I/O端口的電壓等級詳解

1. 電壓等級概述

數字設備需要在規定的電壓等級下才能進行的正常信號采集和生成操作。數字I/O設備的電壓等級定義了設備如何確定有效的邏輯狀態（邏輯高電平或邏輯低電平）。電壓等級的定義根據設備是單端還是差分而所有不同。

2. 單端數字I/O電壓等級

對于單端數字信號而言，電壓等級通常是指驅動高電平信號或驅動低電平信號時輸出端的電壓；以及為了識別高電平或低電平時輸入端所需的電壓。通常情況下，單端電壓電平定義如下：

輸出高電平(VOH) - 如果針對主動驅動輸出進行配置，該電平是指數字量輸出IO在輸出邏輯1時在輸出端上產生的電壓值；如果針對集電極開路輸出進行配置，輸出高電平相當于將數據通道置于高阻抗狀態。
輸出低電平(VOL) — 數字量輸出IO輸出邏輯0時在輸出端口上產生的電壓值。
輸入高電平 (VIH) — 數字量輸入IO判定輸入為邏輯1時，輸入端上需要出現的最小電壓值；
輸入低電平 (VIL) — 數字量輸入IO判定輸入為邏輯0時，輸入端上需要出現的最大電壓值。

將數字模塊連接至待測設備時(DUT)，必須保證接口的電壓等級是兼容的。單端電壓等級和DUT電壓等級之間的關系如圖1所示。

圖1. 單端數字電壓等級關系

為了與DUT正確通信，數字設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與終端所需的電壓等級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別數字信號所能允許的最大噪聲幅度。總NIM的計算公式如下：

抑制外部噪聲源影響的一種方法是使用屏蔽信號線。但是，如果系統在噪聲嚴重的環境下工作，無法正確識別數據信號，則應盡可能提高NIM。

查看數字I/O邏輯產品家族教程，了解單端數字I/O信號的不同分類。

3. 差分數字I/O電壓等級

與單端信號不同的是，差分信號是兩個等幅反相信號同時傳輸。區別于一個導體以地為基準的做法，差分信號是兩個導體互為基準來傳輸數據。數字驅動器仍與單端信號一樣提供兩個電壓。但是接收器根據兩個信號之間電壓差解讀信號 - 而不是基于接地基準。如果差分數字信號解讀為邏輯0，信號的電平必須比另一個信號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。由于導體互為基準且同時發送信號，因而信號具有更高的抗噪性能。這樣可提供的一個好處就是大幅減小信號擺幅，使得可以用更快的速率和更小的功耗在更遠的距離傳輸數據。

由于差分信號中正信號以負信號為基準，兩個導體之間存在一定差分阻抗，電壓等級通常是從差分的角度而不是絕對的角度進行定義。例如，差分負載阻抗為100Ω的LVDS傳輸對的絕對電壓等級可能是正極導體的VOH 為1.4V，負極導體的VOL為1.1V。那么差分電壓就是這兩個電壓的差值 - 300 mV(圖2中所示的VOD) 但是，信號存在共模成分（圖2中所示的 VOS），該成分在大部分差分規范中都有規定，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)—差分傳輸中正負導體之間的電壓差。該電壓可視為兩個導體的電壓差。

失調電壓(VOS)—差分信號的共模電壓。該電壓可視為兩個導體的平均電壓。

閾值電壓(VTH)—接收器識別有效邏輯狀態時的差分電壓閾值。

輸入電壓范圍(VRANGE)—接收器可允許的絕對電壓，也稱為共模電壓。

將數字I/O模塊連接至待測設備時(DUT)，必須保證接口的電壓等級是兼容的。差分設備的電壓等級和DUT電壓等級之間的關系如圖2所示。

圖2. 差分數字電壓等級關系

電源驅動的電壓等級與終端所需的電壓等級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別數字信號所能允許的最大噪聲幅度。總NIM的計算公式如下：
NIM = [min (|輸出 VOD - DUT VTH| , |DUT VOD - 輸入 VTH|)]

查看數字I/O邏輯產品家族教程，了解差分數字I/O信號的不同分類。