電平信號

信號的邏輯電平經(jīng)歷了從單端信號到差分信號、從低速信號到高速信號的發(fā)展過程。最基本的單端信號邏輯電平為CMOS、TTL，在此基礎(chǔ)上隨著電壓擺幅的降低，出現(xiàn)LVCMOS、LVTTL等邏輯電平，隨著信號速率的提升又出現(xiàn)ECL、PECL、LVPECL、LVDS、CML等差分信號邏輯電平。

1、信號邏輯電平參數(shù)概念定義

邏輯電平是指數(shù)字信號電壓的高、低電平，相關(guān)參數(shù)定義如下：

(1)輸入高電平門限Vih：保證邏輯門的輸入為高電平時所允許的最小輸入高電平，當(dāng)輸入電平高于Vih時，則認為輸入電平為高電平;

(2)輸入低電平門限Vil：保證邏輯門的輸入為低電平時所允許的最大輸入低電平，當(dāng)輸入電平低于Vil時，則認為輸入電平為低電平;

(3)輸出高電平門限Voh：保證邏輯門的輸出為高電平時的輸出電平的最小值，邏輯門的輸出為高電平時的電平值都必須大于此Voh;

(4)輸出低電平門限Vol：保證邏輯門的輸出為低電平時的輸出電平的最大值，邏輯門的輸出為低電平時的電平值都必須小于此Vol;

(5)閾值電平Vt：數(shù)字電路芯片都存在一個閾值電平，就是電路剛剛勉強能翻轉(zhuǎn)動作時的電平。它是一個介于Vil、Vih之間的電壓值;對于CMOS電路的閾值電平，基本上是二分之一的電源電壓值，但要保證穩(wěn)定的輸出，則必須要求輸入高電平>Vih，輸入低電平 < Vil。

Tips:閾值電平只是用來表征數(shù)字電路芯片的特性，實際硬件電路設(shè)計過程中具有實際意義的是Vih和Vil。

對于一般的邏輯電平，Vih、Vil、Voh、Vol以及Vt的關(guān)系為：Voh>Vih>Vt>Vil >Vol

(6)Ioh：邏輯門輸出為高電平時的負載電流(為拉電流);

(7)Iol：邏輯門輸出為低電平時的負載電流(為灌電流);

(8)Iih：邏輯門輸入為高電平時的電流(為灌電流);

(9)Iil：邏輯門輸入為低電平時的電流(為拉電流)。

2.常見信號邏輯電平參數(shù)

常用的邏輯電平有：TTL、CMOS、ECL、PECL、LVDS、LVPECL、RS232、RS422、RS485、CML、SSTL、HSTL等。

(1)TTL和CMOS的邏輯電平按典型電壓可分為四類：5V系列、3.3V系列、2.5V系列和1.8V系列，3.3V的TTL電平和CMOS電平通常稱為LVTTL和LVCMOS;

(2)RS232/RS422/RS485是串口(UART)的電平標準，RS232是單端輸入輸出，RS422和RS485是差分輸入輸出;

(3)ECL、PECL、LVPECL、LVDS、CML是差分輸入輸出電平;

(4)SSTL主要用于DDR存儲器，HSTL主要用于QDR存儲器;

電平通常標準參數(shù)如下表所示，具體芯片建議參考Datasheet。

由上表可見，常用的差分信號電平標準LVPECL、LVDS、CML的輸入和輸出端具有相同的門限參數(shù)。這是由產(chǎn)生差分信號的硬件結(jié)構(gòu)決定的。

觀察設(shè)備之間通過的電平信號表，并對觀察到的結(jié)果檢查與調(diào)整，對于行業(yè)新人來說是比較困難的。但是一旦你掌握了幾點基本的技巧，那么它對你來說會是一個很有用的工具。

一般來說音頻工作者會遇到三種常見的電平表達方式，現(xiàn)場或錄音通用，下圖給出的就是常見信號強度圖表。其中信號強度最小的是動圈麥克風(fēng)，這里列舉現(xiàn)場用sE V3；比動圈麥克風(fēng)強出很多但是遠不及線路級別信號的是電容麥克風(fēng)，這里列舉雙電子管電容麥克風(fēng)sE GEMINI II；在信號等級上明顯強出很多的是線路級別信號了，民用領(lǐng)域通常使用-10 dBv信號層級，強出各種原始拾音設(shè)備不少，但是相比專業(yè)音頻領(lǐng)域常用的+4 dBu信號，強度就小太多了。

1. Mic電平

麥克風(fēng)的輸出電壓較小，根據(jù)麥克風(fēng)種類的不同，范圍可以從0.001v到0.1v不等。一些麥克風(fēng)的輸出電壓非常低（比如動圈和鋁帶，詳見實用錄音話筒選用指南（上）和實用錄音話筒選用指南（下）），我們需要在后級給出很大的增益比如6、70dB，所以如果你的預(yù)算無法支撐Rupert Neve的信號放大器，那就只能購買Apogee聲卡了，因為它的主流音頻接口可以提供最高75dB的增益、同時保證參考級的音質(zhì)，這是市面上絕大多是聲卡做不到的。特別是如果歌手是一位小音量的藝術(shù)家，那么對放大器的要求會進一步提高。反之如果我們將麥克風(fēng)擺放在吉他音箱前面，需要的放大量就很少。sE V3、V7就是電平偏低的麥克風(fēng)（動圈麥克風(fēng)特性），但是由于工藝比較先進，所以比同類型的麥克風(fēng)更好推一些，同樣的雖然RNR1是鋁帶麥克風(fēng)，但由于搭載了Neve變壓器，所以后級也不難放大~

Avantone的CV12，CK6，CK7就是典型的高電平輸出電容麥克風(fēng)，提供了比傳統(tǒng)動圈和鋁帶麥克風(fēng)更多的輸出電壓，所以前級信號放大器的壓力會減少很多，有時候我們只需要最多30dB的增益就可以了。原因是由于幻象供電，電容麥克風(fēng)可以在麥克風(fēng)內(nèi)部進行初步的信號放大。值得注意一的是CV12還有BLA的黑獅版本，經(jīng)過的硬件的升級調(diào)校后，其音質(zhì)進一步提升。

以上的信息能夠告訴我們，如果你希望使用低電平的麥克風(fēng)，那么它們在拾取小音量的作品時，比如指彈吉他或是蚊子聲就會比較困難，因為多數(shù)信號放大器只能提供40到50dB的增益，不足以達到良好的收音效果。這時搭配好的Rupert Neve話放比如Shelford Channel或者經(jīng)濟一點使用Apogee聲卡比如Duet、Element 24是不可避免的。總的來說，這個電平比較低，不足以達到接下來要說的線路電平的標準。所以麥克風(fēng)信號一定要經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換成線路級別，才能進入音頻設(shè)備進行處理。

2. 專業(yè)線路電平 (+4dBu)

專業(yè)音頻設(shè)備一般傳輸?shù)氖?4dBu的線路電平信號，這是早期在業(yè)內(nèi)定下的一個標準，它可以方便我們將各個品牌的任意設(shè)備通過同一個標準連接在一起，+4dBu在電平表上顯示的數(shù)值是0。值得注意的是Symphony I/O已經(jīng)支持Soundgrid了，所以Windows上現(xiàn)在也可以使用Symphony I/O了。

所以當(dāng)你的CV12 BLA采用了+4的標準，那么它就可以連接到+4標準的RND 5017，再進一步連接到設(shè)置為+4標準的Apogee Duet上，通過+4標準的Mix Cube發(fā)出聲音。

3. 消費線路電平(-10dBv)

消費電平常見與民用產(chǎn)品和半專業(yè)產(chǎn)品，采用-10dBv的標準。以前常用的光盤、大家看到的帶有蓮花插頭和大二芯插頭的MOGAMI電纜大都是這個標準。

那么問題來了，-10和+4之間差多少？14dB？其實不是。+4dBu和-10dBv之間差11.78dB，這是由不同的電平標準導(dǎo)致的。所以如果你把-10dBv的CD機插在+4dBu標準的Symphony I/O上，信號會低大約12dB。反之將+4的信號插在-10的設(shè)備上，信號會變大。

Avantone Pro CV-12

如果將+4的設(shè)備輸出連接到-10的輸入，可以考慮使前級設(shè)備衰減，許多設(shè)備比如麥克風(fēng)都帶有Pad按鈕，尤其Avantone的CV95帶有的Pad衰減剛好是10dB，非常適合在后級設(shè)備不匹配的情況下使用。

當(dāng)然，+4 dBu專業(yè)信號和-10 dBv民用信號在電壓范圍上的差異，直接導(dǎo)致了專業(yè)線路信號級別能夠提供更大的動態(tài)范圍，這也是專業(yè)音頻處理使用這樣高電平強度信號的重要原因之一。

接頭、線纜與信號的關(guān)系

沒有關(guān)系……

連接端子的種類比如卡儂、大三大二芯、蓮花、小三芯不代表最終傳輸?shù)男盘?，XLR卡儂頭的線可以傳輸Mic信號、也可以傳輸線路信號。同樣1/4’’的插頭（大二、三芯）也會用在吉他的輸出以及音箱的輸入上，兩者信號相差是很大的。蓮花插頭常見與傳輸視頻，音頻更多用于數(shù)字信號或者黑膠唱盤。一定記住兩個設(shè)備即使使用一種插頭、一種線纜，也不代表它們之間可以互相連接，是不是很有意思！

了解各個信號強度，對于專業(yè)音頻工作非常有幫助。尤其對于現(xiàn)在的設(shè)備來說，通常都會有不同制式的信號級別設(shè)計，我們需要在安裝和使用時注意設(shè)備說明！

1，TTL電平(什么是TTL電平)：

TTL電平信號被利用的最多是因為通常數(shù)據(jù)表示采用二進制規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”，這被稱做TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)信號系統(tǒng)，這是計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標準技術(shù)。

TTL電平信號對于計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對于電源的要求不高以及熱損耗也較低，另外TTL電平信號直接與集成電路連接而不需要價格昂貴的線路驅(qū)動器以及接收器電路;再者，計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進行的，而TTL接口的操作恰能滿足這個要求。TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對于超過10英尺的距離就不適合了。這是由于可靠性和成本兩面的原因。因為在并行接口中存在著偏相和不對稱的問題，這些問題對可靠性均有影響。 TTL電路不使用的輸入端懸空為高電平。

輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

2，CMOS電平：

1邏輯電平電壓接近于電源電壓，0邏輯電平接近于0V。而且具有很寬的噪聲容限。 CMOS電路輸出高電平約為0.9Vcc，而輸出低電平約為 0.1Vcc。

CMOS電路不使用的輸入端不能懸空，會造成邏輯混亂。

另外，CMOS集成電路電源電壓可以在較大范圍內(nèi)變化，因而對電源的要求不像TTL集成電路那樣嚴格。

3，電平轉(zhuǎn)換電路：

因為TTL和COMS的高低電平的值不一樣(ttl 5v<==>cmos 3.3v)，所以互相連接時需要電平的轉(zhuǎn)換：就是用兩個電阻對電平分壓，沒有什么高深的東西。哈哈

4，OC門

又稱集電極開路與非門門電路，Open Collector(Open Drain)。實際使用中,有時需要兩個或兩個以上與非門的輸出端連接在同一條導(dǎo)線上，將這些與非門上的數(shù)據(jù)(狀態(tài)電平)用同一條導(dǎo)線輸送出去。因此，需要一種新的與非門電路--OC門來實現(xiàn)“線與邏輯”。

OC門主要用于3個方面：

1、實現(xiàn)與或非邏輯，用做電平轉(zhuǎn)換，用做驅(qū)動器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時需外接一個上拉電阻Rp到電源VCC。OC門使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅(qū)動能力，上拉電阻阻值的選擇原則，從降低功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大;從確保足夠的驅(qū)動電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小。

2、線與邏輯，即兩個輸出端(包括兩個以上)直接互連就可以實現(xiàn)“AND”的邏輯功能。在總線傳輸?shù)葘嶋H應(yīng)用中需要多個門的輸出端并聯(lián)連接使用，而一般TTL門輸出端并不能直接并接使用，否則這些門的輸出管之間由于低阻抗形成很大的短路電流(灌電流)，而燒壞器件。在硬件上，可用OC門或三態(tài)門(ST門)來實現(xiàn)。 用OC門實現(xiàn)線與，應(yīng)同時在輸出端口應(yīng)加一個上拉電阻。

3、三態(tài)門(ST門)主要用在應(yīng)用于多個門輸出共享數(shù)據(jù)總線，為避免多個門輸出同時占用數(shù)據(jù)總線，這些門的使能信號(EN)中只允許有一個為有效電平(如高電平)，由于三態(tài)門的輸出是推拉式的低阻輸出，且不需接上拉(負載)電阻，所以開關(guān)速度比OC門快，常用三態(tài)門作為輸出緩沖器。

OD門，即漏極開路門電路open-drain，必須外界上拉電阻和電源才能將開關(guān)電平作為高低電平用。否則它一般只作為開關(guān)大電壓和大電流負載，所以又叫做驅(qū)動門電路。開漏形式的電路有以下幾個特點：

1)利用外部電路的驅(qū)動能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動。 或驅(qū)動比芯片電源電壓高的負載.

2)可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。如果作為圖騰輸出必須接上拉電阻。接容性負載時，下降延是芯片內(nèi)的晶體管，是有源驅(qū)動，速度較快;上升延是無源的外接電阻，速度慢。如果要求速度高電阻選擇要小，功耗會大。所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。

3)可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平。例如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。

4)開漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的。

5)正常的CMOS輸出級是上、下兩個管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。這種輸出的主要目的有兩個：電平轉(zhuǎn)換和線與。

6)由于漏級開路，所以后級電路必須接一上拉電阻，上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣你就可以進行任意電平的轉(zhuǎn)換了。

7)線與功能主要用于有多個電路對同一信號進行拉低操作的場合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因為OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實現(xiàn)的。(而正常的CMOS輸出級，如果出現(xiàn)一個輸出為高另外一個為低時，等于電源短路。)

8)OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時延時就小，但功耗大;反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

5，TTL和COMS電路比較：

1)TTL電路是電流控制器件，而coms電路是電壓控制器件。

2)TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短(5-10ns)，但是功耗大。COMS電路的速度慢，傳輸延遲時間長(25-50ns),但功耗低。COMS電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。

3)COMS電路的鎖定效應(yīng)：

COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，COMS的內(nèi)部電流能達到40mA以上，很容易燒毀芯片。

防御措施： 1)在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過不超過規(guī)定電壓。

2)芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓。

3)在VDD和外電源之間加線流電阻，即使有大的電流也不讓它進去。

4)當(dāng)系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關(guān)要按下列順序：開啟時，先開啟COMS電路得電源，再開啟輸入信號和負載的電源;關(guān)閉時，先關(guān)閉輸入信號和負載的電源，再關(guān)閉COMS電路的電源。

6，COMS電路的使用注意事項

1)COMS電路時電壓控制器件，它的輸入總抗很大，對干擾信號的捕捉能力很強。所以，不用的管腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個恒定的電平。

2)輸入端接低內(nèi)組的信號源時，要在輸入端和信號源之間要串聯(lián)限流電阻，使輸入的電流限制在1mA之內(nèi)。

3)當(dāng)接長信號傳輸線時，在COMS電路端接匹配電阻。

4)當(dāng)輸入端接大電容時，應(yīng)該在輸入端和電容間接保護電阻。電阻值為R=V0/1mA.V0是外界電容上的電壓。

5)COMS的輸入電流超過1mA，就有可能燒壞COMS。

7，TTL門電路中輸入端負載特性(輸入端帶電阻特殊情況的處理)：

1)懸空時相當(dāng)于輸入端接高電平。因為這時可以看作是輸入端接一個無窮大的電阻。

2)在門電路輸入端串聯(lián)10K電阻后再輸入低電平，輸入端出呈現(xiàn)的是高電平而不是低電平。因為由TTL門電路的輸入端負載特性可知，只有在輸入端接的串聯(lián)電阻小于910歐時，它輸入來的低電平信號才能被門電路識別出來，串聯(lián)電阻再大的話輸入端就一直呈現(xiàn)高電平。這個一定要注意。COMS門電路就不用考慮這些了。

8，TTL電路有集電極開路OC門，MOS管也有和集電極對應(yīng)的漏極開路的OD門，它的輸出就叫做開漏輸出。

OC門在截止時有漏電流輸出，那就是漏電流，為什么有漏電流呢?那是因為當(dāng)三機管截止的時候，它的基極電流約等于0，但是并不是真正的為0，經(jīng)過三極管的集電極的電流也就不是真正的 0，而是約0。而這個就是漏電流。開漏輸出：OC門的輸出就是開漏輸出;OD門的輸出也是開漏輸出。它可以吸收很大的電流，但是不能向外輸出的電流。所以，為了能輸入和輸出電流，它使用的時候要跟電源和上拉電阻一齊用。OD門一般作為輸出緩沖/驅(qū)動器、電平轉(zhuǎn)換器以及滿足吸收大負載電流的需要。

9，什么叫做圖騰柱，它與開漏電路有什么區(qū)別?

TTL集成電路中，輸出有接上拉三極管的輸出叫做圖騰柱輸出，沒有的叫做OC門。因為TTL就是一個三級關(guān)，圖騰柱也就是兩個三級管推挽相連。所以推挽就是圖騰。一般圖騰式輸出，高電平400UA，低電平8MA。

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