مقدمة
عندما نقوم بتقييد مشروع FPGA، غالبًا ما نرى معايير المستوى هذه، مثل LVCOM18، وLVCOS25، وLVDS، وLVDS25، وما إلى ذلك. في الواقع، هذه سلسلة من معايير المستوى، من أجل الحصول على فهم أعمق لمعايير المستوى. المقتطفات التالية من كتاب "طريق FPGA" لشرح معايير المستوى لفهمها.

معيار العتبة المزدوجة

ما يسمى بمعيار العتبة المزدوجة، مخصص للدوائر الرقمية، تمثل الدوائر الرقمية مستوى 1 و0 حالتين فقط، في الدائرة الفعلية، تحتاج إلى الاتفاق على نوع الجهد لـ 1، أي نوع من الجهد لـ 0 يتم تعريف الدوائر الرقمية في العتبة المزدوجة، على سبيل المثال، TTL.

معيار مستوى الواجهة:

بالنسبة للمخرجات، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.4 فولت، ومتطلبات الجهد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.5 فولت؛

بالنسبة للمدخلات، يجب أن تكون الحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.0 فولت والحالة 0 تكون أقل من أو تساوي 0.8 فولت؛
وهذا يعني أن قيمة عتبة أكبر من قيمة معينة مطلوبة للإشارة إلى المستوى 1، وقيمة عتبة أقل من قيمة معينة مطلوبة للإشارة إلى المستوى 0. يتم
وصف بعض معايير مستوى الواجهة بالتفصيل أدناه:

TTL
TTL هو اختصار لـ Transistor-Transistor Logic، وكما ترون من اسمه، كان الهدف الأصلي لمعيار مستوى الواجهة هذا هو استخدامه بين الأنظمة الرقمية القائمة على هياكل الترانزستور.

يجب أن تحتوي الدوائر الرقمية التي تعمل بموجب معيار واجهة TTL على مصدر طاقة قياسي قدره 5 فولت للأجهزة النشطة الداخلية، مع ظروف الإخراج والإدخال التالية:
بالنسبة للمخرجات، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.4 فولت، و متطلبات الجهد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.5 فولت؛

بالنسبة لمحطة الإدخال، متطلبات الحكم للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.0 فولت، ومتطلبات الحكم للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.8 فولت؛ مقارنة متطلبات الجهد الناتج والمدخل،

يمكن ملاحظة أن متطلبات خرج جهد الخرج من جانب الإدخال لمعيار تحديد الصمام المزدوج أكثر
صرامة، وهو ما يأخذ في الاعتبار بشكل أساسي تداخل الضوضاء وسرعة نقل الإشارة الكهربائية بين الإخراج والإدخال ، وذلك لجعل معيار تحديد الصمام المزدوج أكثر موثوقية.

لفتل

لأن هناك مساحة كبيرة بين 2.4V و 5V، وهو ما ليس له أي فائدة كبيرة في تحسين تداخل الضوضاء، بل يزيد أيضًا من استهلاك الطاقة للنظام، ونظرًا لاختلاف المستوى الكبير بين الحالة الرقمية 1، 0، ولكن يؤثر أيضًا على سرعة استجابة الدائرة الرقمية. ولذلك، في وقت لاحق على نطاق الجهد TTL لبعض الضغط، وبالتالي تشكيل LVTTL - منطق ترانزستور الجهد المنخفض، أي معيار مستوى TTL منخفض الجهد. فيما يلي وصف لمعياري LVTTL الشائع الاستخدام حاليًا:

LVTTL3V3
LVTTL3V3 يعني أن مصدر الطاقة القياسي لأجهزته النشطة الداخلية هو 3.3 فولت، وتكون ظروف الإخراج والإدخال كما يلي:
بالنسبة للإخراج، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.4 فولت، ومتطلبات الجهد الكهربي للحالة 0 أقل من أو يساوي 0.4V؛

بالنسبة للإدخال، متطلبات الحكم للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.0 فولت، ومتطلبات الحكم للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.8 فولت؛
يمكن رؤية مقارنة متطلبات جهد الخرج والمدخل، من أجل ضمان استقرار تحديد الصمامين ومناعة الضوضاء، لا تزال متطلبات جهد الخرج أكثر صرامة من جانب الإدخال لتحديد الصمام الثنائي للمعيار، هذه النقطة هي نفسها بالنسبة لجميع معايير واجهة النظام الرقمي، ولن تتكرر لاحقًا.

LVTTL2V5
LVTTL2V5 يعني أن مصدر الطاقة القياسي للجهاز النشط الداخلي هو 2.5 فولت، ويكون الإخراج والإدخال كما يلي:
بالنسبة للإخراج، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.0 فولت، ومتطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.0 فولت، ومتطلبات الجهد للحالة 1. الحالة 0 أقل من أو تساوي 0.2 فولت؛
بالنسبة للمدخلات، تكون متطلبات التحديد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 1.7 فولت، ومتطلبات التحديد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.7 فولت.

CMOS
CMOS هو اختصار لـ Complementary Metal Oxide Semiconductor، ومن تسميته يمكن ملاحظة أن الهدف الأصلي لمعيار مستوى الواجهة هذا يُستخدم بين الأنظمة الرقمية المعتمدة على NMOS، PMOS المكونة من هيكل أنبوب MOS.
تتمتع الدوائر الرقمية التي تعمل وفقًا لمعيار واجهة CMOS بمصدر طاقة قياسي يبلغ 5 فولت للأجهزة النشطة الداخلية، وتكون ظروف الإخراج والإدخال كما يلي:
بالنسبة لجانب الإخراج، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 4.45 فولت ، ومتطلبات الجهد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.5 فولت ؛

بالنسبة لجانب الإدخال، متطلبات الحكم للحالة 1 أكبر من أو تساوي 3.5 فولت، ومتطلبات الحكم للحالة 0 أقل من أو تساوي 1.5 فولت.

يتمتع CMOS بقدرة أكبر على تحمل الضوضاء مقارنةً بواجهات TTL كما أن مقاومة الإدخال الخاصة به أكبر بكثير من مقاومة الإدخال TTL.

LVCOMS
مثل TTL، أنتج CMOS بالمثل معيار واجهة LVCMOS نظرًا لاعتبارات استهلاك الطاقة وسرعة الاستجابة، ولأن أنابيب MOS لها عتبة تشغيل أقل بكثير مقارنة بالترانزستورات، فإن LVCMOS أسهل في التواصل باستخدام جهد أقل من LVTTL. فيما يلي وصف للعديد من معايير LVTTL شائعة الاستخدام اليوم:

LVCOMS3V3
LVCMOS3V3 يعني أن مصدر الطاقة القياسي لأجهزته النشطة الداخلية يتم توفيره عند 3.3 فولت. شروط الإخراج والإدخال هي كما يلي:
بالنسبة لجانب الإخراج، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 3.2 فولت، و متطلبات الجهد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.4 فولت؛
بالنسبة للمدخلات، تكون متطلبات التحديد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.0V، ومتطلبات التحديد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.7V.

LVCOMS2V5
LVCMOS2V5 يعني أن مصدر الطاقة القياسي لجهازه النشط الداخلي يتم توفيره عند 2.5 فولت، وتكون ظروف الإخراج والإدخال كما يلي:
بالنسبة لجانب الإخراج، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 2.0 فولت، و متطلبات الجهد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.4 فولت؛
بالنسبة للمدخلات، تكون متطلبات التحديد للحالة 1 أكبر من أو تساوي 1.7 فولت، ومتطلبات التحديد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.7 فولت.

LVCOMS1V8
LVCMOS1V8 يعني أن مصدر الطاقة القياسي لجهازه النشط الداخلي هو VCC=1.8V، والذي بالطبع له تسامح معين، ولكن على عكس معيار المستوى الذي تم تقديمه من قبل، فإن هذا التسامح يؤثر على ظروف الإخراج والإدخال، والتي يتم تقديمها على النحو التالي:
بالنسبة للإخراج، تكون متطلبات الجهد للحالة 1 أكبر من أو تساوي VCC-0.45V (أو 1.35 فولت إذا كانت VCC تساوي بالضبط 1.8 فولت)، ومتطلبات الجهد للحالة 0 أقل من أو تساوي 0.45 فولت؛
بالنسبة للمدخلات، يتطلب تحديد الحالة 1 أكبر من أو يساوي 0.65 مرة VCC (أو 1.17 فولت إذا كان VCC يساوي 1.8 فولت بالضبط)، ويتطلب تحديد الحالة 0 أقل من أو يساوي 0.35 مرة VCC (أو 0.63) V إذا كان VCC يساوي 1.8 فولت بالضبط).

LVCOMS1V5
معنى LVCMOS1V5، أي أن مصدر الطاقة القياسي لأجهزته النشطة الداخلية هو VCC=1.5V، ويؤثر تسامحه أيضًا على ظروف الإخراج والإدخال، كما هو موضح أدناه: بالنسبة لجانب الإخراج، ليس لدى LVCMOS1V5 متطلبات
واضحة ، ولكن بالتأكيد كلما كانت الحالة 1 أقرب إلى VCC، كان ذلك أفضل، وكلما كانت الحالة 0 أقرب إلى 0V، كان ذلك أفضل؛
بالنسبة لجانب الإدخال، يلزم أن يكون تحديد الحالة 1 أكبر من أو يساوي 0.65 مرة VCC (أو 0.975 فولت إذا كانت VCC تساوي 1.5 فولت بالضبط)، كما يلزم أن يكون تحديد الحالة 0 أقل من أو يساوي إلى 0.35 مرة VCC (أو 0.525 فولت إذا كان VCC يساوي 1.5 فولت بالضبط).

LVCOMS1V2
LVCMOS1V2 يعني أن مصدر الطاقة القياسي لأجهزته النشطة الداخلية مزود بـ VCC=1.2V، ويؤثر تسامحه أيضًا على ظروف الإخراج والإدخال، كما هو موضح أدناه:
بالنسبة لجانب الإخراج، ليس لدى LVCMOS1V2 أيضًا متطلبات واضحة، ولكن بالتأكيد كلما كانت الحالة 1 أقرب إلى VCC، كان ذلك أفضل، وكلما كانت الحالة 0 أقرب إلى 0V، كلما كان ذلك أفضل؛
بالنسبة لجانب الإدخال، يلزم أن يكون تحديد الحالة 1 أكبر من أو يساوي 0.65 مرة VCC (أو 0.78 فولت إذا كانت VCC تساوي 1.2 فولت بالضبط)، كما يلزم أن يكون تحديد الحالة 0 أقل من أو يساوي إلى 0.35 مرة VCC (أو 0.42 فولت إذا كان VCC يساوي 1.2 فولت بالضبط).

LVDS
LVDS هو اختصار للإشارة التفاضلية ذات الجهد المنخفض، أي الإشارة التفاضلية ذات الجهد المنخفض، ويختلف مدخلها ومخرجها عن مستويات الواجهة التي تم وصفها سابقًا، وتتطلب سلكين لإكمال الاتصال. يظهر مبدأ عملها في الشكل أدناه:

أدخل وصف الصورة هنا
الجزء الأيسر من الشكل أعلاه هو مخرج LVDS، الذي يحتوي على مصدر تيار داخلي ثابت IS الذي ينتج قيمة تيار تبلغ حوالي 3.5-4mA ثابتة. يتم توصيل Vout الموجود في أقصى اليمين بمدخل LVDS، ويتم توصيل مقاومة مطابقة بقيمة مقاومة 100 أوم على التوازي بالقرب من الإدخال R. من خلال تغيير موضع السكين المزدوج، يتم توصيل مفتاح الرمية المزدوجة في الشكل أعلاه ، يتم تغيير اتجاه التيار على الخط التفاضلي للإشارة إلى الحالات الرقمية 0 و 1، بحيث يظهر الخط التفاضلي على الطرف المتلقي مستوى تفاضلي ± 350 مللي فولت بسبب الاختلاف في اتجاه التيار، ويتم استخدامه كحكم للدولة الرقمية بدورها. ولذلك، سيتم عرض المستوى التفاضلي ± 350mV على الخط التفاضلي في جهاز الاستقبال بسبب اختلاف الاتجاه الحالي، وسيتم استخدامه كأساس لتحديد الحالة الرقمية. يوجد أيضًا مصدر جهد متحيز للتيار المستمر VS على الجانب الأيمن من الشكل أعلاه، والذي يستخدم بشكل أساسي لتوضيح أن طرفي Vout هما في الواقع جهد إيجابي بشكل عام، ولا يوجد مثل هذا العنصر في الدائرة الفعلية. نظرًا لأن تأرجح الجهد الكهربي لـ LVDS يبلغ حوالي 350 مللي فولت فقط، فإن التيار يبلغ حوالي 3.5 مللي أمبير فقط، والنقل التفاضلي، لذلك يتميز بسرعة عالية، واستهلاك طاقة منخفض للغاية، وضوضاء منخفضة وتكلفة منخفضة وخصائص جيدة أخرى.

RS232
RS232 هو الولايات المتحدة الأمريكية رابطة الصناعة الإلكترونية EIA (المعروفة باسم رابطة الصناعة الإلكترونية) وضعت معيار واجهة مادية تسلسلية. RS هو اختصار للمعيار الموصى به، المعنى الصيني للمعايير الموصى بها، 232 لرقم التعريف. يحتوي معيار ناقل RS232 على إجمالي 25 خط إشارة، هنا! نحن نناقش فقط معيار تحديد واجهة المستوى الرقمي.
مصدر الطاقة القياسي لـ RS232 هو ±12V أو ±15V، ومتطلبات الجهد للحالة 1 بين -15V و-3V، ومتطلبات الجهد للحالة 0 بين 3V و15V.

RS485
RS485 يعادل الإصدار المطور من RS232، على غرار LVDS، يستخدم RS485 أيضًا شكل تفاضلي لنقل المعلومات (ولكن RS485 يتم تمرير إشارتين جهديتين إلى الماضي)، وبالتالي فإن مكافحة التشويش أفضل من RS232. هنا، نحن أيضًا مهتمون فقط بمعيار تحديد واجهة المستوى الرقمي.

حالة RS485 1، يجب أن يكون فرق الجهد بين الخطين بين 2 فولت و6 فولت؛ في الحالة 0، يجب أن يكون فرق الجهد بين الخطين بين -6V و -2V.

هل يمكن الخلط بين معايير مختلفة؟

يقدم ما ورد أعلاه مجموعة متنوعة من معايير مستوى الواجهة بين الأنظمة الرقمية، وعادة ما تكون قيد الاستخدام، ولا يزال يوصى بشدة باختيار نفس المعيار لكلا جانبي واجهة النظام الرقمي. ومع ذلك، في بعض الأحيان يقتصر بعض التكوين على الطرفين، قد لا يكون من الممكن العثور على مستوى قياسي موحد للاتصالات، إذن، بالإضافة إلى تصميم واجهة تحويل لوحات الدوائر بالإضافة إلى أي طريقة أخرى؟ لا، في الواقع، بعض المعايير المختلفة لمستوى الواجهة متوافقة.

بادئ ذي بدء، لا يتوافق الطرف الفردي والتفاضلي، لأنهما ليسا متماثلين من خلال الاتصال المادي. ولكن بالنسبة لنفس النوع من الواجهة، إذا كان خرج معيار المستوى A يتوافق مع مدخلات معيار المستوى B، يُقال أن خرج A يمكن أن يدفع مدخلات B. وإذا كان العكس، يُقال أن يمكن لمعيارين من المستوى A وB أن يقودا بعضهما البعض. على سبيل المثال، يمكن لمخرج CMOS تشغيل مدخل TTL، ولكن ليس العكس، لأن إخراج حالة TTL 1 أكبر من أو يساوي 2.4 فولت فقط، ولا يمكن أن يصل إلى حالة حكم CMOS 1 التي يجب أن تكون أكبر من أو تساوي 3.5 فولت؛ ومع ذلك، يمكن تشغيل LVTTL3V3 وLVCMOS3V3 بواسطة بعضهما البعض، لأن مخرجاتهما قادرة على تلبية متطلبات حكم الإدخال الخاص بكل منهما.