3V單片機(jī)與5V電路的接口設(shè)計(jì)

高旭彬

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在現(xiàn)代煤礦自動(dòng)化及電控產(chǎn)品中，越來越多的使用單片機(jī)等智能控制器件，以MSP430 單片機(jī)為例。該單片機(jī)具有功耗低、工作溫度范圍寬、集成外設(shè)豐富的優(yōu)點(diǎn)，在電池供電設(shè)備、便攜式設(shè)備、數(shù)據(jù)采集等設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。但是該單片機(jī)工作電壓為3V，與現(xiàn)有的很多5V外圍電路或器件，例如RS485 驅(qū)動(dòng)器、LCD 驅(qū)動(dòng)器等，在邏輯電平上存在一定差異，必須進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換。

盡管用于邏輯電平轉(zhuǎn)換的接口電路很容易實(shí)現(xiàn)，但在設(shè)計(jì)中也應(yīng)當(dāng)考慮一些限制條件，否則會(huì)導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。本文對(duì)這種接口電路的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行探討，并給出一些簡單的計(jì)算公式供參考。

1 5V 輸出-3V 輸入接口

接口有同相接口和反相接口，最簡單的同相接口是電阻分壓式接口，最簡單的反相接口是三極管式接口。

1.1 電阻分壓式接口

圖1 電阻分壓式接口Fig.1 The voltage division with resistance type interface

電阻分壓式接口電路如圖1所示，這種電路很簡單，只需要兩只電阻R1和R2，但在確定其阻值時(shí)需要考慮下面的限制條件。

（1）限制條件及要求：一是考慮到單片機(jī)端口漏電流Ilkg[2]的影響， 要求二是當(dāng)5V 電路輸出為高電平時(shí)，在單片機(jī)端口上產(chǎn)生的高電平輸入電壓應(yīng)當(dāng)高于其高電平輸入門限最大值 VIT+（max）。對(duì)于這一要求，最不利的條件是所產(chǎn)生的高電平輸入電壓是其最低值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出的高電平是其最低值V（5V）Hmin；電阻R1的實(shí)際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最大值R1max，而電阻R2是它誤差范圍內(nèi)的最小值R2min。假如用R1和R2 分別代表兩個(gè)電阻的標(biāo)稱值，并用p 表示它們的最大相對(duì)誤差， 則 R1max=R1（1+p）R2min=R2（1+p）。因此，為滿足這一要求，應(yīng)當(dāng)保證VIT+（max）；三是當(dāng)5V 電路輸出為低電平時(shí)， 在單片機(jī)端口上產(chǎn)生的低電平輸入電壓應(yīng)當(dāng)?shù)陀谄涞碗娖捷斎腴T限最小值VIT-（min）。對(duì)于這一要求，最不利的條件是，所產(chǎn)生的低電平輸入電壓是其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出的低電平是其最高值V（5V）Lmax；電阻R1的實(shí)際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值R1min，而電阻R2是它誤差范圍內(nèi)的最大值R2max。因此，為滿足這一要求，應(yīng)當(dāng)保證四是在任何情況下，在單片機(jī)端口上產(chǎn)生的輸入電壓都應(yīng)當(dāng)?shù)陀谄漭斎腚妷鹤罡咴试S值，即低于單片機(jī)實(shí)際電源電壓+0.3V。對(duì)于這一要求，最不利的條件是，所產(chǎn)生的輸入電壓是其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出高電平并且是其最高輸出值V（5V）Hmax；電阻R1的實(shí)際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值R1min，而電阻R2是它誤差范圍內(nèi)的最大值R2max。供給單片機(jī)的實(shí)際電源電壓是電源誤差范圍內(nèi)的最小值 VCC（3V）min。 因此，為滿足這一要求， 應(yīng)當(dāng)保證五是在任何情況下，在單片機(jī)端口上產(chǎn)生的輸入電壓都應(yīng)當(dāng)高于其輸入電壓最低允許值，即-0.3V。對(duì)于單電源5V 電路來說，由于輸出電壓不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，所以，這一條件都能夠滿足。

（2）設(shè)計(jì)公式。為了便于設(shè)計(jì)計(jì)算，可以把上述要求歸納為如下公式。

式中：R1和R2 均代表電阻的標(biāo)稱值。

1.2 三極管式接口

圖2 三極管式接口Fig.2 The transistor type interface

三極管式接口電路如圖2所示，在設(shè)計(jì)這種接口時(shí)需要考慮以下幾個(gè)限制條件。

（1）限制條件及要求?？紤]到單片機(jī)端口漏電流Ilkg和三極管截止漏電流ICEO的影響，要求當(dāng)三極管截止時(shí)，因漏電流而形成的單片機(jī)端口輸入電壓應(yīng)當(dāng)高于其高電平輸 入 門 限 最 大 值 VIT+（max）。對(duì)于這一要求，最不利的條件是，在單片機(jī)端口上所形成的高電平輸入電壓是其最低值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：

供給單片機(jī)的實(shí)際電源電壓是電源誤差范圍內(nèi)的最小值VCC（3V）min；電阻Rc的實(shí)際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最大值Rcmax。 因此，為滿足這一要求， 應(yīng)當(dāng)保證 Rcmax·（Ilkg+ICEO） ＜VCC（3V）min-VIT+（max）。

當(dāng)5V 電路輸出低電平時(shí)，三極管應(yīng)當(dāng)可靠截止，即三極管的輸入電壓應(yīng)小于其截止電壓Vbe（off）。對(duì)于這一要求，最不利的條件是，在三極管基極上產(chǎn)生的低電平輸入電壓為其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：

5V 電路輸出的低電平是其最高值 V（5V）Lmax；電阻 Ra的實(shí)際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值Ramin，而電阻Rb是它誤差范圍內(nèi)的最大值Rbmax。因此，為滿足這一要求，應(yīng)當(dāng)保證

當(dāng)5V 電路輸出高電平時(shí)，三極管應(yīng)當(dāng)可靠導(dǎo)通，即三極管的集電極電流應(yīng)當(dāng)使單片機(jī)端口的輸入電壓低于其低電平輸入門限最小值 VIT-（min）。

對(duì)于這一要求，最不利的條件是，在單片機(jī)端口上產(chǎn)生的低電平輸入電壓為其最高值。導(dǎo)致這一最不利條件的情況是：5V 電路輸出的高電平是其最低值V（5V）Hmin；電阻Ra的實(shí)際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最大值Ramax，而電阻Rb是它誤差范圍內(nèi)的最小值Rbmin。三極管的放大倍數(shù)是其最小值βmin；電阻Rc的實(shí)際阻值是它誤差范圍內(nèi)的最小值Rcmin；供給單片機(jī)的實(shí)際電源電壓是電源誤差范圍內(nèi)的最大值 VCC（3V）max。 因此，為滿足這一要求，應(yīng)當(dāng)保

證 Rcmin·Ib·（1+βmin）＞VCC（3V）max-VIT-（min），其中

設(shè)計(jì)公式?？梢园焉鲜鲆髿w納為如下公式：對(duì)于條件1：

對(duì)于條件2：

對(duì)于條件3：

式中：Ra、Rb和Rc 均代表電阻的標(biāo)稱值。

2 3V 輸出-5V 輸入接口

最簡單的同相接口是直通方式，最簡單的反相接口是三極管式接口。

2.1 直通方式

直通方式就是讓3V 電路的輸出與5V 電路的輸入直接連接，在很多情況下這是完全可行的，比如MSP430F1232與sn65hvd3082e：MSP430F1232 輸出的高電平最低值為Vcc-0.6V（當(dāng)Vcc 是其最低值2.7V時(shí)，等于2.1V），低電平最高值為0.6V；而sn65hvd3082e 輸入的高電平最低允許值是2V[3]，低電平最高允許值0.8V。顯然2.1V＞2V，0.6V＜0.8V，所以直接連接完全能夠滿足要求。

2.2 三極管式接口

對(duì)于3V 輸出/5V 輸入來說，只有需要反相連接時(shí)才會(huì)采用三極管式接口，其要求等需要考慮的內(nèi)容與5V 輸出/3V 輸入的情況類似，所以這里就不再贅述。

另外說明一點(diǎn)，需要反相連接時(shí)，除采用三極管式接口之外，還可以采用插入3V 或5V 反相器的辦法來實(shí)現(xiàn)，這樣，3V輸出與5V 反相器，或3V 反相器與5V 輸入之間就可以采用直通方式。

3 示例

下面給出一個(gè)5V 輸出/3V 輸入的電阻分壓式接口示例，5V 電路是RS485 芯片sn65hvd3082e，3V 單片機(jī)是MSP430F1232。

假設(shè) 5V 電路的供電電壓為 5V ±10%，那么， V（5V）Hmax—5V 電路可能輸出的高電平最高值，為5.5V；從sn65hvd3082e的Datasheet 中還可以查到以下相關(guān)參數(shù)：V（5V）Hmin—5V 電路（sn65hvd3082e）輸出的高電平最低值，為 4.0V；V（5V）Lmax—5V 電路（sn65hvd3082e）輸出的低電平最高值，為0.4V。假設(shè)單片機(jī)電源電壓為3V ±10%，那么 VCC（3V）—單片機(jī)額定電源電壓， 為 3.0V。 VCC（3V）min—單片機(jī)電源電壓最小值，為2.7V。

從MSP430F1232的Datasheet 中可以查到以下相關(guān)參數(shù)（電源電壓為 3V 時(shí)）：VIT+（max）—單片機(jī)端口的高電平輸入最高門限值為1.9V；VIT-（min）—單片機(jī)端口的低電平輸入最低門限值為0.9V；Ilkg—單片機(jī)端口的漏電流±50nA。

4 結(jié)束語

通過對(duì)接口電路極限參數(shù)的分析、計(jì)算，并考慮了元件的誤差影響，給出了電路參數(shù)的計(jì)算、驗(yàn)證公式。便于快速、準(zhǔn)確地驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)和確定電路參數(shù)。

[1]童詩白,等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]Texas Instruments Incorporated.MSP430x12x Mixed Signal Microcontroller，2003.

[3]Texas Instruments Incorporated.LOW-Power RS-485 Transceiver，2004.