什么是逻辑电平？如何实现电平转换？（原理讲解+电路图）
逻辑电平是数字电子系统中的关键概念之一。它决定了信号被认定为高电平还是低电平，并进一步影响着数字电路的正确操作。
逻辑电平是用来表示数字信号状态的电压水平。在数字电子系统中，常用的逻辑电平有高电平（通常表示为“1”）和低电平（通常表示为“0”）。这两个电平分别对应于二进制的“1”和“0”，代表着不同的逻辑状态。逻辑电平的稳定性对于正确地识别和处理数字信号至关重要。
01
ttl逻辑电平
/ ttl
ttl（transistor-transistor logic）逻辑电平是早期广泛使用的数字逻辑家族之一。ttl电平基于晶体管的饱和区和截止区之间的转换。在ttl电路中，高电平被定义为2v至5v的电压范围，低电平则为0v至0.8v。
输入高电平（vih）：当输入电平高于vih，则认为输入电平为高电平。
输入低电平（vil）：当输入电平低于vil，则认为输入电平为低电平。
输出高电平（voh）：逻辑门的输出为高电平时，电压必须大于此值。
输出低电平（vol）：逻辑门的输出为低电平时，电压必须小于此值。
阈值电平（vt）：电路刚好能翻转时的电平。
一般情况下：voh>vih>vt>vil>vol
ttl逻辑电平的主要特点
①高噪声容忍度
ttl逻辑电平对噪声的抵抗能力较强，可以正常工作在高噪声环境下。
②快速开关速度
ttl家族具有较高的开关速度，适用于需要高速操作的场景。
③相对较高的功耗
由于其特殊的电路结构，ttl电路通常消耗较高的功率。
02
cmos逻辑电平
/ cmos
cmos（complementary metal-oxide-semiconductor）逻辑电平是现代数字电子系统中常用的一种逻辑电平。cmos逻辑电平通过晶体管的导通和截止来实现信号的切换。cmos电平具有很宽的噪声容限。
输出 l：0.9*vcc
输入 l：0.7*vcc
cmos逻辑电平的特点
① 低功耗
相对于ttl电路，cmos电路的功耗较低，使其成为许多便携式设备中的理想选择。
② 高抗噪声性能
cmos逻辑电平对噪声的容忍度也较高，可以在噪声环境中保持良好的信号完整性。
③ 较宽的工作电压范围
cmos电路可以在较宽的电压范围内正常工作，提供了更大的设计灵活性。
通常，在电路中会遇到ttl电路和cmos电路混合使用的情况，由于这些电路之间的电源电压、输入/输出电平及负载能力等参数不尽相同，因此它们之间的连接需要通过电平转换电路，使前级器件的输出逻辑电平满足后级器件对输入电平的要求。
当不同逻辑电平之间需要进行转换时，我们可以使用电平转换电路。
① ttl驱动cmos电路
当它们使用相同的电源电压时，可采用外接上拉电阻的方式提高ttl的驱动能力；当使用不同的电源电压时，必须采用电平转换电路。如3.3v ttl驱动5v cmos：高电平输出大于2.4v，如果落在2.4v至3.5v之间，cmos电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。
② cmos驱动ttl电路
3.3v/5v cmos可以直接驱动3.3v/5v ttl。3.3v cmos驱动5v cmos：高电平输出3.3v，cmos电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。
如果是其它电平，请参考ttl与cmos电平规范判断是否需要进行电平转换。另外，5v ttl和5v cmos电平已经不常用了，因为它们输入/输出电平差距较大。
03
常见电平转换方式
/ 电平转换
① 晶体管+上拉电阻
该方法是使用一个双极型三极管或mos管，c/d极接一个上拉电阻到正电源，输出电平大致就是正电源电平。
② oc/od器件+上拉电阻
该方法适用于器件输出刚好是oc/od的场合。oc门即集电极开路门电路；od门即漏极开路门电路。
③ 专用电平转换芯片
这是最通用的电平转换方法，有些芯片不仅可以用作升压/降压，还能允许两边电源不同步，但价格也比较昂贵。如非必要，可以尝试后面两种方法。
④ 电阻分压
最简单的降低电平的方法。如5v电平经过1.6k+3.3k电阻分压后就变成3.3v。但这种方法缺点也很明显，功耗较大、驱动能力不强，带载能力差。
⑤ 限流电阻
若是觉得使用两个电阻太多，有时还可以只串联一个限流电阻，保证输入保护电流不超过电源极限就可以了。
⑥ 74xhct系列芯片升压（3.3v→5v）
直接使用芯片进行电平转换，速率快、驱动能力强、成本高。凡是输入与5v ttl电平兼容的5v cmos器件都可以用作3.3v→5v电平转换。这是因为3.3v cmos的电平可以刚好与5v ttl电平兼容，而cmos的输出电平总是接近电源电平。
参考示例：
① 3.3v→5v电平转换
如上图，r1与q1组成oc门，配合r2上拉至5v，以此实现电平转换。tx输出0v，q1导通，rx端为0.3v左右；tx输出3.3v，q1截止，rx端为5v，完成电平转换功能。
② 5v→3.3v电平转换
r3与q2组成oc门，配合r5上拉至3.3v，实现电平转换。tx输出0v，q2导通，rx端为0.3v左右；tx输出5v，q2截止，rx端为3.3v，完成电平转换功能。
逻辑电平作为数字电子系统中的核心概念，决定了信号的正确解读和处理。本文简单介绍了不同逻辑电平之间进行转换的常见方案，至于其他的转换方式，感兴趣的朋友可以自行研究。
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01
ttl逻辑电平
/ ttl
ttl（transistor-transistor logic）逻辑电平是早期广泛使用的数字逻辑家族之一。ttl电平基于晶体管的饱和区和截止区之间的转换。在ttl电路中，高电平被定义为2v至5v的电压范围，低电平则为0v至0.8v。
输入高电平（vih）：当输入电平高于vih，则认为输入电平为高电平。
输入低电平（vil）：当输入电平低于vil，则认为输入电平为低电平。
输出高电平（voh）：逻辑门的输出为高电平时，电压必须大于此值。
输出低电平（vol）：逻辑门的输出为低电平时，电压必须小于此值。
阈值电平（vt）：电路刚好能翻转时的电平。
一般情况下：voh>vih>vt>vil>vol
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①高噪声容忍度
ttl逻辑电平对噪声的抵抗能力较强，可以正常工作在高噪声环境下。
②快速开关速度
ttl家族具有较高的开关速度，适用于需要高速操作的场景。
③相对较高的功耗
由于其特殊的电路结构，ttl电路通常消耗较高的功率。
02
cmos逻辑电平
/ cmos
cmos（complementary metal-oxide-semiconductor）逻辑电平是现代数字电子系统中常用的一种逻辑电平。cmos逻辑电平通过晶体管的导通和截止来实现信号的切换。cmos电平具有很宽的噪声容限。
输出 l：0.9*vcc
输入 l：0.7*vcc
cmos逻辑电平的特点
① 低功耗
相对于ttl电路，cmos电路的功耗较低，使其成为许多便携式设备中的理想选择。
② 高抗噪声性能
cmos逻辑电平对噪声的容忍度也较高，可以在噪声环境中保持良好的信号完整性。
③ 较宽的工作电压范围
cmos电路可以在较宽的电压范围内正常工作，提供了更大的设计灵活性。
通常，在电路中会遇到ttl电路和cmos电路混合使用的情况，由于这些电路之间的电源电压、输入/输出电平及负载能力等参数不尽相同，因此它们之间的连接需要通过电平转换电路，使前级器件的输出逻辑电平满足后级器件对输入电平的要求。
当不同逻辑电平之间需要进行转换时，我们可以使用电平转换电路。
① ttl驱动cmos电路
当它们使用相同的电源电压时，可采用外接上拉电阻的方式提高ttl的驱动能力；当使用不同的电源电压时，必须采用电平转换电路。如3.3v ttl驱动5v cmos：高电平输出大于2.4v，如果落在2.4v至3.5v之间，cmos电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。
② cmos驱动ttl电路
3.3v/5v cmos可以直接驱动3.3v/5v ttl。3.3v cmos驱动5v cmos：高电平输出3.3v，cmos电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。
如果是其它电平，请参考ttl与cmos电平规范判断是否需要进行电平转换。另外，5v ttl和5v cmos电平已经不常用了，因为它们输入/输出电平差距较大。
03
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/ 电平转换
① 晶体管+上拉电阻
该方法是使用一个双极型三极管或mos管，c/d极接一个上拉电阻到正电源，输出电平大致就是正电源电平。
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① 3.3v→5v电平转换
如上图，r1与q1组成oc门，配合r2上拉至5v，以此实现电平转换。tx输出0v，q1导通，rx端为0.3v左右；tx输出3.3v，q1截止，rx端为5v，完成电平转换功能。
② 5v→3.3v电平转换
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