文章出處：微控制器及嵌入式系統應用
摘要：較詳細地闡述不同邏輯電平的介面原理。以低壓cpldepm7512a為例，給出在混合電壓系統中的具體設計方案。關鍵詞：低壓cpld邏輯電平電源emp7512a
引言隨著微電子技術的飛速發展，體積更小、功耗更低、效能更佳的低壓晶元不斷湧現。i/o電平邏輯向3.3v、2.
5v、1.8v，甚至更低的方向發展。但數十年來，由於5v電源的器件一直佔據比較重要的市場，在系統設計中它們經常共存在一塊電路板中，因此在設計它們的過程中，就不可避免地要碰到不同電壓電平的介面問題。
1 epm7512a簡述
emp7512a是altera公司推出的max7000a系列的cpld(complex programmable logic device)；採用cmos eeprom工藝，傳輸延時僅為3.5ns，可實現頻率高達200mhz的計數器；內部具有豐富的資源——512個觸發器，1萬個使用者可程式設計門；為了比較適合混合電壓系統，提供了2.5v、3.
3v電壓的核心，通過配置，輸入引腳可以工作相容2.5v/3.3v/5v/邏輯電平，輸出可以配置為2.
5v/3.3v邏輯電平輸出。epm7512a同時還提供了jtag介面，可進行isp程式設計，極大方便了使用者。
2電源設計
在本系統中，外界提供的電源為±12v和+5v，而epm7512a的工作電壓需接3.3v，所以首先要解決好電源的問題。以下是幾種解決方案。
(1)採用低壓差線性穩壓晶元
線性穩壓晶元是一種最簡單的電源轉換晶元，基本上不需要外圍元件。使用方便、成本低、紋波
小、無電磁干擾。但是傳統的線性穩壓器，如78xx系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高2v~3v以上，否則不能正常工作，所以78xx系列已經不能夠滿足3.3v電源設計的要求。
面對低電壓電源的需求，許多電源晶元公司推出了低壓差線性穩壓器ldo(low dropout regulator)。這種電源晶元的壓差只有1.3v ~ 0.
2v，可以實現5v轉3.3v/2.5v，3.
3v轉2.5v/1.8v等要求。
(2)設計開關電源
開關電源也是實現電源轉換的一種方法，且效率很高，但設計要比使用線性穩壓器複雜得多。不過對於大電流高功率的設計，建議採用開關電源。現在開關電源裡面的同步整流技術可以很好地解決低壓、大電流的問題。
(3)電阻分壓
這種方法簡單、成本低，但是分壓輸出受負載大小影響，不推薦在低壓系統中使用。綜合對比上面幾種方案，選用了ti公司的ldo晶元tps7333qd，負載能力500ma，符合系統功耗要求。
3邏輯介面設計
(1)各種電平的轉換標準
emp7512a的供電電壓為3.3v，當vccint接3.3v時，輸入口的邏輯電平範圍為-2v~5.
75v。輸出口的邏輯電平範圍為0v~vccio。vccio可以接2.
5v或者3.3v。在進行cpld系統設計時，除了cpld本身外，還有很多外圍的模組和晶元，比如flash、d/a、a/d等。
這些可歸成兩類——驅動cpld的5v電平和被cpld驅動的5v電平晶元。因此就存在乙個如何將低壓cpld與這些晶元或模組可靠介面的問題。表1所列為5v cmos、5v ttl和3.
3v電平的轉換標準。其中，voh表示輸出高電平的最低電壓，vih表示輸入高電平的最低電壓，vil表示輸入低電平的最高電壓，vol表示輸出低電平的最高電壓。從表1中可以看出，5v ttl和3.
3v的轉換標準是一樣的，而5v cmos的轉換標準是不同的。因此，在將3.3v系統與5v系統介面時，必須考慮到兩者的不同。
表1 5v cmos/ttl、3.3v ttl邏輯電平標準
比較專案5v cmos
vol0.5
voh4.44
vil1.5
vih3.5
vcc5
gnd0
5v ttl3.3v ttl
0.40.4
2.42.4
0.80.8
2253.3
00(2)邏輯電平不同時介面出現的問題
在混合電壓系統中，不同電源電壓的邏輯器件互相介面存在以下幾個問題。
①加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極體或者分離元件接到vcc。
如果接入的電壓過高，則電流將會通過二極體或者分離元件流向電源。例如在3.3v器件的輸入端加上5v的訊號，則5v電源會向3.
3v電源充電。持續的電流將會損壞二極體和其它電路元件。
②兩個電源間電流的互串問題。在等待或者掉電方式時，3.3v電源降落到0v，大電流將流通到地。
這使得匯流排上的高電壓被下拉到地，引起資料丟失和元件損壞。必須注意的是：不管在3.
3v的工作狀態還是在0v的等待狀態，都不允許電流流向vcc。
③介面輸入轉換門限問題。用5v的器件驅動3.3v的器件有很多不同的情況，同樣ttl和cmos間的轉換電平也存在著不同情況。
驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平，並且要有足夠的容限以保證不損壞電路元件。
(3)epm7512a與5v電平介面的4種情形
在該系統中，有下面4種不同的情況需考慮。(配置腳vccint、vccio均須接3.3v，把epm7512a配置成3.3v ttl器件。)
①5vttl器件驅動epm7512a(直接相連)。由於5vttl和3.3v的電平轉換標準是一樣的，5vttl器件輸出的典型值為3.
6v，因此，如果3.3v器件能夠承受5v的電壓，則從電平上來說是完全可以直接相連的。epm7512a能承受5v ttl電平驅動。
②epm7512a驅動5vttl器件(直接相連)。由於3.3v器件的voh和vol電平分別是2.
4v和0.4v，5vttl器件的vih和vil電平分別是2v和0.8v；而epm512a實際上能輸出3v擺幅的電壓，顯然5vttl器件能夠正確識別emp7512a的輸入電平。
③5vcmos器件驅動epm7512a(直接相連)。分析5vcmos的voh和vol以及3.3v的vih和vil
的轉換電平可以看出，雖然兩者存在一定的差別，但是能夠承受5v電壓的3.3v器件能夠正確識別5v器件送來的電平值。所以能夠承受5v電壓的3.
3v器件的輸入端可以直接與5v器件的輸出端介面。epm7512a有5v容限，故能直接與5v器件的輸出端介面。
④epm7512a驅動5v cmos(不能直接相連)。3.3v與5v cmos的電平轉換標準是不一樣的。
從表1中可以看出，3.3v輸出的高電壓的最低電壓值voh=2.4v(輸出的最高電壓可以達到3.
3v)，而5vcmos器件要求的高電平最低電壓vih = 3.5v，因此emp7512a的輸出不能直接與5v cmos器件的輸入相連線。為此必須做些處理。
最通用的方法就是，使用電平介面轉換晶元實現3.3v與5v電平的相互轉換。可以採用雙電壓(一邊是3.
3v，另一邊是5v)供電的雙向驅動器來實現電平轉換。如ti的
sn74alvc164245、sn74alvc4245等晶元，可以較好地解決3.3v與5v電平的轉換問題。對於5vttl或者5vcmos器件，如果驅動3.
3v(但無5v容限)的器件，就不能直接連線，而也可通過sn74alvc16245來實現5v到3.3v的轉換。對於epm7512a驅動5vcmos的情況還有個比較好的方法是，使輸出口oc(集電極開路)輸出，外面接乙個電阻上拉到5v，這樣就可以驅動5v cmos器件了，只是邏輯反向了而已。
4總結混合邏輯系統會在乙個比較長的時間內存在。它的設計比較複雜，必須仔細分析其中的邏輯介面問題，否則容易使晶元燒毀或者邏輯失真。筆者在應用eem7512a的過程中總結了這幾種方法，對設計混合邏輯系統具有普遍意義。
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