1、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)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、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
2、、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的选择) ，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、功耗大、价格甚至比 74HC 系列还高) 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DV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
3、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 一般可取 10K510K 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，以减少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
4、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 接IHV近电源电压 。当前级输出低电平时，二极管 D 导通，后级输入低电平电压 = +DV LO(二极管导通压降)。显然 1.0V，就能正常工作。THU5V上上 3V上上Out In(OD上)+3.0V+5.0VR(上上上上)(a) OD上上10K上510K5V上上 3V上上Out In(CMOS上)+3.0V+5.0VR(上上上上)D1N4148(上上上)(b) CMOS上上上上(上上上上)上上10K上510K5V上上 3V上上Out In(CMOS
5、上)+3.0V+5.0V(上上上上上上)D1N4148(上上上)(c) 上上上上上上上上上上5V上上 3V上上Out In(OD上)+3.0V+5.0V(上上上上上上)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 P1P3 口，等效上拉电阻约为 30K） ，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 (后级电源电压的二分之OHVD21一
6、) ，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 时，minIHV可采用图（a）所示电路，该电路缺点是后级输入高电平电压 =3.5V（前级电源电压IH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DV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OH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
7、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 接近 5.0V，噪声容限高。IHV5V上上3V上上Out In(OD上)+3.0V +5.0VR20K(上上上上)(上上上5V上上)5V上上3V上上Out In(OD上)+3.6V +5.0VR20K(上上上上)(上上上上5V上上) 上上CMOS上上3V上上In+3.0V +9.0V(上上上上)TRb RcOut(OD上)(上上上上5V上上)(a) (b) (c)5V上上3V上上Out In(CMOS上)+3.0V +5.0V(上上上上)(上上上)5V上上3V上上Out(CMOS上)+3.0V(上上
8、上) TRbIn+5.0V(上上上上上上)(d) (e)上上CMOS上上3V上上Out In(CMOS上)+3.0V +9.0V(上上上上)(上上上) TRbRc5V上上3V上上Out In(CMOS上)+3.0V +5.0V(上上上上)(上上上)Rc1 2UA74HC05OD上上上(f) (g)图 7-43 低压器件驱动高压器件接口电路对于 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
9、芯片时，要特别留意非轨对轨运放输出高电平电压 不满幅现象(即 达不到电源电OHVOHV压 )。例如，当电源电压 为 5.0V 时， 最大值约为 3.5V；又如当电源电压CVCV为 3.3V 时， 最大值约为 1.8V。因此当运放电源电压 为 5.0V 时，可通过OH C1K5.1K 电阻直接驱动电源电压 为 3.3V 的 74HC 系列数字 IC，如图 7-44(b)所示。D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 与 74HC 数字 IC 电源电压 均为 3.3V，CVDV由于运放输出高电平电压
10、 =1.8V (3.3V-1.5V)远小于 ，驱动带施密特输入特性的OHD74HC 芯片外，尚需要外接上拉电阻，如图 7-44(c)所示。23 184U1ALM3581 2U2A74HC14R327KD11N4148+5.0V +3.3VR1R2+2.5Vui uo 23 184U1ALM3581 2U2A74HC14R31K+5.0V +3.3VR1R2+2.5Vui uo23 184U1ALM3581 2U2A74HC14R31K+3.3V +3.3VR1R2+2.5Vui uoR410K(a) 上上上上上上上上上(上上)(b) 上上上上上上上上(上上)(c) 上上上上上上上上上上上)23
11、 184U1ALM3581 2U2A74HC14R31K+5.0V +5.0VR1R2+2.5Vui uo(d) 上上上上上上上上(上上)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(
12、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。如能重新定义为准双输入/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。
