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第三节 电势、电压与电平

在电路设计中经常涉及到电势、电压与电平的概念。尤其电平的概念在数字系统中几乎随处可见,而且出现随着大规模、超大规模集成电路的出现,多种电平国际标准也应运而生,当然随之而来的电平的兼容性,电平·转换等一系列的设计要求也越来越高。可见电平在数字电路设计中是一个非常重要的概念。为了更好的理解电平的概念,首先回顾一下电势、电压的概念,在电压的基础上详细解释电平的概念。

1. 电势

静电学里,电势(electric potential)(又称为电位)定义为:处于电场中某个位置的单位电荷所具有的电势能与它所带的电荷量之比。电势只有大小,没有方向——是标量,其数值不具有绝对意义,只具有相对意义。电势能与重力势能类似,重力势能一般以地面为参考点,即势能0点。电势一般以无穷远(以单极性的电荷形成的电场),或正负电荷之间的某一位置。也可以随意指定某一位置为电势参考点,电场中其它位置都以该点为参考计算相对电势。因此随着不同参考点的设定,电势值也不相同。如图1所示。

公式:ε=qφ(其中ε为电势能,q为电荷量,φ为电势),即φ=ε/q。 电势的单位为伏特(V)。

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图1 不同参考点对应的电势值

2.电压

电势在静电学研究中很重要,但在电路中使用并不方便,在电路中以电压、电流、功率等物理参数作为电路性能的主要指标。电压(voltage),也被称作电势差或电位差,是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压在某点至另一点的大小等于单位正电荷因受电场力作用从某点移动到另一点所做的功,电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制伏特(V,简称伏),常用的单位还有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。此概念与水位高低所造成的水压相似。需要指出,“电压”一词一般只用于电路当中,“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。

电压是电势差,因此是一个绝对概念,不会因为参考点不同而改变。如图2所示,在旧的参考点下A、B的电势分别为10v和6v, A、B间的电压为UAB=10-6=4v。而在新的参考点下φA=2,φB=-2,但电压UAB=2-(-2)=4V。可见电压不随着参考点的变化而变化。

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图2

在电子电路中一般会指定某一点为参考点,其它各点都以该点为参考计算各自到参考点的电压,一般称该参考点为地(ground),用如图3所示的符号表示。在电路中电源、地的使用方法如图4所示。

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图3 常用的电源、地符号图

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图4 电子电路中电源,地的表示方法

3.电平

电压、电流在模拟电子电路中是广泛使用的概念,但在数字逻辑电路设计中由于是二值概念,因此一般由电压的高、低来表示逻辑值1或0。那么怎样的电压为高,怎样的电压为低呢?如在5V供电的系统中1v电压是高还是低呢,那么2V电压呢?因此需要做一个规定,超过多高的电压算高,低于多低的电压为低。如图5所示,在供电电压与地之间选定某一点作为参考点(如2.4V),高于该点的电压一律作为高(1)处理,该参考点称为高电平参考点。在选取另一点作为低电压参考点(如0.4v),低于该点的电压一律作为低(0)处理,该参考点称为低电平参考点。

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图5  电平

有了电平的概念,以后在数字电路课程中都以高低电平作为逻辑1和0的映射,即某点的电压高于高电平参考点的都认为是高电平,同时在逻辑上为1; 而低于低电平参考点的电压都认为是低电平,在逻辑上为0。虽然参考电平可以随意指定,但在电路设计应遵循统一的规则,在国际范围内统一规范,这样生产出来的器件和设计的电路才有通用性,因此才有了输入高电平,输入低电平,输出高电平,输出低电平等国际标准。详细的电平标准介绍请阅读 TTL,CMOS,LVTTL,LVCMOS电平标准

 

 

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