嵌入式硬件篇---电平转换电路
电平转换电路是电子电路中用来实现不同电压信号之间转换的关键电路，比如把 3.3V 的信号转换成 5V，或者把 5V 转换成 1.8V，确保不同电压的芯片、模块能正常通信。下面用通俗易懂的方式介绍几种常见的电平转换电路：
一、电阻分压电路（最简单的单向转换）
原理：利用两个电阻串联分压，把高电压信号 “按比例降低” 到低电压。
适用场景：只能从高电平向低电平转换（单向），比如把 5V 信号转换成 3.3V。
电路结构：
- 5V 信号输出端接一个电阻 R1（比如 10kΩ），R1 另一端接 3.3V 信号接收端，同时这个接收端再接一个电阻 R2（比如 20kΩ）到地。
- 原理：根据分压公式，接收端的电压 = 5V × (R2/(R1+R2))，选择合适的 R1 和 R2，就能得到目标电压（比如 3.3V）。
优缺点：
- 优点：简单、成本低，无需额外芯片。
- 缺点：只能单向转换，且带负载能力弱（如果接收端输入电阻小，电压会不准）。
二、三极管电平转换电路（单向 / 双向，带驱动能力）
原理：用三极管的开关特性（导通 / 截止）实现电压转换，相当于一个 “电子开关”。
1. 高电平转低电平（比如 5V→3.3V）
- 5V 信号接三极管的基极（通过限流电阻），集电极接 3.3V 电源和接收端，发射极接地。
- 当 5V 信号为高电平时，三极管导通，集电极电压接近 0V（低电平）；当 5V 信号为低电平时，三极管截止，集电极通过上拉电阻接 3.3V（高电平）。
2. 低电平转高电平（比如 3.3V→5V）
- 3.3V 信号接三极管基极（限流电阻），发射极接 3.3V 电源，集电极接 5V 接收端和下拉电阻到地。
- 当 3.3V 信号为高电平时，三极管导通，集电极电压接近 5V（高电平）；当 3.3V 信号为低电平时，三极管截止，集电极通过下拉电阻接地（低电平）。
优缺点
- 优点：带负载能力比电阻分压强，成本低。
- 缺点：单向转换为主，电路稍复杂，速度较慢（不适合高频信号）。
三、MOS 管电平转换电路（双向，高频适用）
原理：用 MOS 管的导通特性实现双向转换，适合需要双向通信的场景（比如 I2C、SPI 总线）。
电路结构
- 一个 N 沟道 MOS 管（比如 AO3400），源极接低电压端（比如 3.3V），漏极接高电压端（比如 5V），栅极接低电压端（3.3V）。
- 当低电压端（3.3V）输出高电平时，MOS 管导通，高电压端（5V）被拉到 3.3V（但通过上拉电阻接 5V，实际会被拉到 5V）；
- 当高电压端（5V）输出高电平时，MOS 管栅极电压低于漏极，MOS 管导通，低电压端被拉到 5V（但通过上拉电阻接 3.3V，实际会被拉到 3.3V）。
适用场景：双向通信总线（如 I2C），需要高频信号（比如 100MHz 以上）。
优缺点：
- 优点：双向转换，速度快，适合高频信号，功耗低。
- 缺点：需要外部上拉电阻，对 MOS 管型号有要求（需兼容高低电压）。
四、专用电平转换芯片（最常用，万能方案）
原理：芯片内部集成了复杂的转换电路，能实现单向、双向、多通道的电平转换，无需手动设计分立元件。
常见芯片：
- 74LVC 系列（如 74LVC125、74LVC245）：支持双向转换，电压范围宽（1.2V~5V），适合多通道信号（比如 8 路）。
- TXB0108：双向转换，自动方向识别，无需控制引脚，适合 I2C、SPI 等总线。
- SN74HC4050：单向转换，6 通道，适合高电平转低电平。
使用方法：
- 芯片上有 “低电压端（VCCA）” 和 “高电压端（VCCB）”，分别接两个电压（比如 VCCA=3.3V，VCCB=5V）。
- 输入信号接芯片的 “A 端”，输出信号从 “B 端” 引出（或反之），无需额外元件，直接实现转换。
优缺点：
- 优点：简单易用（直接接线），支持双向 / 多通道，速度快（适合高频），可靠性高。
- 缺点：成本比分立元件高（但芯片很便宜，几毛钱到几块钱）。
总结：如何选择？
- 简单单向、低成本：电阻分压（适合低频、轻负载）。
- 单向、带驱动能力：三极管电路（适合低频）。
- 双向、高频：MOS 管电路（适合总线通信）。
- 最省心、通用：专用电平转换芯片（推荐新手使用，几乎不会出错）。
比如 Arduino（5V）和 ESP32（3.3V）通信，用一片 TXB0108 就能轻松实现双向电平转换，接线简单又可靠～