嵌入式系統(tǒng)的接口類型

1、根據(jù)數(shù)據(jù)的通信形式，嵌入式系統(tǒng)接口可以分為串行數(shù)據(jù)傳輸接口和并行數(shù)據(jù)傳輸接口兩種形式。串行數(shù)據(jù)傳輸接口又分為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸接口和模擬數(shù)據(jù)傳輸接口兩種形式，即通過數(shù)據(jù)線上的信號形式來進行劃分，目前使用的大多數(shù)串行數(shù)據(jù)傳輸接口均為數(shù)字式。串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸接口又有單極性/雙極性、差分/非差分、同步/異步、全雙工/半雙工、歸零/非歸零之分；模擬數(shù)據(jù)傳輸接口又有幅值鍵控ASK（Amplitude-Shift Keying）、頻移鍵控FSK（Frequency-Shift Keying）、相移鍵控PSK（Phase-Shift Keying）之分。單極性/雙極性是指數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)時的電平情況，差分信號傳輸則

2、需要兩根數(shù)據(jù)線，兩根數(shù)據(jù)線上的電平完全相反，當(dāng)有外部干擾信號時，仍然能夠通過兩個電平完全相反的信號得到正確的數(shù)據(jù)，因此差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸能夠有效地抵制干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。同步/異步是指收發(fā)雙方是否需要同步時鐘信號。全雙工/半雙工是針對接收與發(fā)送能否同時完成而言，能夠同時收發(fā)的就是全雙工形式，否則就是半雙工形式。要實現(xiàn)全雙工串行數(shù)據(jù)收發(fā)需要收發(fā)各一路信號，而半雙工收發(fā)數(shù)據(jù)可以共用一路信號。歸零是指每一位二進制信息傳輸后均返回到零電平。根據(jù)以上介紹，很容易對常見的串行接口進行劃分。如UART RS-232-C接口是雙極性、非歸零、全雙工異步串行接口。I2C、JTAG、1-Wire接口是單極性、非歸

3、零、半雙工串行接口。USB、1394、RS-485、CAN、EMAC等接口是非歸零、差分串行接口。對更詳細(xì)的分類感興趣的讀者可以自己歸納總結(jié)。從實現(xiàn)的功能上接口類型還可以分為人機通信接口、工業(yè)板卡接口、現(xiàn)場總線接口等多種形式。常見的嵌入式接口及其類型劃分如圖7-1所示。7.2 嵌入式系統(tǒng)的電平匹配由于外部設(shè)備種類豐富，當(dāng)外部設(shè)備與微處理器之間通過接口進行連接時往往存在接口類型匹配、電平匹配、通信速度匹配、數(shù)據(jù)格式匹配等一系列匹配問題。一項不匹配都有可能導(dǎo)致通信無法進行或者造成通信錯誤。因此本節(jié)主要介紹與嵌入式接口應(yīng)用最基礎(chǔ)的電平匹配問題。7.2.1 電平匹配概述在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的

4、邏輯器件相互連接時會存在三個主要問題：第一是加到輸入和輸出引腳上的最大允許電壓的限制問題；第二是兩個電源之間的電流互串問題；第三是必須滿足輸入轉(zhuǎn)換門限電平的問題。這些問題都是在嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計中需要首先考慮的問題。1電平類型及主要參數(shù)電平是指能夠被識別成一定邏輯信號的一個電壓范圍，在外部設(shè)備與嵌入式微處理器的接口應(yīng)用中，涉及的電平可能有很多種，因此電平匹配問題是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中芯片之間能夠相互連接、協(xié)同工作的基礎(chǔ)。電平匹配問題在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中非常常見，隨著低電壓器件的增多，在嵌入式系統(tǒng)中往往存在著很多不同工作電壓的器件，如嵌入式微處理器的工作電壓為3.3V，而AD、DA、液晶屏等外部器件工

5、作電壓為5V，工作電壓不同，相應(yīng)的接口往往具有不同的邏輯電平，這時就需要考慮之前所提到的三個問題。常用的邏輯電平有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、CML、ECL、PECL、LVPECL、 LVDS、GTL、RS-232、RS-422等多種，其中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。5V TTL和5V CMOS邏輯電平是通用的邏輯電平。ECL/PECL/LVPECL、CML和LVDS是差分輸入輸出。RS-422/485和RS-232是串口的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-422/485是差分輸入輸出，RS-232是單端輸入輸出。在邏輯電平

6、的匹配問題中的主要參數(shù)如下：（1）輸入高電平（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(rèn)為輸入電平為高電平：（2）輸入低電平（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(rèn)為輸入電平為低電平：（3）輸出高電平（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（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）閥值電平(Vt)：數(shù)字電路芯片都存在一個閾值電平，就是電路剛剛勉

7、強能翻轉(zhuǎn)動作時的電平。它是一個界于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 Vih Vt Vil Vol。表7-1給出了常用電平的主要參數(shù)，因此在涉及電平匹配的應(yīng)用設(shè)計中最主要的就是要考慮以上的相關(guān)參數(shù)，這是電平能否被識別的基礎(chǔ)。當(dāng)然不同類型的電平還具有各自的特點，這將在下面進行分別介紹。2TTL電平與CMOS電平在選用74系列芯片時，經(jīng)常出現(xiàn)同一種類型的芯片有多種型號的情況，如74HC595、74LS595、74LVC595、74HCT595等多種，這些芯片的功能往往是相同的，不同的是具體

8、性能的差別，如功耗、速度、驅(qū)動能力等，因此這里不得不提到最常見的兩種電平TTL與CMOS的區(qū)別。在常用的芯片中絕大多數(shù)都是采用這兩種類型的電平，74系列的芯片是一個典型的代表。在嵌入式微控制器中，其I/O口根據(jù)設(shè)計的不同，同一芯片中可能同時存在這兩種形式的電平。TTL（Transistor-Transistor Logic）全名是晶體管-晶體管邏輯電路，是一種電流型驅(qū)動器件，主要有54/74系列標(biāo)準(zhǔn)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）五個系列。對于大部分采用5V電源供電的TTL電平器件來說，根據(jù)以上

9、介紹的主要參數(shù)，輸出高電平Voh2.4V，輸出低電平Vol0.4V，輸入高電平Vih2.0V，輸入低電平Vil0.8V。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互補金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種電壓型驅(qū)動器件，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。輸出高電平Voh4.45V；輸出低電平Vol0.5V；輸入高電平Vih3.5V；輸入低電平Vil1.5V。TTL與CMOS的主要區(qū)別：（1）TTL電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件。（2）TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短（510ns），但功耗大。（3）C

10、MOS電路的速度慢，傳輸延遲時間長（2550ns），但功耗低。（4）CMOS相對TTL有了更大的噪聲容限，輸入阻抗遠大于TTL輸入阻抗。3TTL與CMOS芯片的使用在同樣5V電源電壓情況下，CMOS電路可以直接驅(qū)動TTL，因為CMOS的輸出高電平大于2.0V，輸出低電平小于0.8V；而TTL電路則不能直接驅(qū)動 CMOS電路，TTL的輸出高電平為大于2.4V，如果落在2.43.5V之間，則CMOS電路就不能檢測到高電平，低電平小于0.4V滿足要求，所以在TTL電路驅(qū)動CMOS電路時需要加上拉電阻。如果出現(xiàn)不同電壓電源的情況，也可以通過上面的方法進行判斷。如果電路中出現(xiàn)3.3V的CMOS電路去驅(qū)動

11、5V CMOS電路的情況，如3.3V單片機去驅(qū)動74HC，這種情況有以下幾種方法解決，最簡單的就是直接將74HC換成74HCT（74系列的輸入輸出在下面有介紹）的芯片，因為3.3V CMOS 可以直接驅(qū)動5V的TTL電路；或者加電壓轉(zhuǎn)換芯片；還有就是把單片機的I/O口設(shè)為開漏，然后加上拉電阻到5V，這種情況下得根據(jù)實際情況調(diào)整電阻的大小，以保證信號的上升沿時間。CMOS電路的使用有以下幾點需要注意：（1）CMOS電路是電壓控制器件，它的輸入總阻抗很大，對干擾信號的捕捉能力很強。所以，不用的引腳不要懸空，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)阻的信號源時，要在輸入端和信

12、號源之間串聯(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CMOS電路端接匹配電阻。（4）當(dāng)輸入端接大電容時，應(yīng)該在輸入端和電容之間接保護電阻。電阻值為R=V0/1mA，V0是外界電容上的電壓。（5）CMOS的輸入電流超過1mA，就有可能燒壞CMOS。74系列集成電路大致可分為6大類：（1）74（標(biāo)準(zhǔn)型）；（2）74LS（低功耗肖特基型）；（3）74S（肖特基型）；（4）74ALS（先進低功耗肖特基型）；（5）74AS（先進肖特基型）；（6）74F（高速）。近年來還出現(xiàn)了高速CMOS電路的74系列，該系列可分為3大類：（1）HC為CMOS工作電平。（2）HCT為TTL工作

13、電平，可與74LS系列互換使用。（3）HCU適用于無緩沖級的CMOS電路。不同的74系列產(chǎn)品，只要后邊的標(biāo)號相同，其邏輯功能和引腳排列就相同。根據(jù)不同的條件和要求可選擇不同類型的74系列產(chǎn)品，比如電路的供電電壓為3V就應(yīng)選擇74HC系列的產(chǎn)品，常用的集中類型的典型參數(shù)如表7-2所示。7.2.2 接口相關(guān)電路及概念1集電極開路輸出在電路中常會遇到漏極開路（Open Drain）和集電極開路（Open Collector）兩種情形。漏極開路電路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏極。同理，集電極開路電路中的“集”就是指三極管的集電極。在數(shù)字電路中，分別簡稱OD門和OC門。典型的集電極開路電路如

14、圖7-2所示。電路中右側(cè)的三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路，左側(cè)的三極管用于反相作用，即左側(cè)輸入“0”時左側(cè)三極管截止，VCC通過電阻加到右側(cè)三極管基極，右側(cè)三極管導(dǎo)通，右側(cè)輸出端連接到地，輸出“0”。加上上拉電阻。因此集電極開路輸出可以用做電平轉(zhuǎn)換，通過上拉電阻上拉至不同的電壓，來實現(xiàn)不同的電平轉(zhuǎn)換。集電極開路輸出還常用做驅(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。將OC門輸

15、出連在一起時，再通過一個電阻接外電源，可以實現(xiàn)“線與”邏輯關(guān)系。只要電阻的阻值和外電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就能做到既保證輸出的高、低電平符合要求，而且輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過大。集電極開路輸出除了可以實現(xiàn)多門的線與邏輯關(guān)系外，通過使用大功率的三極管還可用于直接驅(qū)動較大電流的負(fù)載，如繼電器、脈沖變壓器、指示燈等。2漏極開路輸出和集電極開路一樣，顧名思義，開漏電路就是指從MOSFET的漏極輸出的電路。典型的用法是在漏極外部的電路添加上拉電阻到電源如圖7-3所示。完整的開漏電路應(yīng)由開漏器件和開漏上拉電阻組成。這里的上拉電阻R的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗

16、越小。因此在選擇上拉電阻時要兼顧功耗和速度。標(biāo)準(zhǔn)的開漏腳一般只有輸出的能力。添加其他的判斷電路，才能具備雙向輸入、輸出的能力。很多單片機等器件的I/O就是漏極開路形式，或者可以配置成漏極開路輸出形式，如51單片機的P0口就為漏極開路輸出。在實際應(yīng)用中可以將多個開漏輸出的引腳連接到一條線上，這樣就形成“線與邏輯”關(guān)系。注意這個公共點必須接一個上拉電阻。當(dāng)這些引腳的任一路變?yōu)檫壿?后，開漏線上的邏輯就為0了。在I2C等接口總線中就用此法判斷總線占用狀態(tài)。同集電極開路一樣，利用外部電路的驅(qū)動能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動。當(dāng)IC內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時，驅(qū)動電流是從外部的VCC流經(jīng)上拉電阻，再經(jīng)MOSFET

17、到GND。IC內(nèi)部僅需很小的柵極驅(qū)動電流，因此漏極開路也常用于驅(qū)動電路中。3推挽輸出在功率放大器電路中經(jīng)常采用推挽放大器電路，這種電路中用兩只三極管構(gòu)成一級放大器電路，如圖7-4所示。兩只三極管分別放大輸入信號的正半周和負(fù)半周，即用一只三極管放大信號的正半周，用另一只三極管放大信號的負(fù)半周，兩只三極管輸出的半周信號在放大器負(fù)載上合并后得到一個完整周期的輸出信號。推挽放大器電路中，一只三極管工作在導(dǎo)通、放大狀態(tài)時，另一只三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入信號變化到另一個半周后，原先導(dǎo)通、放大的三極管進入截止，而原先截止的三極管進入導(dǎo)通、放大狀態(tài)，兩只三極管在不斷地交替導(dǎo)通放大和截止變化，所以稱為推挽放大

18、器。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。4上拉電阻與下拉電阻在嵌入式接口的相關(guān)應(yīng)用中經(jīng)常提到上拉電阻與下拉電阻。顧名思義，上拉電阻就是把端口連接到電源的電阻，下拉電阻就是把端口連接到地的電阻。雖然電路形式非常簡單，然而上拉電阻與下拉電阻在很多場合卻發(fā)揮著非常重要的作用。簡單地說，上拉電阻的主要作用在于提高輸出信號的驅(qū)動能力、確定輸入信號的電平（防止干擾）等，具體的表現(xiàn)為：（1）當(dāng)TTL電路驅(qū)動COMS電路時，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平（一般為3.5V），這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。（2）OC門電路必須加上拉電阻，以提高輸出的

19、高電平值。（3）為加大輸出引腳的驅(qū)動能力，有的單片機引腳上也常使用上拉電阻。（4）在CMOS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的引腳不能懸空，一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。（5）芯片的引腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗干擾能力。（6）提高總線的抗電磁干擾能力。引腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。（7）長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效抑制反射波干擾。上拉電阻阻值的選擇原則包括：（1）從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；電阻大，電流小。（2）從確保足夠的驅(qū)動電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小；電阻小，電流大。（3）對于高

20、速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。綜合考慮以上三點，通常在110KW之間選取。對下拉電阻也有類似道理。5嵌入式微控制器的I/O配置上面介紹了嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計中相關(guān)的接口電路和概念，嵌入式微控制器的I/O是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中最常用到的接口，很多微控制器的I/O口可以進行靈活配置，以本書介紹的STM32F10x為例，STM32F10x的I/O可以配置成如表7-3所示的八種模式。因此在I/O的應(yīng)用中更為靈活。STM32F10x端口位的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用在第6章中已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，很多微控制器的端口和STM32類似，需要在不同的應(yīng)用情形下，根據(jù)開漏輸出和推挽輸出的特點，靈活地配置工作模式。7.2.

21、3 電平匹配的電路設(shè)計電平匹配電路的設(shè)計需要根據(jù)實際應(yīng)用靈活選擇，在本節(jié)以常用的3.3V和5V的電平匹配為例，來講解不同應(yīng)用環(huán)境下電平匹配電路的設(shè)計。1直接連接雖然電平不同，但是能夠直接連接就再好不過，能夠直接連接需要滿足以下幾種情形。（1）3.3V輸出連接5V器件。 3.3V輸出的Voh大于5V輸入的Vih； 3.3V輸出的Vol小于5V輸入的Vil。通過表7-1中常用電平的參數(shù)可知，能夠使用這種方法的例子之一是將 3.3V LVCMOS輸出連接到5V TTL輸入。（2）5V器件輸出連接3.3V器件。通過表7-1中常用電平的參數(shù)可知通常5V輸出的Voh為4.7V，Vol為0.5V；而通常3.

22、3V LVCMOS和LVTTL輸入的Vih為2V左右，Vil為0.8V左右。因此當(dāng)5V輸出驅(qū)動為低電平時，電路連接不會有問題，而當(dāng)5V輸出為高電平時，4.7V的Voh大于2.1V的Vih，所以，我們可以直接把兩個引腳相連，不會有沖突，但是很重要的一個前提是芯片I/O能夠容忍5V的電壓，對于本書所介紹的STM32來說部分I/O是容忍5V的，因此在很多應(yīng)用中可以直接連接。2使用MOSFET或者三極管轉(zhuǎn)換如果5V輸入的Vih比3.3V CMOS器件的Voh要高，則驅(qū)動任何這樣的5V輸入就需要額外的電路。圖7-5所示為低成本的雙元件解決方案。在選擇R1的阻值時，需要考慮兩個參數(shù)，即：輸入的開關(guān)速度和R

23、1上的電流消耗。當(dāng)把輸入從0切換到1時，需要計入因R1形成的RC時間常數(shù)而導(dǎo)致的輸入上升時間、5V輸入的輸入容抗，以及電路板上任何的雜散電容。輸入開關(guān)速度可通過下式計算：由于輸入容抗和電路板上的雜散電容是固定的，提高輸入開關(guān)速度的唯一途徑是降低R1的阻值。而降低R1阻值以獲取更短的開關(guān)時間，卻是以增大5V輸入為低電平時的電流消耗為代價的。通常，切換到0要比切換到1的速度快得多，因為N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻要遠小于R1。另外，在選擇N溝道MOSFET時，所選MOSFET的VGS應(yīng)低于3.3V輸出的Voh。使用三極管也可以完成同樣的功能，由于三極管為電流型驅(qū)動，因此需要在輸入端加入限流電阻，其

24、他電路結(jié)構(gòu)與MOSFET一致，一樣需要考慮電平轉(zhuǎn)換速度的問題。在STM32的應(yīng)用中，針對這種情況，還可以把I/O設(shè)置為開漏輸出，然后在片外使用電阻上拉到5V，其原理和上面介紹的一致，只不過用的是內(nèi)部的MOSFET結(jié)構(gòu)。圖7-5 使用MOSFET的電平轉(zhuǎn)換電路3使用電阻分壓既然是分壓，針對的當(dāng)然就是高電壓輸出到低電壓的情形。通常，輸出端源電阻RS非常?。ㄐ∮?0W），如果選擇的R1遠大于RS，那么可以忽略RS對R1的影響。在接收端，負(fù)載電阻RL非常大（大于500kW），如果選擇的R2遠小于RL，那么可以忽略RL對R2的影響。電路圖如圖7-6所示。在功耗和瞬態(tài)時間之間存在取舍權(quán)衡。為了使接口電流的

25、功耗需求最小，串聯(lián)電阻R1和R2應(yīng)盡可能大。但是，負(fù)載電容（由雜散電容CS和3.3V器件的輸入電容CL合成）可能會對輸入信號的上升和下降時間產(chǎn)生不利影響。如果R1和R2過大，上升和下降時間可能會過長而無法接受。如果忽略RS和RL的影響，代入電壓值，R1和R2的值由下面的公式確定。普通應(yīng)用中可以根據(jù)經(jīng)驗取值，在對引腳時間要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用中還必須計算電平的上升與下降時間。4使用二極管補償從表7-1可以看出，5V CMOS輸入的高、低輸入電壓閾值均比3.3V輸出的閾值高約1伏。因此，即使來自3.3V系統(tǒng)的輸出能夠被補償，留給噪聲或元件容差的余地也很小或沒有。我們需要的是能夠補償輸出并加大高低輸出電

26、壓差的電路。設(shè)計一個二極管補償電路（見圖7-7），二極管D1的正向電壓（典型值0.7V）將會使輸出低電壓上升，在5V CMOS輸入得到1.11.2V的低電壓。它安全地處于5V CMOS輸入的低輸入電壓閾值之下。輸出高電壓由上拉電阻和連至3.3V電源的二極管D2確定。這使得輸出高電壓大約比3.3V電源高0.7V，也就是4.04.1V，很安全地在5V CMOS 輸入閾值（3.5V）之上。為了使電路工作正常，上拉電阻必須顯著小于5V CMOS輸入的輸入電阻，從而避免由于輸入端電阻分壓器效應(yīng)而導(dǎo)致的輸出電壓下降。上拉電阻還必須足夠大，從而確保加載在3.3V輸出上的電流在器件規(guī)范之內(nèi)。5電壓鉗位連接很多

27、廠商都使用鉗位二極管來保護器件的I/O引腳，防止引腳上的電壓超過最大允許電壓規(guī)范。鉗位二極管使引腳上的電壓不會低于Vss 超過一個二極管壓降，也不會高于VDD超過一個二極管壓降。要使用鉗位二極管來保護輸入，仍然要關(guān)注流經(jīng)鉗位二極管的電流。流經(jīng)鉗位二極管的電流應(yīng)該始終比較?。ㄔ谖矓?shù)量級上）。如果流經(jīng)鉗位二極管的電流過大，就存在部件閉鎖的危險。由于5V輸出的源電阻通常在10W左右，因此仍需串聯(lián)一個電阻，限制流經(jīng)鉗位二極管的電流，如圖7-8所示，圖中是利用芯片內(nèi)部的鉗位二極管，如果芯片I/O結(jié)構(gòu)中不帶有鉗位二極管也可以在外部等效地添加鉗位二極管。使用串聯(lián)電阻的后果是降低了輸入開關(guān)的速度。使用二極管

28、鉗位有一個問題，即它將向3.3V電源注入電流。在具有高電流5V輸出且輕載3.3V電源軌的設(shè)計中，這種電流注入可能會使3.3V電源電壓超過3.3V。為了避免這個問題，可以用一個三極管來替代，三極管使過量的輸出驅(qū)動電流流向地，而不是3.3V電源。設(shè)計的電路如圖7-9所示。Q1的基極-發(fā)射極結(jié)所起的作用與二極管鉗位電路中的二極管相同。區(qū)別在于，發(fā)射極電流只有百分之幾流出基極進入3.3V軌，絕大部分電流都流向集電極，再從集電極無害地流入地?；鶚O電流與集電極電流之比，由晶體管的電流增益決定，通常為10400V，取決于所使用的晶體管。6使用電壓比較器使用電壓比較器也是非常直接的一種方案，缺點是每一路信號需

29、要使用一路運放或者電壓比較器，電路略微復(fù)雜。比較器的基本工作原理如下：（1）反相（-）輸入電壓大于同相（+）輸入電壓時，比較器輸出切換到Vss。（2）同相（+）輸入端電壓大于反相（-）輸入電壓時，比較器輸出為高電平。為了保持3.3V輸出的極性，3.3V輸出必須連接到比較器的同相輸入端。比較器的反相輸入連接到由R1和R2確定的參考電壓處，如圖7-10所示。R1和R2之比取決于輸入信號的邏輯電平。對于3.3V輸出，反相電壓應(yīng)該置于VOL與VOH之間的中點電壓。對于LVCMOS輸出，中點電壓為：圖7-10 使用電壓比較器的電平轉(zhuǎn)換電路如果R2取值1K則R1取值1.8K。要使運算放大器在5V供電下正常

30、工作，輸出必須具有軌到軌驅(qū)動能力。7使用電平轉(zhuǎn)換器件雖然本節(jié)中介紹了多種使用分立器件的電平轉(zhuǎn)換方法，但是如果針對過多的電平轉(zhuǎn)換，無疑會增加電路設(shè)計的復(fù)雜程度，而且以上轉(zhuǎn)換多數(shù)還是單方向電平轉(zhuǎn)換，在各種參數(shù)上也受到諸多限制，在這種情況下使用多通道電平轉(zhuǎn)換芯片則是最好的選擇。電平轉(zhuǎn)換器的使用范圍比較廣泛：有單向和雙向配置、不同的轉(zhuǎn)換電壓和速度，在實際使用中需要根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇最佳的方案。器件之間的板級通信（例如，MCU至外設(shè)）往往通過SPI或I2C來進行，這是最常見的。對于SPI，使用單向電平轉(zhuǎn)換器比較合適；對于I2C，就需要使用雙向解決方案。常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有SN74ALVC164245等

31、。7.3 嵌入式系統(tǒng)通信形式的匹配不同的外部設(shè)備在同嵌入式微處理器相連接時，即使是同一類型的接口也往往存在著通信速度、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型等一系列的問題，而嵌入式處理器在設(shè)計時為了適應(yīng)不同的外部設(shè)備，其端口大多可以根據(jù)實際外部設(shè)備的需求而通過寄存器對接口的工作方式進行靈活配置，因此在進行嵌入式系統(tǒng)的接口應(yīng)用方面的設(shè)計時，要根據(jù)連接的外設(shè)弄清楚接口的工作方式并清楚微處理器對應(yīng)的接口配置。通信速度匹配，不同功能的外設(shè)對通信速度有著不同的要求，在異步通信中具有不同通信速度的設(shè)備之間是無法通信的，如UART、485總線、CAN總線等。在能夠正常進行通信的情況下，速度的選擇也要視情況而定，例如高速AD，由

32、于有著大數(shù)據(jù)量的模擬量采集，因此需要很高的通信速度來完成采集數(shù)據(jù)的傳輸，而像微型打印機之類的設(shè)備，通信的數(shù)據(jù)量則非常有限，因此針對不同的應(yīng)用通信速度需要根據(jù)實際應(yīng)用綜合考慮。數(shù)據(jù)格式匹配，數(shù)據(jù)位數(shù)是8位還是16位，在串行通信中，發(fā)送數(shù)據(jù)時高位在前還是低位在前，同步串行通信中采樣時間是在時鐘信號上升沿還是下降沿，這些都是在通信中可能遇到的格式問題。在絕大多數(shù)微控制器中都可以通過配置寄存器的方式對這些進行靈活配置，微控制器與外部設(shè)備連接時一定要弄清楚外部設(shè)備接口詳細(xì)的數(shù)據(jù)格式，并做出針對性的配置。7.4 嵌入式系統(tǒng)的電氣隔離7.4.1 電氣隔離概述1電氣隔離的必要性電氣隔離的主要目的是通過隔離元器

33、件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制干擾保護電路不受危險電壓和電路危害的效果，使電子電氣設(shè)備符合電磁兼容性的要求，同時提升設(shè)備的可靠性。由于有的嵌入式系統(tǒng)需要工作在環(huán)境較為惡劣的環(huán)境中，可能受到電網(wǎng)諧波、雷擊浪涌、高頻干擾、電磁干擾等各種形式的干擾，因此，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程中需要設(shè)計各種抗干擾措施，而電氣隔離是最重要，也是普遍需要的一種抗干擾方式。將嵌入式系統(tǒng)或者嵌入式系統(tǒng)的主要控制電路與供電電源、大功率設(shè)備、主要通信接口等進行電氣隔離，可以有效保證嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定運行。例如嵌入式系統(tǒng)通過隔離電源，即與供電電源隔離就可以避免供電電源中的諧波、脈沖等干擾，如果嵌入式控制器控制一些大功率設(shè)備，則

34、可以將兩者電源和控制信號分別進行隔離，這樣可以避免大功率設(shè)備運行過程中造成電壓波動、產(chǎn)生干擾等對微控制器造成影響。2需要電氣隔離的場合采用隔離技術(shù)的場合主要有兩種：一種是在有可能存在損壞設(shè)備或危害人員的應(yīng)用中進行電氣隔離，如醫(yī)療上的應(yīng)用、電動機控制、總線隔離等方面。第二種情況是：必須避免存在不同電位和分裂的接地回路的互聯(lián)。兩種情況都是采用隔離來避免電流流過，而允許兩點之間有數(shù)據(jù)或者功率傳送。在許多嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，經(jīng)常需要數(shù)據(jù)鏈路之間進行非直接的導(dǎo)電連接，從而避免來自系統(tǒng)某一部分的危險電壓（或電流）對其他部分造成破壞，或者避免系統(tǒng)中某一部分電路損壞時連帶對其他電路造成影響和破壞，從而使整個系

35、統(tǒng)癱瘓。造成這種破壞的原因可能是電源供電故障、接地故障、雷擊和浪涌等情況。此外，在通信節(jié)點的通信系統(tǒng)中，不同的節(jié)點可能位于不同的區(qū)域，并采用獨立的供電系統(tǒng)，這些區(qū)域之間的電位差（可能含有DC偏壓、AC諧波和各種瞬態(tài)噪聲等）也有可能造成破壞。在實際工程應(yīng)用中，還有可能發(fā)生通信電纜損壞以及人為的一些錯誤等，使通信線路出現(xiàn)重大錯誤，如果各通信節(jié)點沒有和通信線路之間進行隔離則有可能出現(xiàn)通信節(jié)點的損壞，因此在嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用中，需要和多個節(jié)點進行通信的通信接口一般是需要進行電氣隔離的。3電氣隔離的類型根據(jù)隔離的信號類型不同，電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離

36、。所使用的隔離方法有：變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D轉(zhuǎn)換器隔離法等多種，本節(jié)將介紹在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的幾種隔離方法。7.4.2 供電系統(tǒng)的隔離1交流供電系統(tǒng)的隔離由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波，雷擊浪涌，高頻干擾等噪聲，所以對由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設(shè)備，都應(yīng)采取抑制來自交流電源干擾的措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因為，雖然一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側(cè)的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?cè)，有

37、隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵芯之間，繞組之間，層匝之間和引線之間）的存在，交流電網(wǎng)中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側(cè)。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設(shè)備的電磁兼容性。隨著技術(shù)的進步，國外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器（Noise Cutout Transformer，簡稱NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結(jié)構(gòu)，鐵芯材料，形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應(yīng)到二次側(cè)，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。

38、由于在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，主要的控制電路部分都采用直流電源，因此在普通的應(yīng)用中交流供電的隔離只需要普通的變壓器即可，在有特殊需求的系統(tǒng)中需要額外考慮。2直流供電系統(tǒng)的隔離當(dāng)控制裝置和電子電氣設(shè)備的內(nèi)部子系統(tǒng)之間需要相互隔離時，它們各自的直流供電電源間也應(yīng)該相互隔離，其隔離方式如下：第一種是在交流側(cè)使用隔離變壓器；第二種是使用DC/DC隔離變換器。使用隔離變壓器的設(shè)計示意電路如圖7-11所示。此種方式適用于系統(tǒng)使用交流供電的場合，需要進行隔離的電路通過不同的變壓器與交流電源連接，每個電路有自己獨立的整流、變壓等電路。這種方式的缺點是普通變壓器體積較大，同時會增加電路的設(shè)計成本，而且只適用于系統(tǒng)采

39、用交流供電的場合。圖7-11 使用變壓器進行的直流供電系統(tǒng)隔離DC/DC隔離變換器具有體積小，使用靈活等優(yōu)點，在嵌入式系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用，目前很多公司都推出了不同功率和隔離級別的DC/DC 隔離變換器，可以適合各種場合的應(yīng)用。如圖7-12所示，為MORNSUN PWE_D-6W & PWF_D-6W系列DC/DC隔離電源模塊，該系列模塊產(chǎn)品特點如下：（1）效率高達84%；（2）工作溫度：-40+85；（3）隔離電壓3000VDC；（4）輸出短路保護（自恢復(fù)）；（5）內(nèi)部貼片化設(shè)計；（6）國際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式；（7）MTBF1 000 000 h；（8）符合RoHS指令；（9）高低溫特性好，滿足

40、工業(yè)級產(chǎn)品技術(shù)要求。圖7-12 DC/DC電源模塊7.4.3 數(shù)字信號的隔離數(shù)字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)場總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設(shè)備中，尤其是一些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號和開關(guān)量信號的傳輸。數(shù)字隔離器件的生產(chǎn)商很多，如安華高的HCPL系列、TI的ISO72XX系列、ADI的ADuM12/14XX系列、NVE的ILXX系列、芯科實驗室的SI84XX等公司，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛應(yīng)用。依照數(shù)字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結(jié)構(gòu)和傳輸原理，數(shù)字隔離電路主要分為光電隔離、電磁隔離及電容隔離技術(shù)的數(shù)字隔離器件。在進行數(shù)字信號的隔離時應(yīng)該從以下三個方面綜合考慮：（

41、1）通信速度：不同的隔離方式有不同的通信速度限制，由于不同的數(shù)字接口可能有較大的速度差異，而較快通信速度的通信接口隔離成本也較高，因此應(yīng)該根據(jù)實際的應(yīng)用需求選擇合適的隔離方式。（2）功耗限制：不同的隔離方式功耗差別較大，比如光電隔離，由于是使用LED發(fā)光的方式傳遞信號，因此相應(yīng)的功率較大，在數(shù)字信號路數(shù)較多時應(yīng)當(dāng)考慮相應(yīng)的功耗問題。（3）電路設(shè)計復(fù)雜程度：有的隔離期間需要通過一些外部電路的配合才能夠?qū)崿F(xiàn)隔離信號的傳遞，如果單路信號的隔離電路較為復(fù)雜，那么在數(shù)字信號路數(shù)過多時就會增加電路設(shè)計的復(fù)雜程度。下面就結(jié)合上面所介紹的幾個方面分別介紹一下幾種常見隔離方式的工作原理以及應(yīng)用電路。1光電隔離光

42、電隔離器（Optoelectronic Isolator，簡稱OC）也稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層（例如空氣間隙）上的光傳輸，完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。是應(yīng)用最為廣泛的隔離方式。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻

43、元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利

44、用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。最為常用的光電隔離電路如圖7-13所示，應(yīng)用最為普遍的光電耦合器如東芝TLP521等都可以使用此電路，電路的輸入端使用一個限流電阻，輸出端使用一個分壓電阻，當(dāng)左側(cè)輸入端輸出高電平點亮LED，右側(cè)接收到光信號后電阻變小，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平，如果要使輸入輸出端電平狀態(tài)一致，可以將左側(cè)改為灌電流輸入的方式或者將右側(cè)分壓電阻接地連接。此電路還可以用于電平的轉(zhuǎn)換，LED發(fā)射端通過限流電阻的配合可以承受比較寬的電壓范圍，因此可以實現(xiàn)不同的工作電壓電平轉(zhuǎn)換，這種形式經(jīng)常應(yīng)用于一些開關(guān)量控制或讀取的電路中。由于很

45、多功率驅(qū)動電路經(jīng)常需要進行電氣隔離，因此將驅(qū)動電路與光電耦合器結(jié)合就成為具備功率驅(qū)動功能的光耦，如東芝公司的TLP250，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所圖7-14如示。光耦采用8腳DIP封裝，有一個光耦和一個推挽輸出電路組成，最大可以輸出1.5A電路，可以直接驅(qū)動IGBT、MOSFET等功率器件，極大方便了電路的設(shè)計，類似的產(chǎn)品還有安捷倫公司的HCPL-3120具備最大2.5A的輸出電流。普通的光電耦合器由于完成光電轉(zhuǎn)換需要一定的時間，只適合在通信速率要求不高的情況下使用，如上文介紹的TLP521，在串口應(yīng)用中9600以下的波特率還能夠正常工作，再高的波特率就無法使用，因此在需要對高速信號進行隔離的場合需要使用

46、針對高速隔離設(shè)計的高速光耦，6N137光耦合器是最常見的用于單通道隔離的高速光耦合器，其內(nèi)部由一個850 nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd），5mA的極小輸入電流，轉(zhuǎn)換速率高達10Mbps非常適合用于各種高速通信接口等高速數(shù)字信號的隔離。與6N137類似的還有HCPL-2601/2611，雙通道的HCPL-2630/2631等。其封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-15所示。由于光電耦合隔離本身的一些特點，它還存在幾

47、個比較嚴(yán)重的缺點，同本節(jié)前面介紹的進行隔離設(shè)計所需要考慮的幾個問題，光電隔離技術(shù)的缺點有：（1）功耗大，由于需要LED進行信號的傳輸與轉(zhuǎn)換，LED發(fā)射端需要約10mA的電流，路數(shù)較多時功耗大的缺點尤為明顯。（2）電路設(shè)計復(fù)雜，以電路結(jié)構(gòu)較為簡單的TLP521為例，進行一路信號的隔離就需要使用一個DIP4封裝的芯片和兩個電阻，在進行多路信號的隔離時會使電路設(shè)計、PCB布線更為復(fù)雜。（3）通信速度受限，難以通信速率更高的應(yīng)用。（4）LED老化等影響隔離器件的使用壽命。然而，由于光電隔離具有成本低、使用靈活等優(yōu)勢，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中有廣泛的應(yīng)用，很多情況下仍然是首選的隔離方式。2電磁隔離與光耦合一

48、樣，電感耦合也有較長的應(yīng)用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字器件。電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現(xiàn)通信。變壓器是一個最常見的例子：初級繞組及次級繞組的結(jié)構(gòu)（單位長度的圈數(shù)）、磁芯介電常數(shù)及電流強度決定了磁場強度。電感耦合的優(yōu)勢之一是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個優(yōu)勢是信號能量的轉(zhuǎn)換效率極高，因而可以實現(xiàn)低功耗隔離器。電感耦合的缺點之一是易受外部磁場（噪聲）的干擾。在馬達控制等工業(yè)應(yīng)用在磁場環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個值得關(guān)注的問題是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)游程長度（Data Run-length）（連續(xù)“1”或“0”的數(shù)目）的傳輸。初級繞組與次級

49、繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞一定頻率范圍的信號。數(shù)據(jù)游程長度的限制或時鐘編碼要求信號必須保持在變壓器的可用帶寬范圍內(nèi)。用電感耦合技術(shù)的通用數(shù)字隔離器要求信號處理隨同傳輸?shù)皖l率信號（1或0長字符）的方法共同對數(shù)字信號進行傳輸和重新構(gòu)建。ADI（美國模擬器件公司）推出的iCoupler就使用了編碼功能，并提供了支持從DC到100Mbps運行范圍的數(shù)字隔離解決方案。ADuM磁隔離是對ADI推出的ADuM、ADM系列數(shù)字隔離芯片的統(tǒng)稱，是目前應(yīng)用最為廣泛的電磁隔離系列產(chǎn)品。ADuM磁隔離芯片采用ADI專利的iCoupler技術(shù)，即芯片級變壓器隔離技術(shù)，來實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離傳輸。如圖7-16所

50、示，對于輸入ADuM磁隔離芯片的數(shù)字信號，會先經(jīng)過一個施密特觸發(fā)器進行脈沖信號調(diào)整，使輸入的波形為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波。然后經(jīng)過編碼電路，以邊沿觸發(fā)的形式，將上升沿編碼成一個1ns寬的脈沖；而將下降沿編碼成兩個1ns寬的脈沖。經(jīng)變壓器耦合，然后經(jīng)過解碼電路以相同的原理將信號還原，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器進行脈沖信號調(diào)整后，將信號輸出。圖7-16 ADuM磁隔離內(nèi)部結(jié)構(gòu)此外，ADuM磁隔離芯片還獨具直流較正功能，如果輸入端邏輯電平超過2mS都沒有任何變化，則校正電路會產(chǎn)生一個適當(dāng)極性的校正脈沖，以確保變壓器直流端輸出信號的正確性，如果解碼器一端超過5mS都沒有收到任何校正脈沖，則會認(rèn)為輸入端已經(jīng)掉電或不工作，

51、由看門狗電定時器電路，將輸出端強行置為固定狀態(tài)。這對低速率信號或直流信號具有很重要的意義。電磁耦合的主要缺點是對外部磁場（噪聲）的磁化和受外部磁場干擾，那么ADuM系列在這方面的性能如何呢？iCoupler器件受外部磁場的影響較小，因為變壓器的尺寸極小，其直徑大約只有0.3mm。例如我們將一個頻率為1MHz的電流置于距離iCoupler變壓器5mm遠處，要想破壞iCoupler的性能，其電流必須達到500A。這是一個頻率較高，強度較大的磁場。盡管采用iCoupler器件的系統(tǒng)中包含了發(fā)電動機、電動機和其他涉及到強磁場的設(shè)備，但是還沒有任何一個客戶的應(yīng)用會達到甚至接近這么高的磁場，所以，iCou

52、pler產(chǎn)品抗外部磁場干擾能力極強。ADuM磁隔離芯片采用磁隔離技術(shù)，與光耦的光電轉(zhuǎn)換有本質(zhì)區(qū)別。不僅克服了光耦的體積大、老化、速率低、功耗高等缺點，部分型號還集成了RS-485、RS-232等通信功能。（1）體積?。鹤疃嗉?通道隔離，可降低70%以上PCB面積。iCoupler磁耦產(chǎn)品是用薄片加工技術(shù)制造的，因此，多隔離通道能夠有效地與其他半導(dǎo)體功能結(jié)合起來，例如，圖7-17顯示了一個典型的使用光耦的多路隔離設(shè)備和iCoupler磁耦技術(shù)在尺寸和成本上的比較。在圖中我們可以看到，iCoupler磁耦技術(shù)在整體上的好處是能夠減少40%60%的尺寸和成本。（2）性能高：更高的速率、更快的傳輸時

53、間，瞬態(tài)共模抑制達25kv/m。因采用高速CMOS技術(shù)與芯片級變壓器技術(shù)相結(jié)合，因此在速率、傳輸延遲時間、瞬態(tài)共模抑制等方面均有光耦無法比擬的優(yōu)勢，可整體提升產(chǎn)品性能10倍以上。（3）低功耗：最低可達0.8mA/通道。光耦因需要驅(qū)動發(fā)光二極管，所以一般需要較大的工作電流。而ADuM磁隔離芯片采用CMOS電路，功耗僅相當(dāng)于光耦的1/10。（4）簡化電路：無須限流與上拉電阻。所有的iCoupler磁耦產(chǎn)品都有標(biāo)準(zhǔn)的CMOS數(shù)字輸入輸出接口，因此，沒有外部組成部分需要通過其他數(shù)字設(shè)備連接到磁耦。此外，iCoupler磁耦產(chǎn)品的性能在溫度，電壓和整個壽命中是極穩(wěn)定的。因此磁耦能夠被快速地被應(yīng)用到任何設(shè)

54、計中而不需要復(fù)雜聯(lián)合的光耦。ADuM系列芯片型號豐富，提供了非常豐富的型號，單向隔離器主要有單通道數(shù)字隔離ADuM1100/3100，雙通道數(shù)字隔離ADuM120X/121X/220X/320X/321X，三通道數(shù)字隔離ADuM130X/131X/330X，四通道數(shù)字隔離ADuM140X/141X/240X/340X/344X以及五通道數(shù)字隔離ADuM1500等，同時還有雙向雙通道數(shù)字隔離器ADuM125X等型號。ADuM系列還具有和收發(fā)器相結(jié)合的隔離型收發(fā)器系列，如隔離型RS-232收發(fā)器ADuM3251E等，隔離型RS-485/422收發(fā)器ADuM2490E等，以及一系列磁耦隔離電源，集成

55、A/D轉(zhuǎn)換器的隔離器件等產(chǎn)品。3電容隔離電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體，即隔離層。電極板的大小、板間距離及電介質(zhì)材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現(xiàn)低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能?？垢蓴_性則使得器件可以在飽和或密集磁場環(huán)境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應(yīng)遠高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現(xiàn)低阻抗而對噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，同樣

56、需要時鐘編碼數(shù)據(jù)。下面以較為常用的TI公司的ISO721電容隔離芯片來簡要說明一下電容隔離的基本原理。ISO721的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-18所示。圖7-18 ISO721內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于電容耦合存在帶寬限制，因此該隔離器輸入分為兩個差分信號路徑：一條為高數(shù)據(jù)速率通道（稱作AC通道），另一條為低數(shù)據(jù)速率通道（稱作DC通道）。AC通道傳輸介于100 kbps和100 Mbps之間的信號，而DC-通道則涵蓋了從100 kbps到DC的范圍。高速信號由AC通道來處理，信號在通道中首先從單端模式轉(zhuǎn)換為差分模式，然后被隔離層的電容-電阻網(wǎng)絡(luò)差分為許多瞬態(tài)。后面的比較器再將這些瞬態(tài)轉(zhuǎn)換為差分脈沖，從而設(shè)置和重

57、置一個“或非”門觸發(fā)器。相當(dāng)于原始輸入信號的觸發(fā)器輸出反饋至判定邏輯（DCL）和輸出多路復(fù)用器。DCL包括一個看門狗定時器，該定時器用于測量信號轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時間。如果兩個連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時間超出定時窗口（如低頻信號的情況下），DCL則指示輸出多路復(fù)用器從AC通道切換到DC通道。由于低頻信號要求大容量電容器，而這種電容器使片上集成變得很困難，因此DC通道的輸入要有脈寬調(diào)制器（PWM）。該調(diào)制器利用一個內(nèi)部振蕩器（OSC）的高頻載波對低頻輸入信號進行調(diào)制。在AC通道中對調(diào)制后信號的處理過程與高頻信號相同。然而，在向輸出多路復(fù)用器提交該信號以前，需通過一個最終低通濾波器（LPF）濾除高頻PWM載

58、波，以恢復(fù)原始、低頻輸入信號。相比其他隔離器技術(shù)，電容隔離器的一個主要優(yōu)點是其DC通道在上電和信號丟失（LOS）事件期間隔離器輸出端擁有正確的輸入極性。缺少這些特性的其他隔離器技術(shù)通常會在上電期間出現(xiàn)輸出突波，或者在信號丟失以前一直保持在最后一個輸入極性。電容隔離的另外一個優(yōu)點是每個電容123毫微微法拉（12310-15F）的超低容量，從而允許極高的數(shù)據(jù)速率傳輸并實現(xiàn)多通道隔離器的微電容幾何尺寸。隔離器電流消耗高度依賴于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比雙通道隔離器，電感型隔離器似乎具有最低的DC電源電流。這是因為該器件只包含2條信號通道。而電容隔離器包含4條通道：2條AC通道和2條DC通道。因此，其DC的電流消耗更高，而且其可靠性也更高，因為在輸入信號丟失的情況下其可確保正確的輸出極性。以上介紹了三種常用的電氣隔離技術(shù)，三種技術(shù)的典型器件對比如表7-4所示。表7-4 三種電氣隔離期間參數(shù)