RS-232C、UARTなどにおける電圧レベル

電気初心者です。調べたところ、RS-232Cでは電圧レベルの範囲+3V～+15Vと-15～-3Vをそれぞれ論理値0と論理値1と定義しています。
直流なのになぜ電圧が負の値なのか混乱していますが、これは、ある電圧レベル、例えば3Vを基準にすると、6Vは+3V、0Vは-3Vと表現できますが、そういう意味なんでしょうか。
今、パソコンのシリアルポートのTXDピンとGNDピンにマルチメーターを当てて電圧を測ると、+6Vと出ました。これはRS-232Cの定義によるところの+3Vということなんでしょうか。
一方、UARTを使えるマイコン（Arduino UNO）で同様にTXDピンとGNDピンの電位差を測ると、+5Vと表示されました。これが例えば2.5Vくらいになると論理値は1になるのでしょうか。

No.2 回答者： m-jiro 回答日時： 2020/11/19 01:15

RS-232Cは正負の電圧を使います。

このため送信出力のICには＋12～15Vと－12～15Vの電源を供給します。もっとも現代のICは内部に昇圧回路を持っている物が多いので＋5Vだけで動作するものが多いですが。
受信側のICは－15V～+15Vの電圧が入っても異常を生じないようになっています。閾値は＋3V程度にしてあるようです。
古くから使われている代表的なICとして送信用にMC1488、受信用にMC1489というものがあります。5V一発電源で働く物としてMAX232というのがありました。

マイコンチップのUART出力はTTLレベル（約0V～5V）です。これを送信出力のICを通してRS-232C信号として外部に出します。
一般に送受信のICはレベル変換を兼ねたインバーターになっています。そのためマイコンのUARTの入出力は負論理ということになっていて、Logic０はLowレベルであり、232C信号になると＋12～＋15Vになります。
RS-232Cはアイドリング（信号を送っていない状態）では負電圧です。ということはUARTの入出力はHighレベルです。これは伝送線の異常（断線）を検出するための使われます。すなわち正電圧が1フレーム（スタートビットからストップビットまでの長さ）以上続くと異常とします。

>　これが例えば2.5Vくらいになると論理値は1になるのでしょうか。
Arduinoの入出力レベルがどうなっているのか調べていませんが、TTLレベルにしてあればLowが0～0.5V程度、Highが2～5V程度でしょう。5VのC-MOSレベルに作ってあるのならLowが0～2V、Highが3～5V程度です。

No.1 回答者： good-nice 回答日時： 2020/11/18 22:57

電圧が負というのは、電流が逆に流れているという事です。

RS--232Cは、0Vを基準値として、電圧+3〜15Vを閾値で正、電圧-3〜-15Vを閾値で負として、正=1、負=0として扱います。
UARTは電圧+5Vて動いているので、TXD-GND間が+5Vなら論理値1を示し、0Vなら論理値0を示します。
これを、正負の電圧でやり取りするのが、RS-232Cです。