专利名称:一种双向电平转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子电路技术，特别涉及一种双向电平转换的电路。
背景技术：
目前，随着集成电路产业的发展和电子产品不断推陈出新，3.3V工作的电子器件如MCU的应用越来越广泛，这类电子器件的输入或输出口的工作电平通常是3.3V；而在设计电路和实际生产时又经常会用到5V工作的电子器件，比如5V工作的串行端口的A/D、I2C总线器件等；而3.3V的逻辑电平同5.5V逻辑电平存在电平差异，因此在设计3.3V逻辑电平和5V逻辑电平的互连接口时必须考虑逻辑电平的电平匹配和驱动能力，才能保证电路的高稳定性和可靠性，从而提高系统的抗干扰能力。
现有技术采用常用的逻辑电平转换接口芯片仅能实现输入/输出单方向的逻辑电平转换，在实现不同逻辑电平的双向输入/输出端口之间互连时只能采用特殊转换器件例如74LVC4245A实现。这类特殊转换器件成本非常高，一般情况比常用器件高5倍以上价格，而且在一般市场上很难购买，需要专门订购，交货周期长，影响开发和生产进度，产生一定的生产经营风险。
发明内容本发明的目的在于，提供一种双向电平转换电路，用于实现低电平端双向端口与高电平端的单向输入端口、输出端口之间的电平转换，包括开关器件Q1，二极管D1，开关器件Q1的基极、集电极分别连接低电平端双向端口和高电平端的输入端口，开关器件Q1的发射极接地；二极管D1正、负极分别连接低电平端双向端口和所述高电平端输出端口。该双向电平转换电路还包括第一反相器件，第一反相器件输入端与高电平端输出端口连接，第一反相器件输出端与二极管D1负极连接。双向电平转换电路还包括第二反相器件，第二反相器件的输入端与开关器件Q1的集电极连接，第二反相器件的输出端与高电平端输入端口连接。双向电平转换电路还可以包括第三反相器件，第三反相器件串接于第一反相器件和二极管D1之间，第三反相器件输入端与第一反相器件的输出端连接，第三反相器件输出端与二极管D1负极连接。
本发明还提供一种双向电平转换电路，用于实现高电平端双向端口与低电平端的单向输入端口、输出端口之间的电平转换，包括开关器件Q1，二极管D2，开关器件Q1的基极、集电极分别连接低电平端输出端口和高电平端双向端口，开关器件Q1的发射极接地；二极管D2正、负极分别连接低电平端输入端口和高电平端双向端口。该双向电平转换电路还包括第一反相器件和二极管D1，第一反相器件与二极管D1依次串接在开关器件Q1和高电平端双向端口之间，第一反相器件的输入端与开关器件Q1的集电极连接，第一反相器件的输出端与二极管D1的负极连接；二极管D1的正极与高电平端双向端口连接。该双向电平转换电路还包括第二反相器件，第二反相器件串接在高电平端双向端口和二极管D2之间，反相器件输入端与高电平端双向端口连接，反相器件输入端输出端与二极管D1的负极连接。
上述双向电平转换电路还可以包括第二反相器件和第三反相器件，第二反相器件和第三反相器件依次串接于二极管D2和高电平端双向端口之间，第三反相器件的输入端与高电平端双向端口连接，第三反相器件的输出端与第二反相器件的输入端连接，第二反相器件的输出端与二极管D2的负极连接。该双向电平转换电路还可以包括第一反相器件，第一反相器件输入端与开关器件Q1的集电极连接，第一反相器件输出端与二极管D1的负极连接。
上述双向电平转换电路的开关器件Q1采用晶体三极管或MOS场效应管；二极管D1或二极管D2采用低导通压降二极管，可选用肖特基二极管，或其它满足TTL/CMOS低电平门限的二极管；而第一反相器件、第二反相器件或第三反相器件是反向门器件或同向驱动器件，可以选用兼容TTL逻辑电平的驱动器件74LS14、74LS244、74LS245或其他74LS系列器件，或选用兼容CMOS逻辑电平的驱动器件74HC14、74HC244、74HC245或其他74HC系列器件。
本发明提供的双向电平转换电路，采用普通元器件组成电路实现不同逻辑电平端口之间的双向互连，电路设计简单，驱动能力强，抗干扰能力强，同时元器件成本低廉易于采购，便于电路开发和迅速投产，可有效降低生产成本和经营风险。
图1是本发明实施例1的电平转换电路图；图2是本发明实施例2的电平转换电路图；图3是本发明实施例3的电平转换电路图；图4是本发明实施例4的电平转换电路图；图5是本发明实施例5的电平转换电路图；图6是本发明实施例6的电平转换电路的管脚接线示意图；图7是本发明实施例7的电平转换电路图；图8是本发明实施例8的电平转换电路图；图9是本发明实施例9的电平转换电路图；图10是本发明实施例10的电平转换电路图；图11是本发明实施例11的电平转换电路图；图12是本发明实施例12的电平转换电路的管脚接线示意图；图13是本发明实施例12的具体应用电路的管脚接线示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式(实施例1)参照图1，给出实施例1的电平转换电路图。
该实施例实现3.3V双向端口与5V输入端口、输出端口之间的电平转换，包括三极管Q1，肖特基二极管D1以及电阻R1、电阻R2、电阻R4和电阻R5。三极管Q1的基极、集电极分别连接3.3V双向端口即3V3_OUT_IN端口和5V输入端口即5V_IN端口，三极管Q1的发射极接地；二极管D1正、负极分别连接3.3V双向端口即3V3_OUT_IN端口和5V输出端即5V_OUT端口。
本实施例的工作原理如下当3V3_OUT_IN端口作为输入时，若5V_OUT端口输出高电平，则二极管D1截止，3V3_OUT_IN端口通过电阻R4上拉为高电平；若5V_OUT端口输出低电平，则二极管D1导通，3V3_OUT_IN端口输入为低电平。
当3V3_OUT_IN端口作为输出时，若3V3_OUT_IN端口输出高电平，三极管Q1导通，5V_IN端口通过R1上拉即为高电平；若3V3_OUT_IN端口输出为低电平时，三极管Q1截止，5V_IN端口即为低电平。
本实施例选用晶体三极管、肖特基二极管作为开关器件Q1和二极管D1，辅以多个电阻实现发明目的，该实施例具有3V3_OUT_IN端口输出到5V_IN端口输入是反向，5V_OUT端口输出到3V3_OUT_IN端口输入是同向的特点，电路非常简单，成本极低；同时也存在驱动能力弱，抗干扰能力弱的不足。
(实施例2)为克服以上不足，在实施例1的基础上，提出实施例2，如图2所示。
本实施例实现3.3V双向端口3V3_OUT_IN与5V输入端口5V_IN、输出端口5V_OUT之间的电平转换，包括三极管Q1，肖特基二极管D1、7 4HC14反相器U1B以及电阻R1、电阻R2、电阻R4和电阻R5。三极管Q1的基极、集电极分别连接3V3_OUT_IN端口和5V_IN端口，三极管Q1的发射极接地；5V_OUT端口通过反相器U1B、二极管D1与3V3_OUT_IN端口连接，反相器U1B输入端连接5V_OUT端口，输出端连接二极管D1的负极；二极管D1正极连接3V3_OUT_IN端口。
本实施例的工作原理如下当3V3_OUT_IN端口为输入时，若5V_OUT端口输出高电平，经U1B反向后，二极管D1截止，3V3_OUT_IN端口通过电阻R4上拉为高电平；若5V_OUT端口输出低电平，经U1B反向后，二极管D1导通，3V3_OUT_IN端口输入为低电平。
当3V3_OUT_IN端口作为输出时，若3V3_OUT_IN端口输出高电平，三极管Q1导通，5V_IN端口通过R1上拉即为高电平；若3V3_OUT_IN端口输出为低电平时，三极管Q1截止，5V_IN端口即为低电平。
该实施例是对前一实施例的改进，成本有所增加，性能较前一实施例有改善。
(实施例3)在上述实施例基础上，提出进一步改进方案。如图3所示，在反相器U1B的输出端与二极管D1的负极之间，加入一个反相器U1C，该反相器选用74HC14器件，接收U1B输出的电平信号，反向后输出到二极管D1的负极。该电路工作原理与实施例2类似，故不赘述。
实施例2的5V_OUT端口输出到3V3_OUT_IN端口输入是反向的，而本实施例5V_OUT端口输出到3V3_OUT_IN端口输入是同向的，本实施例较上述实施例驱动能力更强，抗干扰能力更强。
(实施例4)在实施例2的基础上，还可对电平转换电路作出改进，如图4所示，在晶体管Q1的集电极和5V_IN端口之间增设一反相器U1A，该反相器选用74HC14器件。反相器U1A的输入极与晶体管Q1的集电极连接，输出极与5V_IN端口连接。
本实施例的工作原理如下当3V3_OUT_IN端口为输入时，若5V_OUT端口输出高电平，经U1B反向后，二极管D1截止，3V3_OUT_IN端口通过电阻R4上拉为高电平；若5V_OUT端口输出低电平，经U1B反向后，二极管D1导通，3V3_OUT_IN端口输入为低电平。
当3V3_OUT_IN端口作为输出时，若3V3_OUT_IN端口输出高电平，三极管Q1导通，经U1A反相后，5V_IN端口通过R1上拉为高电平；若3V3_OUT_IN端口输出为低电平时，三极管Q1截止，5V_IN端口即为低电平。
该实施例是与实施例2相比，成本增加，性能改善。本实施例5V_OUT端口输出到3V3_OUT_IN端口输入是反向的；而3V3_OUT_IN端口输出到5V_IN端口输入是同向的。
(实施例5)在实施例3或4的基础上，还可进一步加入反相器，以实现对电平转换电路的进一步改进。如图5所示，在5V_OUT端口和二极管D1之间串接两个反相器U1B和U1C，在5V_IN端口与三极管Q1之间接一个反相器U1A。
本实施例较上述实施例性能均有改善，驱动能力强，抗干扰能力强，并且5V_OUT端口输出到3V3_OUT_IN端口输入是同向的；3V3_OUT_IN端口输出到5V_IN端口输入也是同向的。
上述5个实施例选用的反相器都是74HC14器件，根据实际需要，还可选择其他器件实现反相器功能，为此提出实施例6。
(实施例6)本实施例选用74HC244器件作为反相器U1。如图6所示，三极管Q1的基极、集电极分别连接3V3_OUT_IN端口和反相器U1，三极管Q1的发射极接地；二极管D1正、负极分别连接3V3_OUT_IN端口和反相器U1；反相器U1再分别连接5V_OUT端口和5V_IN端口。
本实施例采用74HC244器件实现电平转换电路，驱动能力较强，抗干扰能力较强。但需注意的是，5V_OUT端口输出到3V3_OUT_IN端口输入是同向的；3V3_OUT_IN端口输出到5V_IN端口输入是反向的。本实施例提供的电平转换电路可以使用74HC244的任意两对驱动引脚，其它引脚可以作为它用，不用的输入口应接地。
上述各实施例中根据具体需求，反相器件可以是反向门器件或同向驱动器件，可选用兼容TTL逻辑电平的驱动器件74LS14、74LS244、74LS245或其他74LS系列芯片，或选用兼容CMOS逻辑电平的驱动器件74HC14、74HC244、74HC245或其他74HC系列芯片。
根据具体需求，上述各实施例中的开关器件可以是晶体三极管或MOS场效应管或其他等效器件；相应地，与三极管基极、集电极和发射极建立的电连接关系应替换为与MOS场效应管的栅极、漏极和源极建立电连接关系。而上述各实施例中的二极管可采用低导通压降二极管，可选用肖特基二极管，或其它满足TTL/CMOS低电平门限的二极管。
上述各实施例都是实现3.3V双向端口3V3_OUT_IN与5V输入端口5V_IN、输出端口5V_OUT之间的电平转换。相应地，为实现5V双向端口5V_OUT_IN与3.3V输入端口3V3_IN、输出端口3V3_OUT之间的电平转换，本发明也提出一系列方案。
(实施例7)如图7所示，本实施例实现5V双向端口5V_OUT_IN即与3.3V输入端口3V3_IN、输出端口3V3_OUT之间的电平转换，包括三极管Q1，二极管D2以及电阻R1、电阻R2、电阻R5和电阻R7。
3V3_OUT端口通过电阻R2与三极管Q1的基极连接；5V_OUT_IN端口接电阻R7并与三极管Q1的集电极连接；3V3_IN端口接电阻R5，并与二极管D2的正极连接；二极管D2的负极与5V_OUT_IN端口连接。
当5V_OUT_IN端口作为输出端，若5V_OUT_IN端口输出高电平，二极管D2截止，3V3_IN端口通过电阻R5上拉为高电平；若5V_OUT_IN端口输出低电平，二极管D2导通，3V3_IN端口输入低电平。
当5V_OUT_IN端口作为输入端，则3V3_OUT端口输出高电平，信号通过三极管Q1导通，5V_OUT_IN端口通过电阻R7上拉为高电平；若3V3_OUT端口输出为低电平时，三极管Q1截止，5V_OUT_IN端口即为低电平。
本实施例选用晶体三极管、肖特基二极管作为开关器件Q1和二极管D2，辅以多个电阻实现发明目的，该实施例具有3V3_OUT端口输出到5V_OUT_IN端口输入是反向，5V_OUT_IN端口输出到3V3_IN端口输入是同向的特点，电路非常简单，成本极低；同时存在驱动能力弱，抗干扰能力弱的不足。
对实施例7也可进行一系列改进，加入反相器进行方案的优化。如图8、9、10、11所示的实施例8、9、10、11，加入反相器可增强电平转换电路的驱动能力和抗干扰能力，但部分实施例如实施例9，3V3_OUT端口输出到5V_OUT_IN端口输入是同向的，5V_OUT_IN端口输出到3V3_IN端口输入是反向的，使用时需加以注意。
上述实施例电路结构与工作原理与前述实施例2到5类似，现仅选择其一进行详细说明(实施例11)
本实施例包括三极管Q1，二极管D1、二极管D2、反相器U1A、反相器U1B和反相器U1C，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7。3V3_OUT端口接电阻R1，并通过R2与三极管Q1的基极连接；三极管的发射极接地，集电极与反相器U1A的输入端连接；反相器U1A输出端经二极管D1与5V_OUT_IN端口连接。3V3_IN端口与电阻R5连接，并通过二极管D2与反相器U1B的输出极连接；反相器U1B输入极与U1C输出极连接，反相器U1C输入极与5V_OUT_IN端口连接。
本实施例采用低成本的NPN三极管和5V工作的逻辑门进行电平转换，二极管D1、二极管D2使用肖特基二极管，降低导通门限，使用5V工作的逻辑门提高了电路的驱动能力和抗干扰能力。
当5V_OUT_IN端口作为输出时，先将3V3_OUT端口置为高电平，则二极管D1截止；当5V_OUT_IN端口输出为高电平，通过反相器U1C、反相器U1B两次反向后，二极管D2截止，3V3_IN端口通过电阻R5上拉为高电平；若5V_OUT_IN端口输出低电平，通过反相器U1C、反相器U1B两次反向后，二极管D2导通，3V3_IN端口输入低电平。
当5V_OUT_IN端口作为输入时，若3V3_OUT端口输出为高电平，信号通过三极管Q1导通，经反相器U1A反向后，二极管D1截止，5V_OUT_IN端口通过电阻R7上拉，即为高电平；若3V3_OUT端口输出为低电平，三极管Q1截止，通过反相器U1A反向后，二极管D1导通，5V_OUT_IN端口即输入低电平。
本实施例良好地实现了发明目的，采用较低成本的普通器件实现了实现5V双向端口5V_OUT_IN与3.3V输入端口3V3_IN、输出端口3V3_OUT之间的电平转换，电路驱动能力强，抗干扰能力强。
上述实施例7到11选用的反相器都是74HC14器件，根据实际需要，还可选择其他器件实现反相器功能，为此提出实施例12。
(实施例12)本实施例选用74HC244器件作为反相器U1。如图12所示，三极管Q1的基极、集电极分别连接3V3_OUT端口和反相器U1，三极管Q1的发射极接地；二极管D1正、负极分别连接5V_OUT_IN端口和反相器U1；反相器U1连接5V_OUT_IN端口，并且通过二极管D2连接3V3_IN端口。
本实施例采用74HC244器件实现电平转换电路，驱动能力较强，抗干扰能力较强。本实施例的电平转换电路可以使用74HC244反相器的任意两对驱动引脚，其它引脚可以作为它用，不用的输入口需要接地。
现以实施例12为例说明本发明的电平转换电路应用方案。如图13所示，本发明可应用于3.3V工作的MCU与5V工作的温湿度传感器SHT10之间的电平转换。
具体来说，MCU的SDO口为输出端口3V3_OUT，SDI为输入端口3V3_IN；温湿度传感器SHT10的SDATA口为双向数据口，电平是5VCMOS电平，即为5V_OUT_IN端口。采用实施例12提供的电平转换电路，可以较低成本和良好性能实现电平转换。
本发明可以应用于5VTTL与3.3VTTL、5VCMOS与3.3VCOMS、5VTTL与3.3VCOMS、5VCMOS与3.3VTTL的双向口逻辑电平转换。上述各实施例中根据具体需求，反相器件可以是反向门器件或同向驱动器件，可选用兼容TTL逻辑电平的驱动器件74LS14、74LS244、74LS245或其他74LS系列芯片，或选用兼容CMOS逻辑电平的驱动器件74HC14、74HC244、74HC245或其他74HC系列芯片。
根据具体需求，上述各实施例中的开关器件可以是晶体三极管或MOS场效应管或其他等效器件；相应地，与三极管基极、集电极和发射极建立的电连接关系应替换为与MOS场效应管的栅极、漏极和源极建立电连接关系。而上述各实施例中的二极管可采用低导通压降二极管，可选用肖特基二极管，或其它满足TTL/CMOS低电平门限的二极管。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种双向电平转换电路，用于实现低电平端双向端口与高电平端的单向输入端口、输出端口之间的电平转换，包括开关器件Q1，二极管D1，所述开关器件Q1的基极、集电极分别连接所述低电平端双向端口和所述高电平端的输入端口，所述开关器件Q1的发射极接地；所述二极管D1正、负极分别连接所述低电平端双向端口和所述高电平端输出端口。
2.根据权利要求
1所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第一反相器件，所述第一反相器件输入端与所述高电平端输出端口连接，所述第一反相器件输出端与所述二极管D1负极连接。
3.根据权利要求
2所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第二反相器件，所述第二反相器件的输入端与所述开关器件Q1的集电极连接，所述第二反相器件的输出端与所述高电平端输入端口连接。
4.根据权利要求
2所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第三反相器件，所述第三反相器件串接于所述第一反相器件和所述二极管D1之间，所述第三反相器件输入端与所述第一反相器件的输出端连接，所述第三反相器件输出端与所述二极管D1负极连接。
5.根据权利要求
3所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第三反相器件，所述第三反相器件串接于所述第一反相器件和所述二极管D1之间，所述第三反相器件输入端与所述第一反相器件的输出端连接，所述第三反相器件输出端与所述二极管D1负极连接。
6.一种双向电平转换电路，用于实现高电平端双向端口与低电平端的单向输入端口、输出端口之间的电平转换，包括开关器件Q1，二极管D2，所述开关器件Q1的基极、集电极分别连接所述低电平端输出端口和高电平端双向端口，所述开关器件Q1的发射极接地；所述二极管D2正、负极分别连接所述低电平端输入端口和所述高电平端双向端口。
7.根据权利要求
6所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第一反相器件和二极管D1，所述第一反相器件与所述二极管D1依次串接在所述开关器件Q1和所述高电平端双向端口之间，所述第一反相器件的输入端与所述开关器件Q1的集电极连接，第一反相器件的输出端与所述二极管D1的负极连接；所述二极管D1的正极与所述高电平端双向端口连接。
8.根据权利要求
7所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第二反相器件，所述第二反相器件串接在所述高电平端双向端口和所述二极管D2之间，所述反相器件输入端与所述高电平端双向端口连接，反相器件输入端输出端与所述二极管D1的负极连接。
9.根据权利要求
6所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第二反相器件和第三反相器件，所述第二反相器件和第三反相器件依次串接于所述二极管D2和所述高电平端双向端口之间，所述第三反相器件的输入端与所述高电平端双向端口连接，第三反相器件的输出端与所述第二反相器件的输入端连接，所述第二反相器件的输出端与所述二极管D2的负极连接。
10.根据权利要求
9所述的双向电平转换电路，其特征在于，还包括第一反相器件，所述第一反相器件输入端与所述开关器件Q1的集电极连接，第一反相器件输出端与所述二极管D1的负极连接。
11.根据权利要求
1至10中任一权利要求
所述的双向电平转换电路，其特征在于，开关器件Q1采用晶体三极管或MOS场效应管。
12.根据权利要求
1至10中任一权利要求
所述的双向电平转换电路，其特征在于，所述二极管D1或二极管D2采用低导通压降二极管，可选用肖特基二极管，或其它满足TTL/CMOS低电平门限的二极管。
13.根据权利要求
1至10中任一权利要求
所述的双向电平转换电路，其特征在于，所述第一反相器件、第二反相器件或第三反相器件是反向门器件或同向驱动器件。
14.根据权利要求
1至10中任一权利要求
所述的双向电平转换电路，其特征在于，所述第一反相器件、第二反相器件或第三反相器件选用兼容TTL逻辑电平的驱动器件74LS14、74LS244、74LS245或其他74LS系列器件，或选用兼容CMOS逻辑电平的驱动器件74HC14、74HC244、74HC245或其他74HC系列器件。
专利摘要
本发明提供一种双向电平转换电路，用于实现低电平端双向端口与高电平端的单向输入端口、输出端口之间的电平转换，包括开关器件Q1，二极管D1，开关器件Q1的基极、集电极分别连接低电平端双向端口和高电平端的输入端口，开关器件Q1的发射极接地；二极管D1正、负极分别连接低电平端双向端口和高电平端输出端口。本发明提供的双向电平转换电路设计简单，驱动能力强，抗干扰能力强，元器件成本低廉易于采购，便于电路开发和迅速投产，可有效降低生产成本和经营风险。
文档编号H03K19/0175GK1996758SQ200610145288
公开日2007年7月11日 申请日期2006年11月24日
发明者周泽万, 陈巍, 吕敬民 申请人:艾默生网络能源有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan