嵌入式软件基础 | 逻辑电平0和1的世界

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作者 | strongerHuang

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模拟信号在我我们生活中无处不在，但在数字电子设备中，只有两种状态：开或关。通过这两种状态，设备可以编码、传输和控制大量数据。

从广义上讲，逻辑电平信号可以具有的任何特定的离散状态。在数字电子学中，我们通常只有两个逻辑状态：二进制1和二进制0。

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什么是逻辑电平？

逻辑电平是特定电压，或可以存在信号的状态，通常为“0/1” 或 “开/关” 或 “ON/OFF” 或 “LOW / HIGH”等。

数字电子产品依靠二进制逻辑来存储、处理和传输数据或信息，我们通常将数字电路中的两个状态称为“开”或“关”。

信号的强度通常由其电压电平来描述，如何定义逻辑0（低）或逻辑1（高），芯片制造商通常会在其规格中对其进行定义，最常见的标准是TTL或晶体管逻辑。

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TTL逻辑电平

TTL：Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑。

我们使用的大多数系统都依赖于3.3V或5V的TTL电平，一般依靠双极晶体管构建的电路来实现切换并保持逻辑状态。

在数字电路中，所谓“门”就是只能实现基本逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系是与、或、非，最基本的逻辑门是与门、或门和非门。

逻辑门可以用电阻、电容、二极管、三极管等分立原件构成，成为分立元件门。也可以将门电路的所有器件及连接导线制作在同一块半导体基片上，构成集成逻辑门电路。

TTL有许多阈值电压电平需要知道，以5V TTL电平为例：

VOH：TTL设备将为HIGH信号提供的最小输出电压电平。

VIH：最小输入电压电平被视为高电平。

VOL：设备将为LOW信号提供的最大输出电压电平。

VIL：最大输入电压电平仍被视为LOW。

你会发现，最小输出HIGH电压（VOH）为2.7V。基本上，这意味着驱动HIGH的设备的输出电压将始终至少为2.7V。

最小输入HIGH电压（VIH）为2V，或者基本上任何至少2V的电压都将作为逻辑1（HIGH）读入TTL设备。

你还会发现，一个设备的输出与另一设备的输入之间有0.7V的缓冲，有时称为噪声余量。

最大输出低电压（VOL）为0.4V，这意味着试图发出逻辑0的设备将始终低于0.4V。

最大输入低电压（VIL）为0.8V。因此，任何读入器件时，低于0.8 V的输入信号仍将被视为逻辑0（LOW）。

如果电压在0.8 V和2 V之间，会发生什么？

答案：该电压范围是不确定的，无效状态，通常称为浮动状态。如果设备上的输出引脚在该范围内“浮动”，则无法确定信号的结果。它可能在HIGH和LOW之间任意跳动。

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3.3 V CMOS逻辑电平

随着技术的进步，逻辑电压越来越低，3.3V、 1.8V、甚至1.2V、 1.1V。

目前市面上大部分MCU的电压都是3.3V，拿STM32来说，基准电压都是3.3V（当然，部分IO支持5V输入）。

很多芯片手册都会指出逻辑电平以及电压大小，比如：

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逻辑电平转换

目前常见的逻辑电平5V和3.3V居多，如果使用两种电平信号进行通信，有些芯片能兼容，就不需要转换。

但有些芯片不兼容，比如：3.3V器件，如果超过3.6V就会永久损坏，此时就需要转换。

5V 与 3.3V 之间转换的方式有很多种：三极管电路、光耦电路、集成IC转换等。

1.三极管

2.光耦

3.集成IC转换

电平转换的方法还有很多，最简单的电阻分压也算一种，感兴趣的朋友可自行研究。

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