I/O端口的电压等级详解

1. 电压等级概述

数字设备需要在规定的电压等级下才能进行的正常信号采集和生成操作。 数字I/O设备的电压等级定义了设备如何确定有效的逻辑状态（逻辑高电平或逻辑低电平）。 电压等级的定义根据设备是单端还是差分而所有不同。

2. 单端数字I/O电压等级

对于单端数字信号而言，电压等级通常是指驱动高电平信号或驱动低电平信号时输出端的电压；以及为了识别高电平或低电平时输入端所需的电压。 通常情况下，单端电压电平定义如下：

输出高电平(VOH) - 如果针对主动驱动输出进行配置，该电平是指数字量输出IO在输出逻辑1时在输出端上产生的电压值； 如果针对集电极开路输出进行配置，输出高电平相当于将数据通道置于高阻抗状态。
输出低电平(VOL) — 数字量输出IO输出逻辑0时在输出端口上产生的电压值。
输入高电平 (VIH) — 数字量输入IO判定输入为逻辑1时，输入端上需要出现的最小电压值；
输入低电平 (VIL) — 数字量输入IO判定输入为逻辑0时，输入端上需要出现的最大电压值。

将数字模块连接至待测设备时(DUT)，必须保证接口的电压等级是兼容的。 单端电压等级和DUT电压等级之间的关系如图1所示。

图1. 单端数字电压等级关系

为了与DUT正确通信，数字设备的配置必须满足如下条件：

· 输出高电平 ≥ DUT VIH
· 输出低电平 ≤ DUT VIL
· 输入高电平 ≤ DUT VOH
· 输入低电平 ≥ DUT VOL
· 输入高电平 > 输入低电平

电源提供的电压等级与终端所需的电压等级之间的裕度称为噪声容限(noise immunity margin, NIM)。

NIM代表连接线缆能正常识别数字信号所能允许的最大噪声幅度。 总NIM的计算公式如下：

NIM = [ min (|输出高电平 - DUT VIH|, |输出低电平 - DUT VIL|，
|DUT VOH-输入高电平|, |DUT VOL - 输入低电平 ]

抑制外部噪声源影响的一种方法是使用屏蔽信号线。 但是，如果系统在噪声严重的环境下工作，无法正确识别数据信号，则应尽可能提高NIM。

查看数字I/O逻辑产品家族教程，了解单端数字I/O信号的不同分类。

3. 差分数字I/O电压等级

与单端信号不同的是，差分信号是两个等幅反相信号同时传输。 区别于一个导体以地为基准的做法，差分信号是两个导体互为基准来传输数据。 数字驱动器仍与单端信号一样提供两个电压。 但是接收器根据两个信号之间电压差解读信号 - 而不是基于接地基准。 如果差分数字信号解读为逻辑0，信号的电平必须比另一个信号的电平至少低特定值（图2所示的VTH）。 VTH是变化的，由特定逻辑系列决定。 由于导体互为基准且同时发送信号，因而信号具有更高的抗噪性能。 这样可提供的一个好处就是大幅减小信号摆幅，使得可以用更快的速率和更小的功耗在更远的距离传输数据。

由于差分信号中正信号以负信号为基准，两个导体之间存在一定差分阻抗，电压等级通常是从差分的角度而不是绝对的角度进行定义。 例如，差分负载阻抗为100Ω的LVDS传输对的绝对电压等级可能是正极导体的VOH 为1.4V，负极导体的VOL为1.1V。 那么差分电压就是这两个电压的差值 - 300 mV(图2中所示的VOD) 但是，信号存在共模成分（图2中所示的 VOS），该成分在大部分差分规范中都有规定，称为共模电压。

通常情况下，差分电压电平定义如下：

差分输出电压(VOD)—差分传输中正负导体之间的电压差。 该电压可视为两个导体的电压差。

失调电压(VOS)—差分信号的共模电压。 该电压可视为两个导体的平均电压。

阈值电压(VTH)—接收器识别有效逻辑状态时的差分电压阈值。

输入电压范围(VRANGE)—接收器可允许的绝对电压，也称为共模电压。

将数字I/O模块连接至待测设备时(DUT)，必须保证接口的电压等级是兼容的。 差分设备的电压等级和DUT电压等级之间的关系如图2所示。

图2. 差分数字电压等级关系

电源驱动的电压等级与终端所需的电压等级之间的裕度称为噪声容限(noise immunity margin, NIM)。 NIM代表连接线缆能正常识别数字信号所能允许的最大噪声幅度。 总NIM的计算公式如下：
NIM = [min (|输出 VOD - DUT VTH| , |DUT VOD - 输入 VTH|)]

查看数字I/O逻辑产品家族教程，了解差分数字I/O信号的不同分类。

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