不僅僅是 5V
　正如我們在本課程前面部分所觀察到的，在數(shù)字系統(tǒng)中，信號只能采用兩個值：高或低。這些值通常由兩個電壓電平表示。下面列出了最常用的級別，但沒有什么可以阻止系統(tǒng)擁有自己的邏輯狀態(tài)編碼方法：
　5 V 和 0 V：這是數(shù)字電路中最常用的邏輯電平系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，高邏輯電平由 5 V 電壓表示，而低邏輯電平由 0 V 電壓表示。
　12 V 和 0 V：這種邏輯電平系統(tǒng)有時用于工業(yè)數(shù)字電路。高邏輯電平由 12V 電壓表示，而低邏輯電平由 0V 電壓表示。
　–5 V 和 0 V：這種邏輯電平系統(tǒng)有時用于必須在極端溫度條件下運行的數(shù)字電路。高邏輯電平由 –5V 電壓表示，而低邏輯電平由 0V 電壓表示。
　–12 V 和 12 V：在此系統(tǒng)中，高邏輯電平由 12 V 電壓表示，而低邏輯電平由 –12 V 電壓表示。
　邏輯電平電壓的選擇取決于數(shù)據(jù)傳輸速度、電路的能耗和環(huán)境條件。數(shù)字系統(tǒng)并不完全相同（見圖 1），特別是在兩個邏輯電平的工作電壓方面。如果設(shè)計人員需要將兩個數(shù)字電路連接在一起，可能會出現(xiàn)兩種情況：
　情況1：如果幸運的話，兩個電路工作在相同的電壓下，因此不需要使用額外的接口。簡單的電氣連接就足夠了。
　情況 2：另一方面，如果兩個電路以不同的邏輯電壓運行，則必須在它們之間放置一個電平適配器（稱為轉(zhuǎn)換器）?！★@然，第二種情況更為復雜和關(guān)鍵，因為不僅需要考慮不同的電壓電平，還需要考慮信號達到的最大速度。僅當設(shè)備能夠相應地解釋信號時，它們才能相互通信。如果它們直接相互連接，則只有在相同的電壓電平下工作才能正確通信。

　邏輯電路經(jīng)常使用不同的電壓電平。
　圖 1：邏輯電路經(jīng)常使用不同的電壓電平。
　通常，數(shù)字系統(tǒng)的信號是“TTL 兼容”（5 V 和 0 V），或者在 3.3 V 和 0 V 下工作。它們之間存在操作不兼容性。例如，當將微控制器電子系統(tǒng)（5V和0V）與配備RS-232接口的電路（–12V和12V）連接時，需要插入適配器，因為工作電壓差異很大。由于工作電壓較高，甚至微控制器電路也可能被串行電路損壞。
　因此，電平轉(zhuǎn)換器的任務是發(fā)送或接收電壓自適應信號而不修改所傳輸信號的波形。電壓轉(zhuǎn)換器是將一種電壓電平轉(zhuǎn)換為另一種電壓電平的電子設(shè)備。它們用于將使用不同電壓電平的設(shè)備相互連接。電壓轉(zhuǎn)換器可以是有源的（如果它們使用電子電路來轉(zhuǎn)換電壓）或無源的（如果它們使用電阻器和電容器等無源元件）。此外，它們可以是單向的（如果它們僅在一個方向上轉(zhuǎn)換電壓）或雙向的（如果它們在兩個方向上轉(zhuǎn)換電壓）。
　非常簡單的 5V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換器
　在許多情況下，需要連接在不同電壓下運行的設(shè)備。例如，工作電壓為 5 V 的設(shè)備可以連接到工作電壓為 3.3 V 的設(shè)備，這是當今非常常見的情況。在這種情況下，有必要使用電壓轉(zhuǎn)換器。一個非常簡單的解決方案是使用由兩個串聯(lián)電阻組成的分壓器。分壓器的輸出電壓降低以達到所需電壓。兩個電阻的計算非常簡單，使用歐姆定律。
　圖 2 顯示了通用應用程序圖。通常，選擇電阻器 R2 的值是電阻器 R1 的兩倍就足夠了。程序如下：
　選擇 R1 的值（例如 4.7 kΩ）。由于傳輸電流較高，該值不能太低，但也不能太高。
　計算電阻器 R1 上必須存在的電壓：(5 V – 3.3 V) = 1.7 V。
　計算傳輸電流：I = V ÷ R = 1.7 V ÷ 4,700 Ω = 361.7 μA。
　計算電阻器 R2 的值：R = V ÷ I = 3.3 V ÷7 μA = 9,123.58 Ω?！≡撝悼梢院苋菀椎厮纳嵛迦氲阶罱咏纳虡I(yè)值，即 10 kΩ。剛剛執(zhí)行的計算是針對無負載的電阻分壓器。通常，數(shù)字輸入具有非常高的輸入阻抗，因此后者不會影響最終的電壓。然而，設(shè)計人員必須始終檢查負載的阻抗。在圖 2 中，左側(cè)有一個空載分頻器和一個從邏輯門輸出獲取信號的轉(zhuǎn)換分頻器。在這些情況下，輸出電壓可能會略有不同。

　將電壓從 5 V 降低至 3.3 V 的轉(zhuǎn)換器。
　圖 2：將電壓從 5V 降低至 3.3V 的轉(zhuǎn)換器　該轉(zhuǎn)換器制作起來非常簡單，并且可以使用易于獲得的組件來構(gòu)建。對于不需要很高精確度的簡單應用來說，這是一個很好的解決方案。其巨大優(yōu)勢在于其高線性度，因為輸出信號的形狀始終忠實于輸入信號。事實上，電阻分量不會使信號變形，而只會導致幅度衰減。圖 3 顯示了對先前電路的改進。電阻移位分壓器位于單位增益跟隨器之前和之后，為 3.3V 電路提供較低的阻抗。剛剛觀察到的示例僅旨在降低電壓電平。

　運算放大器的使用可確保良好的信號轉(zhuǎn)換，而不會因阻抗而衰減。
　圖 3：使用運算放大器可確保良好的信號轉(zhuǎn)換，而不會因阻抗而衰減。
　3.3V 至 5V 轉(zhuǎn)換器
　在許多情況下，需要將一個工作電壓為 3.3V 的設(shè)備連接到另一個工作電壓為 5V 的設(shè)備。在這些情況下，需要使用升壓轉(zhuǎn)換器，如圖 4 所示。 ，有兩個NPN晶體管，Q1和Q2。V(in) 是輸入電壓，直流或脈動電壓，為 3.3 V。當 V(in) 為高電平 (3.3 V) 時，Q1 關(guān)閉，Q2 開啟。Q2 集電極兩端的電壓為 5V。當 V(in) 為低電平時，Q1 打開，Q2 關(guān)閉。Q1 集電極的電壓為 0V。這樣，轉(zhuǎn)換器將 3.3V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為 5V 輸出電壓，并保持信號的相位。該轉(zhuǎn)換器制作簡單，并且可以使用易于獲得的組件來構(gòu)建。對于不需要很高精確度的簡單應用來說，這是一個很好的解決方案。
　　圖 4：簡單的晶體管 3.3V 至 5V 轉(zhuǎn)換器
　集成電路
　最簡單的電平轉(zhuǎn)換器可以用分立元件制成，例如晶體管、電阻器、電容器甚至運算放大器。然而，還有封裝在集成電路中的電平移位器，它們比由不同公司生產(chǎn)的分立電平移位器更強大、更快且更高效。它們可以支持更高的電源電壓和開關(guān)速度，以及更精確的邏輯電平。
　此外，IC 轉(zhuǎn)換器比分立轉(zhuǎn)換器更緊湊且更易于使用。它們可以是單向或雙向的。單向轉(zhuǎn)換器可以將信號從一種邏輯電平轉(zhuǎn)換為另一種邏輯電平，但不能反向轉(zhuǎn)換。雙向轉(zhuǎn)換器可以在兩個方向上轉(zhuǎn)換信號。由于市場上有數(shù)千種型號，因此在幾頁內(nèi)討論該主題將具有挑戰(zhàn)性。我們展示了使用著名的 MAX232 集成電路執(zhí)行的示例，如圖 5 所示。它將 TTL 邏輯信號 (0–5 V) 轉(zhuǎn)換為 RS-232 信號（從 –15 V 到 15 V），反之亦然，是一個重要組件用于以不同邏輯電平操作的設(shè)備之間的串行通信。單個芯片中包含四個電平轉(zhuǎn)換器，每個通信方向兩個。MAX232是一款可靠且易于使用的元件，有多種封裝可供選擇。該圖清楚地顯示了 0 V 至 5 V 之間的輸入信號 V(TTL) 如何轉(zhuǎn)換為 10 V 至 –10 V 之間不同工作電壓 V(RS232) 的輸出信號?！AX232 將電壓電平從 TTL/CMOS 更改為 RS-232，反之亦然。

　圖 5：MAX232 將電壓電平從 TTL/CMOS 更改為 RS-232，反之亦然。