Vorwort
Wenn wir das FPGA-Projekt einschränken, sehen wir häufig solche Level-Standards wie LVCOM18, LVCOS25, LVDS, LVDS25 usw. Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine Reihe von Level-Standards, um ein tieferes Verständnis der Level-Standards zu erhalten. Die folgenden Auszüge aus dem Buch „The FPGA Way“ dienen der Erläuterung der Level-Standards zum Verständnis.

Dualer Schwellenstandard

Der sogenannte Dual-Threshold-Standard gilt für digitale Schaltkreise. Digitale Schaltkreise repräsentieren nur den Pegel von 1 und 0 in zwei Zuständen. In der tatsächlichen Schaltung müssen Sie sich darauf einigen, welche Art von Spannung für 1 und welche für 0 gilt . Digitale Schaltungen in der Dual-Threshold definiert ist, zum Beispiel die TTL.

Standard auf Schnittstellenebene:

Für Ausgänge ist die Spannungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 2,4 V und die Spannungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,5 V;

Für Eingänge muss Zustand 1 größer oder gleich 2,0 V sein und Zustand 0 muss kleiner oder gleich 0,8 V sein;
Dies bedeutet, dass ein Schwellenwert größer als ein bestimmter Wert erforderlich ist, um Stufe 1 anzuzeigen, und ein Schwellenwert kleiner als ein bestimmter Wert erforderlich ist, um Stufe 0 anzuzeigen.
Einige Standards auf Schnittstellenebene werden im Folgenden ausführlich beschrieben:

TTL
TTL ist ein Akronym für Transistor-Transistor-Logik, und wie Sie aus dem Namen ersehen können, bestand die ursprüngliche Absicht dieses Standards auf Schnittstellenebene darin, zwischen digitalen Systemen verwendet zu werden, die auf Transistorstrukturen basieren.

Digitale Schaltkreise, die nach dem TTL-Schnittstellenstandard arbeiten, sollten eine Standardstromversorgung von 5 V für die internen aktiven Geräte mit den folgenden Ausgangs- und Eingangsbedingungen haben : Für
die Ausgänge ist die Spannungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 2,4 V und der Spannungsbedarf für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,5 V;

Für den Eingangsanschluss ist die Beurteilungsanforderung von Zustand 1 größer oder gleich 2,0 V und die Beurteilungsanforderung von Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,8 V; Vergleich der Ausgangs- und Eingangsspannungsanforderungen,

Es ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannungsanforderungen strenger sind als die der Eingangsseite des Dual-Ventil-Bestimmungsstandards,
was hauptsächlich darin besteht, die Interferenz des Rauschens und die Übertragungsgeschwindigkeit des elektrischen Signals zwischen Ausgang und Eingang zu berücksichtigen , um den Dual-Ventil-Bestimmungsstandard zuverlässiger zu machen.

LVTTL

Da zwischen 2,4 V und 5 V ein großer Abstand besteht, hat dies keinen wesentlichen Vorteil bei der Verbesserung der Rauschinterferenz, erhöht aber auch den Stromverbrauch des Systems und aufgrund des großen Pegelunterschieds zwischen den digitalen Zuständen 1, 0, aber beeinflusst auch die Reaktionsgeschwindigkeit der digitalen Schaltung. Daher wird der TTL-Spannungsbereich später etwas komprimiert, wodurch die LVTTL-Low-Voltage-Transistor-Transistor-Logik, also der Niederspannungs-TTL-Pegelstandard, entsteht. Im Folgenden werden zwei LVTTL-Standards beschrieben, die derzeit allgemein verwendet werden:

LVTTL3V3
LVTTL3V3 bedeutet, dass die Standardstromversorgung für seine internen aktiven Geräte 3,3 V beträgt und die Ausgangs- und Eingangsbedingungen wie folgt sind:
Für den Ausgang ist die Spannungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 2,4 V und die Spannungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,4 V;

Für den Eingang ist die Beurteilungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 2,0 V und die Beurteilungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,8 V;
Aus dem Vergleich der Ausgangs- und Eingangsspannungsanforderungen ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannungsanforderungen immer noch strenger sind als die Eingangsseite der Zweiventilbestimmung des Standards, um die Stabilität der Zweiventilbestimmung und die Störfestigkeit zu gewährleisten. Dieser Punkt gilt für alle Schnittstellenstandards digitaler Systeme und wird später nicht wiederholt.

LVTTL2V5
LVTTL2V5 bedeutet, dass die Standardstromversorgung des internen aktiven Geräts 2,5 V beträgt und der Ausgang und der Eingang wie folgt sind:
Für den Ausgang ist die Spannungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 2,0 V und die Spannungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,2 V;
Für die Eingänge ist die Bestimmungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 1,7 V und die Bestimmungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,7 V.

CMOS
CMOS ist die Abkürzung für Complementary Metal Oxide Semiconductor, und aus der Namensgebung geht hervor, dass die ursprüngliche Absicht dieses Standards auf Schnittstellenebene darin besteht, zwischen digitalen Systemen auf NMOS-Basis und PMOS mit MOS-Röhrenstruktur zu arbeiten.
Digitale Schaltkreise, die nach dem CMOS-Schnittstellenstandard arbeiten, verfügen über eine Standardstromversorgung von 5 V für die internen aktiven Geräte und die Ausgangs- und Eingangsbedingungen sind wie folgt:
Für die Ausgangsseite ist der Spannungsbedarf für Zustand 1 größer oder gleich 4,45 V und der Spannungsbedarf für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,5 V;

Für die Eingangsseite ist die Beurteilungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 3,5 V und die Beurteilungsanforderung für Zustand 0 kleiner oder gleich 1,5 V.

CMOS hat im Vergleich zu TTL-Schnittstellen eine viel größere Rauschtoleranz und seine Eingangsimpedanz ist viel größer als die TTL-Eingangsimpedanz.

LVCOMS
Wie TTL hat auch CMOS den LVCMOS-Schnittstellenstandard hervorgebracht, und zwar aus Gründen des Stromverbrauchs und der Reaktionsgeschwindigkeit. Da MOS-Röhren im Vergleich zu Transistoren eine viel niedrigere Einschaltschwelle haben, ist die Kommunikation mit LVCMOS bei niedrigeren Spannungen einfacher als mit LVTTL. Im Folgenden werden mehrere LVTTL-Standards beschrieben, die heute allgemein verwendet werden:

LVCOMS3V3
LVCMOS3V3 bedeutet, dass die Standardstromversorgung für seine internen aktiven Geräte mit 3,3 V versorgt wird. Die Ausgangs- und Eingangsbedingungen sind wie folgt:
Für die Ausgangsseite ist die Spannungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 3,2 V und die Spannungsbedarf für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,4 V;
Für die Eingänge ist die Bestimmungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 2,0 V und die Bestimmungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,7 V.

LVCOMS2V5
LVCMOS2V5 bedeutet, dass die Standardstromversorgung seines internen aktiven Geräts mit 2,5 V versorgt wird und die Ausgangs- und Eingangsbedingungen wie folgt sind:
Für die Ausgangsseite ist die Spannungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 2,0 V und der Spannungsbedarf für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,4 V;
Für die Eingänge ist die Bestimmungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich 1,7 V und die Bestimmungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,7 V.

LVCOMS1V8
LVCMOS1V8 bedeutet, dass die Standardstromversorgung für sein internes aktives Gerät VCC = 1,8 V beträgt, was natürlich eine gewisse Toleranz aufweist, aber im Gegensatz zum zuvor eingeführten Pegelstandard wirkt sich diese Toleranz auf die Ausgangs- und Eingangsbedingungen aus, die wie folgt eingeführt werden:
Für den Ausgang ist die Spannungsanforderung für Zustand 1 größer oder gleich VCC-0,45 V (oder 1,35 V, wenn VCC genau gleich 1,8 V ist), und die Spannungsanforderung für Zustand 0 ist kleiner oder gleich 0,45 V;
Für die Eingänge erfordert die Bestimmung von Zustand 1 einen Wert größer oder gleich dem 0,65-fachen von VCC (oder 1,17 V, wenn VCC genau gleich 1,8 V ist), und die Bestimmung von Zustand 0 erfordert weniger als oder gleich dem 0,35-fachen von VCC (oder 0,63). V, wenn VCC genau 1,8 V beträgt).

LVCOMS1V5
Die Bedeutung von LVCMOS1V5, dh die Standardstromversorgung für seine internen aktiven Geräte beträgt VCC=1,5 V, und seine Toleranz beeinflusst auch seine Ausgangs- und Eingangsbedingungen, wie unten beschrieben: Für die Ausgangsseite gibt es für
LVCMOS1V5 keine klaren Anforderungen , aber sicherlich ist es umso besser, je näher der Zustand 1 an VCC liegt, und je näher der Zustand 0 an 0 V liegt, desto besser;
Für die Eingangsseite muss die Bestimmung von Zustand 1 größer oder gleich dem 0,65-fachen von VCC sein (oder 0,975 V, wenn VCC genau gleich 1,5 V ist), und die Bestimmung von Zustand 0 muss kleiner oder gleich sein auf das 0,35-fache von VCC (oder 0,525 V, wenn VCC genau 1,5 V entspricht).

LVCOMS1V2
LVCMOS1V2 bedeutet, dass die Standardstromversorgung für seine internen aktiven Geräte mit VCC=1,2 V versorgt wird, und seine Toleranz beeinflusst auch seine Ausgangs- und Eingangsbedingungen, wie unten beschrieben: Für die Ausgangsseite gibt es für
LVCMOS1V2 auch keine klare Anforderung, Aber je näher der Zustand 1 an VCC liegt, desto besser, und je näher der Zustand 0 an 0 V liegt, desto besser.
Für die Eingangsseite muss die Bestimmung von Zustand 1 größer oder gleich dem 0,65-fachen von VCC sein (oder 0,78 V, wenn VCC genau gleich 1,2 V ist), und die Bestimmung von Zustand 0 muss kleiner oder gleich sein auf das 0,35-fache von VCC (oder 0,42 V, wenn VCC genau 1,2 V entspricht).

LVDS
LVDS ist die Abkürzung für Low Voltage Differential Signaling, also Niederspannungs-Differentialsignalisierung. Sein Ein- und Ausgang unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Schnittstellenebenen und es sind zwei Drähte erforderlich, um die Kommunikation abzuschließen. Das Funktionsprinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Fügen Sie hier eine Bildbeschreibung ein
Der linke Teil der obigen Abbildung ist der LVDS-Ausgang, der über eine interne Konstantstromquelle IS verfügt, die einen Stromwert von etwa konstant 3,5–4 mA ausgibt. Der Vout ganz rechts ist mit dem Eingang des LVDS verbunden, und ein passender Widerstand mit einem Widerstandswert von 100 Ohm ist in der Nähe des Eingangs R parallel geschaltet. Durch Ändern der Position des Doppelmesser-Umschalters in der obigen Abbildung , wird die Richtung des Stroms auf der Differenzleitung geändert, um die digitalen Zustände 0 und 1 anzuzeigen, sodass die Differenzleitung auf der Empfangsseite aufgrund der Differenz in der Stromrichtung einen Differenzpegel von ±350 mV anzeigt und verwendet wird als Urteil über den digitalen Zustand wiederum. Aufgrund der unterschiedlichen Stromrichtung wird daher auf der Differenzleitung am Empfänger der Differenzpegel von ± 350 mV angezeigt. und wird als Grundlage für die Ermittlung des digitalen Zustands verwendet. Auf der rechten Seite der obigen Abbildung befindet sich außerdem eine DC-Vorspannungsquelle VS, die hauptsächlich zur Veranschaulichung dient, dass die beiden Enden von Vout tatsächlich im Allgemeinen eine positive Spannung haben und es in der tatsächlichen Schaltung kein solches Element gibt. Da der Spannungshub von LVDS nur etwa 350 mV beträgt, der Strom nur etwa 3,5 mA beträgt und die Differentialübertragung erfolgt, weist es eine hohe Geschwindigkeit, einen äußerst geringen Stromverbrauch, geringes Rauschen und niedrige Kosten sowie andere gute Eigenschaften auf.

RS232
RS232 ist ein von der US Electronic Industry Association EIA (bekannt als Electronic Industry Association) entwickelter serieller physikalischer Schnittstellenstandard. RS ist die Abkürzung für „Empfohlener Standard“, die chinesische Bedeutung der empfohlenen Standards, 232 für die Identifikationsnummer. Der RS232-Busstandard verfügt hier über insgesamt 25 Signalleitungen! Wir besprechen nur den Standard zur Bestimmung der Schnittstelle auf digitaler Ebene.
Die Standardstromversorgung von RS232 beträgt ±12 V oder ±15 V, der Spannungsbedarf von Zustand 1 liegt zwischen -15 V und -3 V und der Spannungsbedarf von Zustand 0 liegt zwischen 3 V und 15 V.

RS485
RS485 entspricht der aktualisierten Version von RS232, ähnlich wie LVDS. RS485 verwendet auch die Form des Differentials zur Übertragung von Informationen (aber RS485 leitet tatsächlich zwei Spannungssignale an die Vergangenheit weiter), sodass die Entstörung besser ist als bei RS232. Hier geht es uns auch nur um den Standard zur Bestimmung der Schnittstelle auf digitaler Ebene.

RS485-Zustand 1, die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen muss zwischen 2 V und 6 V liegen; Im Zustand 0 muss die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen zwischen -6V und -2V liegen.

Können verschiedene Standards gemischt werden?

Das Obige stellt eine Vielzahl von Standards auf Schnittstellenebene zwischen digitalen Systemen vor, die normalerweise verwendet werden. Es wird jedoch dringend empfohlen, für beide Seiten der digitalen Systemschnittstelle denselben Standard zu wählen. Da jedoch manchmal die Konfiguration der beiden Parteien eingeschränkt ist, ist es möglicherweise nicht möglich, einen einheitlichen Standard für die Kommunikation zu finden. Gibt es also neben dem Design der Schnittstellenumwandlungsplatine keinen anderen Weg? Nein, tatsächlich sind einige unterschiedliche Standards auf Schnittstellenebene kompatibel.

Erstens sind Single-Ended und Differential nicht kompatibel, da sie von der physischen Verbindung her nicht identisch sind. Aber für die gleiche Art von Schnittstelle gilt: Wenn die Ausgabe des A-Level-Standards mit der Eingabe des B-Level-Standards übereinstimmt, dann sagt man, dass die Ausgabe von A die Eingabe von B steuern kann. Wenn umgekehrt, dann sagt man, dass die Zwei Level-Standards von A und B können sich gegenseitig antreiben. Beispielsweise kann der CMOS-Ausgang den TTL-Eingang ansteuern, aber nicht umgekehrt, da der TTL-Zustand 1-Ausgang nur größer oder gleich 2,4 V ist und die CMOS-Beurteilung nicht erreichen kann. Zustand 1 muss größer oder gleich sein 3,5 V; LVTTL3V3 und LVCMOS3V3 können jedoch gegenseitig angesteuert werden, da ihre Ausgänge die Anforderungen der Eingangsbeurteilung des jeweils anderen erfüllen können.