原创 被忽略的硬件常识

          在特权同学的《都是IO弱上拉惹的祸》一文中，提及了Altera的CPLD在初始化时管脚通常会处于弱上拉状态。在实际示波器采样来看，就表现在上电初 期IO脚会有一个短暂（当时是持续大约几百us）的高脉冲。虽然当时遇到的一些闪屏现象在外接一个10K下拉电阻后得到解决，但是近期特权同学又遇上换汤 不换药的类似问题。有了前车之鉴，问题定位很快。用示波器一采样，怪哉，在上电初期居然有1.68V左右的高脉冲，和上回唯一的不同是器件更换了，之前是 MAX II家族，而这次是Cyclone III家族。那么他们在上电弱上拉的一些细节上又有怎样的不同呢。

         在同样的FPGA外部输出IO脚下拉了10K的电阻，用示波器采样到上电初期也确实有一个瞬间的高脉冲，这个高脉冲维持了200ms左右，而且电压值居然 高达1.68V，IO的电平是标准的LVTTL，高电平3.3V，那么1.68V差不多是减半的样子。由此推断，此时IO脚上的“弱上拉”好像不“弱”， 应该也在10K左右。推想归推想，特权同学将外部下拉的10K换成了4.7K，再一测试，闪屏现象虽然有所好转，但还是没有完全根除，抓取到上电初期的高 脉冲大约在1V多点。从理论上想，1V肯定不会被认为是TTL的高电平，但是为什么依然出现了高电平而使能背光的一个状况呢？翻看datasheet，在 图1所示的VLED on/off一行的高低电压参数中，2V~5.5V被认为是高电平开启背光，而低于0.8V被认为是低电平关闭背光。那么处于0.8V~2V之间的两不管 地带电平到底又会被认为是开还是关背光呢？实践告诉我们至少1V时是开背光了（当然也许长期的1V电压不会得到稳定的背光开启状态）。所以，再降低外接下 拉电阻才可能解决问题。

 

图1

         于是换成了2K的下拉，和预想的一样，此时的上电高脉冲在0.55V左右（满足Off Controller Voltage电压），完全印证了IO管脚内部上拉10K电阻的初步推断。关于上电弱上拉，其实特权同学也想到了JTAG的TCK/TMS/***上拉或下拉都用1K电阻也许与此也有一定的关系。此外，在Quartus II的管脚约束中有Weak Pull-Up Resistor一项，原本天真的以为这个选项可以更改IO管脚上电时的弱上拉开启与否，但是实践证明不是这样，至于具体的用法和功能，特权同学也没有在Handbook中找到，或许这个选项是用于设置IO正常工作期间内部是否进行弱上拉。

         其实特权同学在这里不是要再次强调这个所谓的上电弱上拉，而是想提一下数字电路中的电平标准。也就如标题所示，被忽略的硬件常识，至少特权同学近来或者说 一直以来都不太关心这个问题。电平标准，最常见就是TTL和CMOS，他们的异同优劣用不着我费口舌，大家肯定比我清楚。而在前面遇到的问题当中比较有意 思的就是1V这样即非高电平又非低电平的“悬浮状态”居然也“被高电平”了。

         其实，特权同学还遇到了一个被疏忽的背光使能的问题，所以才需要发点感慨让自己清醒些。如图2所示，一颗升压芯片的电气特性截图，需要关心的是Enable Control Input一栏。

图2

         在特权使用的这个升压电路中，VIN是5V，而使能信号想当然的用FPGA的3.3V TTL电平供过去了（之前有另一颗芯片按这个标准没有问题的），结果可想而知。出现的状况是无负载状态升压输出12V很稳定，一旦外接负载则输出跌落到仅有6V多，最终在图2的电气特性中才发现问题。被认为是High Voltage的最低电压应该是0.7*VIN，对于我的电路就是0.7*5V = 3.5V，而用FPGA的3.3V高电平供过去显然还没有“达标”，那么不稳定也就理所当然了。

         其实，设计中我们有很多遗漏疏忽的考虑，究其根本原因也许不仅仅是我们看datasheet不够认真，不太细心。而是由于太多的先入为主的观念在影响着我们的思维，太多基本的硬件设计常识无形中被我们忽略了。我想，一个优秀的硬件工程师也许不是不犯错，而是“转”得快。