Распространенные схемы преобразования уровней
23 мая 2025Если связь между сенсорным модулем и пользовательской системой осуществляется через UART, SPI или IO, то обычно уровень интерфейсного напряжения сенсорного модуля составляет 3,3 В, и уровень напряжения пользовательской системы также равен 3,3 В. В таком случае, как правило, допустимо прямое соединение. Однако если уровень интерфейсного напряжения пользовательской системы составляет 1,8 В или 5 В, при обмене данными между модулем и системой на базе микроконтроллера из-за несовпадения уровней двух сторон могут возникать сбои связи, обратный ток, аномальное энергопотребление, отклонение напряжения и другие проблемы. В этой статье представлены несколько распространенных способов согласования уровней, которые можно выбирать в зависимости от фактической задачи.
1. Использование специализированных микросхем преобразования уровней
Подайте два требуемых напряжения питания на обе стороны микросхемы преобразования, затем подключите необходимые входные и выходные сигналы к ее выводам. Все операции согласования уровней выполняются внутри самой микросхемы. На рисунке ниже показана схема преобразования уровней с использованием SN74LVC2T45DCTR.
Преимущества этого решения — очень высокая скорость, сильная нагрузочная способность и простота применения. Недостаток — сравнительно высокая стоимость.
2. Преобразование уровней с использованием MOSFET или транзисторов
Как показано на рисунке ниже, это двунаправленная схема преобразования уровней.
Сначала рассмотрим случай передачи данных с 3,3 В на 5 В. Когда на выводе UART1_TX высокий уровень, MOSFET Q1 находится в закрытом состоянии, а вывод UART2_RX подтягивается к своему напряжению питания. Когда на выводе UART1_TX низкий уровень, MOSFET Q1 открывается, и вывод UART2_RX через Q1 подтягивается к низкому уровню, завершая преобразование.
Затем рассмотрим передачу данных с 5 В на 3,3 В. Когда на выводе UART2_TX высокий уровень, MOSFET Q2 и его встроенный диод закрыты, а UART1_RX подтягивается к высокому уровню через R3. Когда UART2_TX выдает низкий уровень, MOSFET еще не открыт, но его встроенный диод уже стягивает UART1_RX к низкому уровню. В этот момент Vgs становится выше порога открытия, MOSFET открывается и дополнительно снижает уровень UART1_RX.
MOSFET также можно заменить транзисторами.
Преимущество этого решения — низкая стоимость. Недостаток — скорость передачи данных обычно не может превышать 400 кбит/с.
3. Использование резистивного делителя для преобразования уровней
В этом решении используется только один тип компонентов — резисторы, как показано на рисунке ниже. Когда модуль с уровнем 3,3 В передает данные вправо, сигнал проходит только через токоограничивающий резистор, и уровень на приемной стороне клиента остается в допустимом диапазоне. Когда клиент с уровнем 5 В передает данные влево, используются два резистора для деления напряжения, и напряжение на приемной стороне слева составляет 5 В × 2K / (1K + 2K) ≈ 3,3 В.
Преимущества этого решения — крайне низкая стоимость и удобство разводки печатной платы. Недостатки — слабая нагрузочная способность и невозможность работы на очень высокой скорости. Обычно в таком варианте скорость передачи не превышает 100 кбит/с.