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一、噪声容限

基本描述

噪声容限（英语：Noise Margin）是指在前一极输出为最坏的情况下，为保证后一极正常工作，所允许的最大噪声幅度 。在数字电路中，一般常以“1”态下（上）限噪声容限和“0”态上（下）限噪声容限中的最小值来表示电路（或元件）的噪声容限。噪声容限越大说明容许的噪声越大，电路的抗干扰性越好。

高电平噪声容限 = 最小输出高电平电压-最小输入高电平电压

低电平噪声容限 = 最大输入低电平电压-最大输出低电平电压

噪声容限      = min{ 高电平噪声容限，低电平噪声容限 }

举例

一条数字电路中的电压也许被设计在0.0和1.2v之间变化，任何在0.5v以下的电压被认为是逻辑‘0’，而任何在0.7v之上的电压被认为是逻辑1。然后0的噪声容限是电压值在0.5v以下的信号，并且‘1’的噪声容限是电压值在0.7v以上的信号。通俗点讲就是，整个电路所容许的噪声极限。

TTL 电路额定高电平和低电平分别是2.4v和0.4v，最小可识别电平（即临界可识别电平）是2v和0.8v。即系统本身高电平识别是2.4v，但若一个信号受噪声叠加后呈现是2v的电压，此时也可识别为高电平；低电平额定识别是0.4v，若一个信号受噪声叠加后呈现0.8v的电压时，也可以识别出是低电平。TTL的高低电平的噪声容限都是0.4v，这说明叠加在信号电平上的容许的噪声摆幅/抖动在小于0.4v时，是对逻辑的正确识别没有影响的，噪声容限就是容许的叠加在信号电平上的噪声幅值裕度，在噪声容限之内的噪声信号是可以容许的，不影响正确识别。噪声容限是 0.4v，就是说可以容许信号电平上有叠加上小于0.4v裕度的噪声。在这种情况下噪声容限没有被测量作为绝对电压，没有比率。 CMOS芯片的噪声容限比TTL通常大，因为VOH是离电源电压较近，并且最小值是离零较近 。

在通信系统工程学，噪声容限是信号超出极小的可接受的数额的比率。

三种描述数字电路抗噪声能力的噪声容限

1)直流噪声容限

这是一个静态参数，可以根据器件说明书所给出的4个极限参数，即高电平输入电压，低电平输入电压，高电平输出电压，低电平输出电压来求得输入为低电平和输入为高电平的直流噪声容限 。公式如下：

数字电路的直流噪声容限与环境温度、电源电压有着很密切的关系。

2）交流噪声容限

又称为动态噪声容限。它与数字电路的反应速度有关，工作速度高的集成电路，其交流噪声容限小，与直流噪声容限值相接近。如电路本身反应速度慢，那么对于窄脉冲的快速干扰电压就来不及反应，因而其容限值增大。所以交流噪声容限通常比直流噪声容限大。按理交流噪声容限更能科学地反映电路在实际工作条件下的抗干扰能力，但交流噪声容限测量困难，且与施加的干扰波形有关。所以往往采用直流噪声容限值来衡量总体抗干扰能力，以求安全性更好。板间传输的信号，采用低速电路，会有更好的抗干扰性能。

3)能量噪声容限

ENI(EnergyNoiseImmunity)即是在电路保持正常工作状态下，电路所能承受的噪声能量，其量纲为纳焦耳nJ。单用直流噪声容限不能全面地反映电路的抗干扰性能。能量噪声容限这一概念指出：电路受噪声干扰而发生误动作，不仅需要有超过电路阈值的噪声电压幅值，而且还要具有使电路能产生干扰效应（如误触发、翻转等）的能量。它与器件的阈值电压、传输延迟时间及驱动侧器件的输出阻抗有关。能量噪声容限定义为：

其中，Vth是电路的阈值电压，Tpd是电路的传输延迟时间，Zo是电路的输出阻抗。

二、TTL与CMOS电平

TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

         类似的电平还有CMOS电平、232电平、485电平等。

优点

TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺（约30米）的距离就不适合了。这是由于可靠性和成本两方面的原因。因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。

数字电路中，由TTL电子元器件组成电路使用的电平。电平是个电压范围，规定输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。

标准

TTL集成电路的全名是晶体管-晶体管逻辑集成电路（Transistor-Transistor Logic),主要有54(军用)/74(商用)系列标准TTL、高速型TTL（H-TTL）、低功耗型TTL（L-TTL）、肖特基型TTL（S-TTL）、低功耗肖特基型TTL（LS-TTL）五个系列。

标准TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小2.4V,典型值3.4V,输入低电平最大0.8V，输出低电平最大0.4V，典型值0.2V。

S-TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小Ⅰ类2.5V，Ⅱ、Ⅲ类2.7V,典型值3.4V,输入低电平最大0.8V，输出低电平最大0.5V。

LS-TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小Ⅰ类2.5V，Ⅱ、Ⅲ类2.7V,典型值3.4V,输入低电平最大Ⅰ类0.7V，Ⅱ、Ⅲ类0.8V，输出低电平最大Ⅰ类0.4V，Ⅱ、Ⅲ类0.5V，典型值0.25V。”

常用逻辑芯片特点：

74LS系列：      TTL           输入:   TTL         输出:    TTL

74HC系列：    CMOS     输入:   CMOS 输出:    CMOS

74HCT系列：  CMOS      输入:   TTL        输出:    CMOS

CD4000系列：CMOS     输入:   CMOS    输出:    CMOS

详解TTL与CMOS的差异

与CMOS管：

1. CMOS是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成
2.CMOS的逻辑电平范围比较大（3～15V），TTL只能在5V下工作
3.CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差
4.CMOS功耗很小，TTL功耗较大（1～5mA/门）
5.CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL差不多相当

简单理解：

TTL电平,TTL的电源工作电压是5V，所以TTL的电平是根据电源电压5V来定的。CMOS电平，CMOS的电源工作电压是3V - 18V，CMOS的电源工作电压范围宽，如果你的CMOS的电源工作电压是12V，那么这个CMOS的输入输出电平电压要适合12V的输入输出要求。即CMOS的电平，要看你用的电源工作电压是多少，3v - 18V，都在CMOS的电源工作电压范围内，具体数值，看你加在CMOS芯片上的电源工作电压是多少。

TTL和CMOS的逻辑电平转换：CMOS电平能驱动TTL电平，TTL电平不能驱动CMOS电平，需加上拉电阻。

1、TTL电平：
　　 输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。
2、CMOS电平：
1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。Vcc：5V；VOH>=4.45V；VOL<=0.5V；VIH>=3.5V；VIL<=1.5V。相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻抗。

3、电平转换电路：
　　因为TTL和COMS的高低电平的值不一样（ttl 5v<==>cmos 3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。
4、OC门与OD门：

OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外接上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。
5、TTL和CMOS电路比较：

1）TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。
2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。CMOS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。CMOS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。
3）CMOS电路的锁定效应：
CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。即锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。防御措施如下：
①在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压。
②芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。
③在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。
④当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路的电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源。
6、CMOS电路的使用注意事项
1）CMOS电路是电压控制器件，它的输入阻抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。
2）输入端接低内阻的信号源时，要在输入端和信号源之间串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。
3）当接长信号传输线时，在CMOS电路端接匹配电阻。
4）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA，V0是外界电容上的电压。
5）CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。

6）CMOS使用注意：CMOS结构内部寄生有可控硅结构，当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时，电流足够大的话，可能引起闩锁效应，导致芯片的烧毁。
7、TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：
1）悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。
2）在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910Ω时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。CMOS门电路就不用考虑这些了。
8、TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。
OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出；OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。
9、什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？
TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级管，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA

三、EIA电平

EIA电平，规定：“1”的逻辑电平在-3V~-15v之间，“0”的逻辑电平在+3V~+15V之间。EIA即ElectronicIndustries Association 电子工业协会，美国电子行业标准。

举例

RS-232C标准采用EIA电平，TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑"1"，0V等价于逻辑"0"。由于EIA电平与TTL电平完全不同，必须进行相应的电平转换， MCl488完成TTL电平到EIA电平的转换，MCl489完成EIA电平到TTL电平的转换，还有MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换。

MAX3232芯片：

四、RS485电平

RS-485的电气特性

1、采用差分信号负逻辑，逻辑"1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

2、RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4. RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100KbpS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：

(1)共模干扰问题： RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

(2)EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

由于PC机默认的只带有RS232接口，通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。

关于RS485的线缆选择，在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、长线传输时，则必须采用阻抗匹配（一般为120Ω）的RS485专用电缆（STP-120Ω（forRS485 & CAN） one pair 18 AWG），而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆（ASTP-120Ω（forRS485 & CAN） one pair 18 AWG）。

RS232、RS422、RS485区别

RS232,RS422,RS485是电气标准，主要区别就是逻辑如何表示。

RS232使用-12V表示逻辑1，12V表示逻辑0，全双工，最少3条通信线（RX,TX,GND），因为使用绝对电压表示逻辑，由于干扰，导线电阻等原因，通讯距离不远，低速时几十米也是可以的。

RS422，在RS232后推出，使用TTL差动电平表示逻辑，就是两根的电压差表示逻辑，RS422定义为全双工的，所以最少要4根通信线（一般额外地多一根地线），一个驱动器可以驱动最多10个接收器（即接收器为1/10单位负载），通讯距离与通讯速率有关系，一般距离短时可以使用高速率进行通信，速率低时可以进行较远距离通信，一般可达数百上千米。

RS485，在RS422后推出，绝大部分继承了422，主要的差别是RS485可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器（即接收器为1/32单位负载），当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。所以现在大多数全双工485驱动/接收器对都是标有RS422/485的，因为全双工RS485的驱动/接收器对一定可以用在RS422网络。