的模拟量转换为单片机能测量的0~VRef信号。

单片机模拟输入IO电压范围

图源：STM32F103单片机数据表

这种场景的电平转换比较麻烦，没有集成芯片可以用，常用的就是电阻分压+运算放大器的转换方案，下图分别为常用的电压采集和电流采集电路，在电压采集电路中，输入模拟量为5V，利用分压电阻，输入到电压跟随器的电压就是2.5V，那么输出就是2.5V。在面对不同模拟量时，只要选择合理的电路转换模型就可以了。

电阻分压+运算放大器的转换方案

左图：电压采集电路，右图：电流采集电路

第三种：芯片的通讯接口转换。

常用的通讯协议，比如RS485、RS232、CAN，有不同的电平标准，这些通讯电平在单片机内部没有集成，如果想要使用这些通讯方式，就需要使用电平转换。

通讯接口的转换非常简单，直接选用对应的通讯芯片就可以了。例如，RS485通讯时可以选择MAX485，RS232可以用MAX232，CAN可以选SN65HVD230DR，方案基本都是固定的，按照对应芯片的数据手册设计电路就没什么问题。

3逻辑电平不兼容的电平转换

逻辑电平，用来表示数字信号状态的电压水平。在数字系统中，二进制的1和0就是用逻辑电平来表示，逻辑高电平通常表示为1，逻辑低电平通常表示为0。逻辑电平的稳定性对于正确地识别和处理数字信号是至关重要的。

有2种广为熟知的逻辑电平：TTL逻辑电平和CMOS逻辑电平。TTL逻辑电平的全称是晶体管-晶体管集成逻辑电平，比如说我们现在用的74系列的一些芯片，它就是TTL电平。而CMOS逻辑电平是互补对称金属氧化物半导体逻辑电平。通常是指电路中很多器件是由PMOS晶体管或者是NMOS晶体管来构成的。

TTL和CMOS都有自己的逻辑电平标准，也就是对应1和0 的电平。

图中：VOH为：输出为高电平时的电平最小值；
VOL为：输出为低电平时的电平最大值

VIH为：输入为高电平时的电平的最小值；
VIL为：输入为低电平时的电平最小值

由上图可以看出，TTL逻辑电平与CMOS逻辑电平之间存在差异，但是，我们通过分析发现，他们的电平在一定区间是有兼容性的，既然能兼容，那是不是可以不转换，这是不可以的，这里举个例子，以5VTTL和CMOS对比，比如一个信号速率为10GHZ，在TTL电平下，确定为高电平是2V以上，而在CMOS电平下，确定为高电平是3.5V以上，之间差了1.5V，我们都知道，信号的上升是需要时间的，在10G的速率下，这个确认电平的时间差值就非常重要，这个时间差会造成信号时序错误，终将导致信号传输失败，所以TTL与CMOS逻辑电平之间也需要进行转换，通常TTL转CMOS需要使用专门的转换芯片，例如CD4504B，它就可以实现TTL转CMOS。

图源：CD4504B数据表

不论是电压不匹配的电平转换，还是逻辑电平之间的电平转换，转换的形式有多种，上面介绍的只是其中一种方式，但只要记住电平转换的目的就是让电平兼容，用什么转换都是可以的。

虽然这些电平转换电路并不复杂，但是毕竟还是需要额外的器件搭建。有没有可能把转换电路集成到单片机里或者把I/O耐压提高呢？这跟单片机的低功耗以及高速度有关，低压可以带来更小的损耗，如果加入这些转换电路，会增加功耗，还降低了芯片的灵活性。既然无法集成到内部，那么问题又来了，为什么不统一电平标准呢？这是个好问题，跟全世界的充电插头无法统一一样，每个芯片都是有自己的标准，统一真的很难。