一种宽电压差电平转换接口电路设计

2013-07-20孙烁

微处理机 2013年2期

孙烁

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

随着现代电子系统运行速度越来越快，并行处理的数据量越来越大，为了降低核心处理器的功耗，产生了各种大量低电压供电的核心处理器。为了与原有的5V 系统相兼容，需要引入相应的电平转换电路，用以实现不同供电电压芯片之间的数据转换。这就要求这种电平转换电路运行速度快，电平转换范围宽。为了适应这种需求，芯片供应商已经研制并提供了一些专用的电平转换电路，如美国德克萨斯公司提供的SN74ALVC164245［1］等。这些电路具有很好的性能，但电平转换电压相对固定，例如5V至3.3V 之间转换，或3.3V 至1.8V 之间转换，如果要实现更宽电压差的电平转换，例如实现5V 与低至接近1V的电平转换，这类芯片还难于胜任。

笔者在数据电平转换方面做了有益的尝试，基本设计思想是:充分利用通用的74HC 系列芯片实现不同供电系统之间的高速、并行数据转换。74HC系列芯片的电源电压范围为2V～6V，但实际上供电电压降至1V时仍可正常工作，利用这一特点，可以实现从5V 至接近1V的电平转换。本设计具有转换电压差宽、通用性强、设计简便、使用灵活、成本低、易操作、易于采购的特点。

2 电平转换电路组成原理

笔者在承担的一个课题中，需要测试一个低压供电的FPGA 电路的数字逻辑功能。为此，设计了一个5V的单片机测试系统，通过电平转换电路向该FPGA 发送各种指令和数据，并接收FPGA 执行指令后的反馈数据，包括电平转换电路在内的单片机测试系统原理框图如图1 所示。

图1 原理框图

3 电平转换接口电路

3.1 电平转换接口电路原理图

测试电路由5V 控制系统(89C55)，电平转换接口电路，低电压的FPGA(XCF08PFS48C［2］)电路，外设或执行机构，地址、控制、数据总线等构成。在设计中，89C55是5V 控制系统的核心，通过电平转换接口电路，将控制总线、地址总线及8 位的数据总线与低电压的FPGA 电路相连接，FPGA 对数据高速处理后，对外设或执行机构进行控制，同时FPGA将数据处理的情况，通过数据总线和电平转换接口电路发回给89C55。在本设计中，无论数据总线、控制总线还是地址总线，其数据在传输过程中，经过电平转换接口电路的结构形式是一样的，所以，仅以8 位数据总线为例来介绍本电平转换电路，如图2 所示。

图2 电平转换接口电路原理图

3.2 电平转换电路的工作过程

图2 中，数据信号由高电平向低电平转换的电路位于上半部分，即由74HC14［3］、74HC03［3］和2K排电阻组成。数据信号由低电平向高电平转换的电路位于下半部分，即由74HC240［3］、74HC03 和3.9K排电阻组成。电平转换的本质是依靠74HC03的OC 门输出实现的，由于74HC03是与非门电路，为保障电平转换前后的一致性，在高电平变为低电平端增加了非门电路74HC14，在低电平变为高电平端也增加了非门电路74HC240。

3.3 电平转换电路的波形图

本设计电平转换电路的波形如图3 所示，HVCC为高电平端电源电压，LVCC为低电平端电源电压，实际使用中HVCC为5.0V，LVCC为2.5V，主控芯片89C55的时钟频率为24MHz，整个试验过程顺利，电路工作稳定。图3是在T为100ns的条件下测试的波形图。笔者曾将LVCC 下调至1.2V，电平转换电路的工作依然正常稳定，上升沿和下降沿的边沿波形仍然良好。