电平信号

信号的逻辑电平经历了从单端信号到差分信号、从低速信号到高速信号的发展过程。最基本的单端信号逻辑电平为CMOS、TTL，在此基础上随着电压摆幅的降低，出现LVCMOS、LVTTL等逻辑电平，随着信号速率的提升又出现ECL、PECL、LVPECL、LVDS、CML等差分信号逻辑电平。

1、信号逻辑电平参数概念定义

逻辑电平是指数字信号电压的高、低电平，相关参数定义如下：

(1)输入高电平门限Vih：保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平，当输入电平高于Vih时，则认为输入电平为高电平;

(2)输入低电平门限Vil：保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平，当输入电平低于Vil时，则认为输入电平为低电平;

(3)输出高电平门限Voh：保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值，逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh;

(4)输出低电平门限Vol：保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值，逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此Vol;

(5)阈值电平Vt：数字电路芯片都存在一个阈值电平，就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个介于Vil、Vih之间的电压值;对于CMOS电路的阈值电平，基本上是二分之一的电源电压值，但要保证稳定的输出，则必须要求输入高电平>Vih，输入低电平 < Vil。

Tips:阈值电平只是用来表征数字电路芯片的特性，实际硬件电路设计过程中具有实际意义的是Vih和Vil。

对于一般的逻辑电平，Vih、Vil、Voh、Vol以及Vt的关系为：Voh>Vih>Vt>Vil >Vol

(6)Ioh：逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流);

(7)Iol：逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流);

(8)Iih：逻辑门输入为高电平时的电流(为灌电流);

(9)Iil：逻辑门输入为低电平时的电流(为拉电流)。

2.常见信号逻辑电平参数

常用的逻辑电平有：TTL、CMOS、ECL、PECL、LVDS、LVPECL、RS232、RS422、RS485、CML、SSTL、HSTL等。

(1)TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列、3.3V系列、2.5V系列和1.8V系列，3.3V的TTL电平和CMOS电平通常称为LVTTL和LVCMOS;

(2)RS232/RS422/RS485是串口(UART)的电平标准，RS232是单端输入输出，RS422和RS485是差分输入输出;

(3)ECL、PECL、LVPECL、LVDS、CML是差分输入输出电平;

(4)SSTL主要用于DDR存储器，HSTL主要用于QDR存储器;

电平通常标准参数如下表所示，具体芯片建议参考Datasheet。

由上表可见，常用的差分信号电平标准LVPECL、LVDS、CML的输入和输出端具有相同的门限参数。这是由产生差分信号的硬件结构决定的。

观察设备之间通过的电平信号表，并对观察到的结果检查与调整，对于行业新人来说是比较困难的。但是一旦你掌握了几点基本的技巧，那么它对你来说会是一个很有用的工具。

一般来说音频工作者会遇到三种常见的电平表达方式，现场或录音通用，下图给出的就是常见信号强度图表。其中信号强度最小的是动圈麦克风，这里列举现场用sE V3；比动圈麦克风强出很多但是远不及线路级别信号的是电容麦克风，这里列举双电子管电容麦克风sE GEMINI II；在信号等级上明显强出很多的是线路级别信号了，民用领域通常使用-10 dBv信号层级，强出各种原始拾音设备不少，但是相比专业音频领域常用的+4 dBu信号，强度就小太多了。

1. Mic电平

麦克风的输出电压较小，根据麦克风种类的不同，范围可以从0.001v到0.1v不等。一些麦克风的输出电压非常低（比如动圈和铝带，详见实用录音话筒选用指南（上）和实用录音话筒选用指南（下）），我们需要在后级给出很大的增益比如6、70dB，所以如果你的预算无法支撑Rupert Neve的信号放大器，那就只能购买Apogee声卡了，因为它的主流音频接口可以提供最高75dB的增益、同时保证参考级的音质，这是市面上绝大多是声卡做不到的。特别是如果歌手是一位小音量的艺术家，那么对放大器的要求会进一步提高。反之如果我们将麦克风摆放在吉他音箱前面，需要的放大量就很少。sE V3、V7就是电平偏低的麦克风（动圈麦克风特性），但是由于工艺比较先进，所以比同类型的麦克风更好推一些，同样的虽然RNR1是铝带麦克风，但由于搭载了Neve变压器，所以后级也不难放大~

Avantone的CV12，CK6，CK7就是典型的高电平输出电容麦克风，提供了比传统动圈和铝带麦克风更多的输出电压，所以前级信号放大器的压力会减少很多，有时候我们只需要最多30dB的增益就可以了。原因是由于幻象供电，电容麦克风可以在麦克风内部进行初步的信号放大。值得注意一的是CV12还有BLA的黑狮版本，经过的硬件的升级调校后，其音质进一步提升。

以上的信息能够告诉我们，如果你希望使用低电平的麦克风，那么它们在拾取小音量的作品时，比如指弹吉他或是蚊子声就会比较困难，因为多数信号放大器只能提供40到50dB的增益，不足以达到良好的收音效果。这时搭配好的Rupert Neve话放比如Shelford Channel或者经济一点使用Apogee声卡比如Duet、Element 24是不可避免的。总的来说，这个电平比较低，不足以达到接下来要说的线路电平的标准。所以麦克风信号一定要经过放大器转换成线路级别，才能进入音频设备进行处理。

2. 专业线路电平 (+4dBu)

专业音频设备一般传输的是+4dBu的线路电平信号，这是早期在业内定下的一个标准，它可以方便我们将各个品牌的任意设备通过同一个标准连接在一起，+4dBu在电平表上显示的数值是0。值得注意的是Symphony I/O已经支持Soundgrid了，所以Windows上现在也可以使用Symphony I/O了。

所以当你的CV12 BLA采用了+4的标准，那么它就可以连接到+4标准的RND 5017，再进一步连接到设置为+4标准的Apogee Duet上，通过+4标准的Mix Cube发出声音。

3. 消费线路电平(-10dBv)

消费电平常见与民用产品和半专业产品，采用-10dBv的标准。以前常用的光盘、大家看到的带有莲花插头和大二芯插头的MOGAMI电缆大都是这个标准。

那么问题来了，-10和+4之间差多少？14dB？其实不是。+4dBu和-10dBv之间差11.78dB，这是由不同的电平标准导致的。所以如果你把-10dBv的CD机插在+4dBu标准的Symphony I/O上，信号会低大约12dB。反之将+4的信号插在-10的设备上，信号会变大。

Avantone Pro CV-12

如果将+4的设备输出连接到-10的输入，可以考虑使前级设备衰减，许多设备比如麦克风都带有Pad按钮，尤其Avantone的CV95带有的Pad衰减刚好是10dB，非常适合在后级设备不匹配的情况下使用。

当然，+4 dBu专业信号和-10 dBv民用信号在电压范围上的差异，直接导致了专业线路信号级别能够提供更大的动态范围，这也是专业音频处理使用这样高电平强度信号的重要原因之一。

接头、线缆与信号的关系

没有关系……

连接端子的种类比如卡侬、大三大二芯、莲花、小三芯不代表最终传输的信号，XLR卡侬头的线可以传输Mic信号、也可以传输线路信号。同样1/4’’的插头（大二、三芯）也会用在吉他的输出以及音箱的输入上，两者信号相差是很大的。莲花插头常见与传输视频，音频更多用于数字信号或者黑胶唱盘。一定记住两个设备即使使用一种插头、一种线缆，也不代表它们之间可以互相连接，是不是很有意思！

了解各个信号强度，对于专业音频工作非常有帮助。尤其对于现在的设备来说，通常都会有不同制式的信号级别设计，我们需要在安装和使用时注意设备说明！

1，TTL电平(什么是TTL电平)：

TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路;再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。这是由于可靠性和成本两面的原因。因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。 TTL电路不使用的输入端悬空为高电平。

输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。

2，CMOS电平：

1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。 CMOS电路输出高电平约为0.9Vcc，而输出低电平约为 0.1Vcc。

CMOS电路不使用的输入端不能悬空，会造成逻辑混乱。

另外，CMOS集成电路电源电压可以在较大范围内变化，因而对电源的要求不像TTL集成电路那样严格。

3，电平转换电路：

因为TTL和COMS的高低电平的值不一样(ttl 5v<==>cmos 3.3v)，所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。哈哈

4，OC门

又称集电极开路与非门门电路，Open Collector(Open Drain)。实际使用中,有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上，将这些与非门上的数据(状态电平)用同一条导线输送出去。因此，需要一种新的与非门电路--OC门来实现“线与逻辑”。

OC门主要用于3个方面：

1、实现与或非逻辑，用做电平转换，用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大;从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。

2、线与逻辑，即两个输出端(包括两个以上)直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能。在总线传输等实际应用中需要多个门的输出端并联连接使用，而一般TTL门输出端并不能直接并接使用，否则这些门的输出管之间由于低阻抗形成很大的短路电流(灌电流)，而烧坏器件。在硬件上，可用OC门或三态门(ST门)来实现。 用OC门实现线与，应同时在输出端口应加一个上拉电阻。

3、三态门(ST门)主要用在应用于多个门输出共享数据总线，为避免多个门输出同时占用数据总线，这些门的使能信号(EN)中只允许有一个为有效电平(如高电平)，由于三态门的输出是推拉式的低阻输出，且不需接上拉(负载)电阻，所以开关速度比OC门快，常用三态门作为输出缓冲器。

OD门，即漏极开路门电路open-drain，必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。开漏形式的电路有以下几个特点：

1)利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。 或驱动比芯片电源电压高的负载.

2)可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。如果作为图腾输出必须接上拉电阻。接容性负载时，下降延是芯片内的晶体管，是有源驱动，速度较快;上升延是无源的外接电阻，速度慢。如果要求速度高电阻选择要小，功耗会大。所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。

3)可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。例如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。

4)开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平。一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的。

5)正常的CMOS输出级是上、下两个管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。这种输出的主要目的有两个：电平转换和线与。

6)由于漏级开路，所以后级电路必须接一上拉电阻，上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平。这样你就可以进行任意电平的转换了。

7)线与功能主要用于有多个电路对同一信号进行拉低操作的场合，如果本电路不想拉低，就输出高电平，因为OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高电平是靠外接的上拉电阻实现的。(而正常的CMOS输出级，如果出现一个输出为高另外一个为低时，等于电源短路。)

8)OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

5，TTL和COMS电路比较：

1)TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。

2)TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。

3)COMS电路的锁定效应：

COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

防御措施： 1)在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。

2)芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。

3)在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

4)当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源;关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COMS电路的电源。

6，COMS电路的使用注意事项

1)COMS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。

2)输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。

3)当接长信号传输线时，在COMS电路端接匹配电阻。

4)当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。

5)COMS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏COMS。

7，TTL门电路中输入端负载特性(输入端带电阻特殊情况的处理)：

1)悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。

2)在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。

8，TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。

OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢?那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的 0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出;OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。

9，什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别?

TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA。

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