一種寬電壓差電平轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì)

孫 爍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110032)

1 引言

隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)運(yùn)行速度越來(lái)越快，并行處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，為了降低核心處理器的功耗，產(chǎn)生了各種大量低電壓供電的核心處理器。為了與原有的5V 系統(tǒng)相兼容，需要引入相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路，用以實(shí)現(xiàn)不同供電電壓芯片之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這就要求這種電平轉(zhuǎn)換電路運(yùn)行速度快，電平轉(zhuǎn)換范圍寬。為了適應(yīng)這種需求，芯片供應(yīng)商已經(jīng)研制并提供了一些專用的電平轉(zhuǎn)換電路，如美國(guó)德克薩斯公司提供的SN74ALVC164245［1］等。這些電路具有很好的性能，但電平轉(zhuǎn)換電壓相對(duì)固定，例如5V至3.3V 之間轉(zhuǎn)換，或3.3V 至1.8V 之間轉(zhuǎn)換，如果要實(shí)現(xiàn)更寬電壓差的電平轉(zhuǎn)換，例如實(shí)現(xiàn)5V 與低至接近1V的電平轉(zhuǎn)換，這類芯片還難于勝任。

筆者在數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換方面做了有益的嘗試，基本設(shè)計(jì)思想是:充分利用通用的74HC 系列芯片實(shí)現(xiàn)不同供電系統(tǒng)之間的高速、并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。74HC系列芯片的電源電壓范圍為2V～6V，但實(shí)際上供電電壓降至1V時(shí)仍可正常工作，利用這一特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)從5V 至接近1V的電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)具有轉(zhuǎn)換電壓差寬、通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、使用靈活、成本低、易操作、易于采購(gòu)的特點(diǎn)。

2 電平轉(zhuǎn)換電路組成原理

筆者在承擔(dān)的一個(gè)課題中，需要測(cè)試一個(gè)低壓供電的FPGA 電路的數(shù)字邏輯功能。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)5V的單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路向該FPGA 發(fā)送各種指令和數(shù)據(jù)，并接收FPGA 執(zhí)行指令后的反饋數(shù)據(jù)，包括電平轉(zhuǎn)換電路在內(nèi)的單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 原理框圖

3 電平轉(zhuǎn)換接口電路

3.1 電平轉(zhuǎn)換接口電路原理圖

測(cè)試電路由5V 控制系統(tǒng)(89C55)，電平轉(zhuǎn)換接口電路，低電壓的FPGA(XCF08PFS48C［2］)電路，外設(shè)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，地址、控制、數(shù)據(jù)總線等構(gòu)成。在設(shè)計(jì)中，89C55是5V 控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換接口電路，將控制總線、地址總線及8 位的數(shù)據(jù)總線與低電壓的FPGA 電路相連接，F(xiàn)PGA 對(duì)數(shù)據(jù)高速處理后，對(duì)外設(shè)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，同時(shí)FPGA將數(shù)據(jù)處理的情況，通過(guò)數(shù)據(jù)總線和電平轉(zhuǎn)換接口電路發(fā)回給89C55。在本設(shè)計(jì)中，無(wú)論數(shù)據(jù)總線、控制總線還是地址總線，其數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換接口電路的結(jié)構(gòu)形式是一樣的，所以，僅以8 位數(shù)據(jù)總線為例來(lái)介紹本電平轉(zhuǎn)換電路，如圖2 所示。

圖2 電平轉(zhuǎn)換接口電路原理圖

3.2 電平轉(zhuǎn)換電路的工作過(guò)程

圖2 中，數(shù)據(jù)信號(hào)由高電平向低電平轉(zhuǎn)換的電路位于上半部分，即由74HC14［3］、74HC03［3］和2K排電阻組成。數(shù)據(jù)信號(hào)由低電平向高電平轉(zhuǎn)換的電路位于下半部分，即由74HC240［3］、74HC03 和3.9K排電阻組成。電平轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是依靠74HC03的OC 門輸出實(shí)現(xiàn)的，由于74HC03是與非門電路，為保障電平轉(zhuǎn)換前后的一致性，在高電平變?yōu)榈碗娖蕉嗽黾恿朔情T電路74HC14，在低電平變?yōu)楦唠娖蕉艘苍黾恿朔情T電路74HC240。

3.3 電平轉(zhuǎn)換電路的波形圖

本設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路的波形如圖3 所示，HVCC為高電平端電源電壓，LVCC為低電平端電源電壓，實(shí)際使用中HVCC為5.0V，LVCC為2.5V，主控芯片89C55的時(shí)鐘頻率為24MHz，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程順利，電路工作穩(wěn)定。圖3是在T為100ns的條件下測(cè)試的波形圖。筆者曾將LVCC 下調(diào)至1.2V，電平轉(zhuǎn)換電路的工作依然正常穩(wěn)定，上升沿和下降沿的邊沿波形仍然良好。

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路的波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

以上介紹的電平轉(zhuǎn)換電路適用于轉(zhuǎn)換電壓差范圍要求較大的產(chǎn)品，特別適合低成本、大量生產(chǎn)的產(chǎn)品。該電路簡(jiǎn)單、實(shí)用、方便，是經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用并取得成功的設(shè)計(jì)。

［1］INTERBIRD.SN74ALVC164245［DB/OL］.http://www.alldatasheet.com/datasheet－ pdf/pdf/465609/TI1/SN74ALVC164245－EP.html，204－06—2005－10.

［2］INTERBIRD.XCF08PFS48C［DB/OL］.http://www.alldatasheet.com/datasheet－ pdf/pdf/133722/XILINX/XCF08PFS48C.html，2005－3－14.

［3］電子工程手冊(cè)編委會(huì)，集成電路手冊(cè)分編委員會(huì).高速CMOS 電路［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1994.