3.3V和5V串口通信電平轉換電路

兩個單片機由于電平不同，串口通信可能會失敗，這時候需要通過電平轉換電路來解決，本文給出了兩種方法，一種是通過三極管搭建，另一種是 MOS 管搭建，在硬件工程師的筆試中也經(jīng)常會出現(xiàn)這樣的題目。

3.3V 單片機和 5V 單片機通信的思路

MOS 管轉換電路

工作原理：

1、當 3V3 單片機發(fā)送邏輯 1，即 3V3_TX=3.3V，Ugs=0V，MOS 管截止，5V_RX 通過 R2 上拉到+5V，5V_RX=5V；

2、當 3V3 單片機發(fā)送邏輯 0，即 3V3_TX=0V，Ugs=3V，MOS 管導通，5V_RX 會被拉低，5V_RX=0V；

3V3_TX 發(fā)送給 5V_RX

那有人說了，5V 的數(shù)據(jù)怎么發(fā)送給 3V3 單片機呢？是不是將信號方向及電源更換即可，我們來看一下。

工作原理：

1、當 5V 單片機發(fā)送邏輯 1，即 5V_TX=5V，Ugs=0V，MOS 管截止，3V3_RX 通過 R1 上拉到 3V3，3V3_RX=3.3V；

2、當 5V 單片機發(fā)送邏輯 0，即 5V_TX=0V，Ugs=5V，MOS 管導通，3V3_RX 被拉低，所以 3V3_RX=0；

以上分析似乎合情合理，其實如下電路不可用，上面的第 2 點其實是沒有問題的，主要是第 1 點，當 MOS 管截止時，5V_TX 的 5V 電壓會經(jīng)過 MOS 管的體二極管到達 3V3_RX，使 3V3_RX 的電壓高于 3.3V（4V 多，取決于體二極管的導通壓降）。這樣的話，一方面 4V 多的電壓與 3.3V 有壓差，經(jīng)過 R1 電阻會有耗電；另一方面，4V 多的電壓也可能損壞 3.3V 單片機的 RX 管腳。

此電路不可用

利用仿真軟件仿真，可以看到 MOS 管截止時，輸出是 4.44V，明顯高于 3.3V，驗證了上述的觀點。

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仿真上述不可用電路

那如何設計 5V 發(fā)送到 3.3V 單片機呢？其實也簡單，兩個器件搞定，如下是電路圖。

1、5V_TX=5V 時，二極管 D1 截止，3V3_RX=3.3V；

2、5V_TX=0V 時，二極管 D1 導通，3V3_RX≈0.6V；實際 3V3_RX 是多少，取決于 D1 的正向?qū)▔航?，因為要得到更低的電壓，一?D1 選擇肖特基二極管，肖特基優(yōu)點就是導通壓降小。

5V_TX 發(fā)送給 3V3_RX

三極管轉換電路

工作原理：
1、當 3V3 單片機發(fā)送邏輯 1，即 3V3_TX=3.3V，NPN 三極管截止，5V_RX 通過 R2 上拉到+5V，5V_RX=5V；

2、當 3V3 單片機發(fā)送邏輯 0，即 3V3_TX=0V，NPN 三極管導通，5V_RX 會被拉低，所以 5V_RX=0V；

3V3_TX 發(fā)送給 5V_RX

利用三極管，5V 單片機發(fā)送給 3.3V 單片機，是不是電源和信號互換就可以，和 MOS 管電路一樣，如下電路同樣不能用。

原因是當 5V_TX 為 5V 時，發(fā)射極反偏，但是 5V 通過電阻 R1 由三極管的基極到達三極管的集電極，造成集電極正偏，和 MOS 管電路一樣，使 3V3_RX 電壓高于 3.3V（4V 多），大家可以仿真一下，這里我就不仿真了。

此電路不可用

如下，給出了 5V 單片機向 3.3V 單片機發(fā)送的電路圖，用兩個 NPN 三極管搭建。

工作原理：

1、當 5V 單片機發(fā)送邏輯 1，即 5V_TX=5V，Q1 導通，Q2 的基極被拉低，Q2 截止，所以 3V3_RX=3.3V；

2、當 5V 單片機發(fā)送邏輯 0，即 5V_TX=0V，Q1 截止，Q2 導通，所以 3V3_RX=0V；

5V_TX 發(fā)送給 3V3_RX

可以看到，我并沒有畫兩個 NMOS 管搭建 5V 單片機向 3.3V 單片機發(fā)送的電路，其實將上圖中的三極管換成 NMOS 管，就能實現(xiàn)，在實際的電路設計中，為減少成本，應盡量考慮用較少的器件搭電路，所以一般就用二極管方案。