1. 電壓等級(jí)概述

數(shù)字設(shè)備需要在規(guī)定的電壓等級(jí)下才能進(jìn)行的正常信號(hào)采集和生成操作。 數(shù)字I/O設(shè)備的電壓等級(jí)定義了設(shè)備如何確定有效的邏輯狀態(tài)（邏輯高電平或邏輯低電平）。 電壓等級(jí)的定義根據(jù)設(shè)備是單端還是差分而所有不同。

2. 單端數(shù)字I/O電壓等級(jí)

對(duì)于單端數(shù)字信號(hào)而言，電壓等級(jí)通常是指驅(qū)動(dòng)高電平信號(hào)或驅(qū)動(dòng)低電平信號(hào)時(shí)輸出端的電壓；以及為了識(shí)別高電平或低電平時(shí)輸入端所需的電壓。 通常情況下，單端電壓電平定義如下：

輸出高電平(VOH) - 如果針對(duì)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸出進(jìn)行配置，該電平是指數(shù)字量輸出IO在輸出邏輯1時(shí)在輸出端上產(chǎn)生的電壓值； 如果針對(duì)集電極開路輸出進(jìn)行配置，輸出高電平相當(dāng)于將數(shù)據(jù)通道置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。
輸出低電平(VOL) — 數(shù)字量輸出IO輸出邏輯0時(shí)在輸出端口上產(chǎn)生的電壓值。
輸入高電平 (VIH) — 數(shù)字量輸入IO判定輸入為邏輯1時(shí)，輸入端上需要出現(xiàn)的最小電壓值；
輸入低電平 (VIL) — 數(shù)字量輸入IO判定輸入為邏輯0時(shí)，輸入端上需要出現(xiàn)的最大電壓值。

將數(shù)字模塊連接至待測(cè)設(shè)備時(shí)(DUT)，必須保證接口的電壓等級(jí)是兼容的。 單端電壓等級(jí)和DUT電壓等級(jí)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1. 單端數(shù)字電壓等級(jí)關(guān)系

為了與DUT正確通信，數(shù)字設(shè)備的配置必須滿足如下條件：

· 輸出高電平 ≥ DUT VIH
· 輸出低電平 ≤ DUT VIL
· 輸入高電平 ≤ DUT VOH
· 輸入低電平 ≥ DUT VOL
· 輸入高電平 > 輸入低電平

電源提供的電壓等級(jí)與終端所需的電壓等級(jí)之間的裕度稱為噪聲容限(noise immunity margin, NIM)。

NIM代表連接線纜能正常識(shí)別數(shù)字信號(hào)所能允許的最大噪聲幅度。 總NIM的計(jì)算公式如下：

NIM = [ min (|輸出高電平 - DUT VIH|, |輸出低電平 - DUT VIL|，
|DUT VOH-輸入高電平|, |DUT VOL - 輸入低電平 ]

抑制外部噪聲源影響的一種方法是使用屏蔽信號(hào)線。 但是，如果系統(tǒng)在噪聲嚴(yán)重的環(huán)境下工作，無法正確識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)，則應(yīng)盡可能提高NIM。

查看數(shù)字I/O邏輯產(chǎn)品家族教程，了解單端數(shù)字I/O信號(hào)的不同分類。

3. 差分?jǐn)?shù)字I/O電壓等級(jí)

與單端信號(hào)不同的是，差分信號(hào)是兩個(gè)等幅反相信號(hào)同時(shí)傳輸。 區(qū)別于一個(gè)導(dǎo)體以地為基準(zhǔn)的做法，差分信號(hào)是兩個(gè)導(dǎo)體互為基準(zhǔn)來傳輸數(shù)據(jù)。 數(shù)字驅(qū)動(dòng)器仍與單端信號(hào)一樣提供兩個(gè)電壓。 但是接收器根據(jù)兩個(gè)信號(hào)之間電壓差解讀信號(hào) - 而不是基于接地基準(zhǔn)。 如果差分?jǐn)?shù)字信號(hào)解讀為邏輯0，信號(hào)的電平必須比另一個(gè)信號(hào)的電平至少低特定值（圖2所示的VTH）。 VTH是變化的，由特定邏輯系列決定。 由于導(dǎo)體互為基準(zhǔn)且同時(shí)發(fā)送信號(hào)，因而信號(hào)具有更高的抗噪性能。 這樣可提供的一個(gè)好處就是大幅減小信號(hào)擺幅，使得可以用更快的速率和更小的功耗在更遠(yuǎn)的距離傳輸數(shù)據(jù)。

由于差分信號(hào)中正信號(hào)以負(fù)信號(hào)為基準(zhǔn)，兩個(gè)導(dǎo)體之間存在一定差分阻抗，電壓等級(jí)通常是從差分的角度而不是絕對(duì)的角度進(jìn)行定義。 例如，差分負(fù)載阻抗為100Ω的LVDS傳輸對(duì)的絕對(duì)電壓等級(jí)可能是正極導(dǎo)體的VOH 為1.4V，負(fù)極導(dǎo)體的VOL為1.1V。 那么差分電壓就是這兩個(gè)電壓的差值 - 300 mV(圖2中所示的VOD) 但是，信號(hào)存在共模成分（圖2中所示的 VOS），該成分在大部分差分規(guī)范中都有規(guī)定，稱為共模電壓。

通常情況下，差分電壓電平定義如下：

差分輸出電壓(VOD)—差分傳輸中正負(fù)導(dǎo)體之間的電壓差。 該電壓可視為兩個(gè)導(dǎo)體的電壓差。

失調(diào)電壓(VOS)—差分信號(hào)的共模電壓。 該電壓可視為兩個(gè)導(dǎo)體的平均電壓。

閾值電壓(VTH)—接收器識(shí)別有效邏輯狀態(tài)時(shí)的差分電壓閾值。

輸入電壓范圍(VRANGE)—接收器可允許的絕對(duì)電壓，也稱為共模電壓。

將數(shù)字I/O模塊連接至待測(cè)設(shè)備時(shí)(DUT)，必須保證接口的電壓等級(jí)是兼容的。 差分設(shè)備的電壓等級(jí)和DUT電壓等級(jí)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2. 差分?jǐn)?shù)字電壓等級(jí)關(guān)系

電源驅(qū)動(dòng)的電壓等級(jí)與終端所需的電壓等級(jí)之間的裕度稱為噪聲容限(noise immunity margin, NIM)。 NIM代表連接線纜能正常識(shí)別數(shù)字信號(hào)所能允許的最大噪聲幅度。 總NIM的計(jì)算公式如下：
NIM = [min (|輸出 VOD - DUT VTH| , |DUT VOD - 輸入 VTH|)]

查看數(shù)字I/O邏輯產(chǎn)品家族教程，了解差分?jǐn)?shù)字I/O信號(hào)的不同分類。

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