為什麼單片機高電平多為5V和3.3V,沒有獨立電源的情況下怎麼互轉?

前言

半個月前在某問答上回答了一個問題，為什麼很多單片機的工作電壓是5v？

最近幾天在不同的公號上面看到有類似的文章，點進去看了一下，只有刪減版，沒有太大變動，今天又有一篇推來了我另一個回答，你可以用公式說明運行中的電壓互感器二次側繞組為什麼不允許短路嗎？去頭去尾，留著中間的一段，有個人習慣單位少寫都一樣。

沒有更完善，只有刪減，這個有些不能接受，轉發轉載這個可以接受，好歹也點個讚留個言，畢竟只是問答，肯定回答的不夠嚴謹，也不是那麼全面。

今天重新整理資料再寫一下。

為什麼很多都是5V，而且有大量電源晶片支持的也是5V。

因為大多數晶片都是5V的TTL電平，要做到電平兼容，電平匹配，避免要電平轉換操作，所有很多單片機的工作電壓都是5V。

電壓浮動為5%，而電壓標準，在A/D當中使用，標準應該是5.12V。

因為512 是2的N次方，這樣A/D 的每一個字都是一個整數，當作為無符號計算的時候，更簡單，但是沒見到哪個成品用這個電壓的，大部分都是5V，為什麼不用呢？

因為做5.12的標準電壓成本會成倍增長。5V與5.12V精度差別在百倍，小數點後0.12V，基本很難做到高精度標準電壓，市場通用電壓為5V，上浮一定百分比。

為什麼標準電壓是5.12V呢？

計算機內部是以二進位（只有0，1）來處理所有的數據的。0和1表示元器件的兩個基本狀態，開或者關，導通或者截止。這在實際物理器件中是很容易實現的,而且不容易出錯，保證了計算機的正確處理數據的能力。數據在內部就是2進位的0和1，比如說要存儲一堆數據，它只能是無數個0和1的組合，存到內存單元裡面，就像把東西放到商場存物柜子一樣，一個柜子放一個客戶的東西，一個內存單元（8位）存一個字節（8個0和1）的數據，這樣數據是按每8位存的，因此就按它作為計算單位了。由於8位0和1組合是有限的，但要表示的數據卻是巨大的，因此以2的10次方1024約為1000（記作1K)為基本的換算數量級。這跟我們平時接觸到的存儲器大小一樣，128，256,512這些都是我們平常說內存最多的。

我們進行一個模擬計算，STC是使用比較多的，在STC的內部有一個標準穩壓源，要先測量這個穩壓源的AD值，以它為標準來計算測量的外部電壓，而不是以電源電壓為標準，直接假設為每位就是5V的1/1024。VREFAD/測量AD=VREF電壓/測量電壓。

假設A/D的每一個字就是 5V* 1/1024 ＝0.0048828125 V 這個數字用彙編語言如何處理？如果A/D 轉換結果為500個字，那麼電壓就是2.44140625V 這個電壓如何在三位數碼管上顯示，並儘可能減少誤差？沒辦法，只能顯示2.44如果用5.12V作REF電壓， 那麼5.12V*1/1024＝0.005 這個數用彙編語言要好處理得多吧！假設A/D結果為500個字。顯然結果為500*0.005＝2.5V

5V電壓由來

早期(196x)的電晶體電路（TTL)單管的壓降是0.7v。 一個電路裡經常有多個電晶體串聯。 比如4管串聯，電源至少保證0.7x4=2.8v才能保證電路正常工作。 所以最早有3V,5V等標準。 後來LM7805(197x)電源IC出來以後，5V成了事實標準。

TTL（TTL電平）全稱Transistor-Transistor Logic，是一種常用的數字邏輯門電路，0~5V之間，TTL主要有BJT（Bipolar Junction Transistor 即雙極結型電晶體，晶體三極體）和電阻構成，具有速度快的特點。

TTL輸出高電平>2.4V，輸出低電平=2.0V，輸入低電平

數字電路是以標稱5V供電的。比如常用的74LS系列邏輯門晶片，其供電範圍為DC(4.75-5.25)V，標稱電壓為5V，這也就是所說的TTL電平，以5V表示1，以0V表示0。比如74LS138,74LS00這種典型的邏輯晶片，而數字電路的驅動能力也會以驅動幾個TTL來衡量。

先有的晶片，後有的單片機，單片機的可編程讓硬體邏輯難度降低，可以實現更為複雜的功能，為了更好推廣，不用專門去轉換，接口參數一致，可以直接使用，而且不用獨立電源，無需設計供電系統，可以節約成本。所以單片機也使用了5V供電，供電範圍為DC(4.5-5.5)V。

3.3V，1.8V的使用

技術是不斷發展的，使用要求也不一樣，晶片不斷根據使用進一步優化，供電範圍也越來越寬，現在很多固定輸出電壓晶片，都有5V、3.3V、2.5V、1.8V固定輸出的，比如三端穩壓器7805以及AMS1117系列固定輸出的版本。

STC12C系列的單片機電壓範圍是3.3~5.5V；STC12L系列的單片機電壓範圍是2.2~3.6V。

關於電壓5.0,3.3V總結

我們在使用過程會發現，都會有偏差值，需要根據實際使用需求精度來進行適當調整，電子元器件，精度等級有很多，如果是高精度要求，那麼不能在意成本，只能採購高精度的元器件來配合，測量數據的精度也是相關的，為什麼市場上壓力傳感器，溫度傳感器價格差別幾倍幾十倍都有，有品牌價值，更多的是精度，無可否認的一點，更穩定，高精度的你肯定更信任那些品牌。

大多數單片機都是 TTL 電平，各自的高低電平定義不一樣；

當電源電壓為5V時：51，AVR單片機是5V；

當電源電壓為3.3V時：51，AVR單片機高電平是3.3v；

arm如lpc2138，電源電壓只能為3.3v，IO輸出高電平為3.3V；但IO口可承受5V電壓

現在單片機工作電壓主要有兩種：一種工作在3.3V 一種工作在5V。

當我們工作過程中，遇到電源要求不一樣時，我們怎麼處理呢，比如只有5V電源或者只有3.3V電源，我們根據不同情況介紹3種轉換方案。

使用LDO穩壓器，從5V電源向3.3V系統供電

如果我們要把5V接到3.3V上，直接連一般是不建議，因為不確定電壓寬度夠不夠，為了更可靠，標準三端線性穩壓器是也是不能使用的，最理想的LDO穩壓器壓差是幾百毫伏的低壓降可靠一些。

標準三端線性穩壓器的壓差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地轉換為 3.3V，就不能使用它們。壓差為幾百個毫伏的低壓降 （Low Dropout， LDO）穩壓器，是此類應用的理想選擇。

在選擇 LDO 時，重要的是要知道如何區分各種LDO。器件的靜態電流、封裝大小和型號是重要的器件參數。根據具體應用來確定各種參數，將會得到最優的設計。

LDO的靜態電流IQ是器件空載工作時器件的接地電流 IGND。IGND 是 LDO 用來進行穩壓的電流。靜態電流較高的 LDO 對於線路和負載的突然變化有更快的響應。

採用齊納二極體的低成本供電系統

可以用齊納二極體和電阻做成簡單的低成本 3.3V穩壓器，相對於LDO 穩壓器成本更低廉，但是由於R1和D1有功耗，能效會較低，

R1 的選擇依據是：在最大負載時——通常是在PICmicro MCU 運行且驅動其輸出為高電平時——R1上的電壓降要足夠低從而使PICmicro MCU有足以維持工作所需的電壓。同時，在最小負載時——通常是 PICmicro MCU 復位時——VDD 不超過齊納二極體的額定功率，也不超過 PICmicro MCU的最大 VDD。

3.3V 5V直接連接

將 3.3V 輸出連接到 5V 輸入最簡單、最理想的方法是直接連接。直接連接需要滿足以下 2 點要求：

3.3V輸出的 VOH 大於 5V 輸入的 VIH

3.3V輸出的 VOL 小於 5V 輸入的 VIL

能夠使用這種方法的例子之一是將 3.3V LVCMOS輸出連接到 5V TTL 輸入。

3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大於5V TTL 的VIH （2.0V）且3.3V LVCMOS 的 VOL （0.5V）小於 5V TTL 的VIL （0.8V）。

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