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浅析单片机IO口输入的高阻态

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-11 收藏

我们都知道单片机的双向IO口既能输入也能做输出,推挽输出时IO口能通过内部上下MOS管开关切换能输出高低电平,高阻态输入时,IO口内部上下MOS管都关闭,IO口工作在高阻态的输入模式下,那么高阻态是个什么样的概念呢?

下图是常见的IO的内部框图。

当IO口处于高阻态时,我们也将其称为浮空输入状态,此时其电平是不确定的,既不是高电平也不是低电平。我们可以想象成,单片机在检测IO口的电平高低时,相当于在CPU里面有一个类似电压表的东西,并且这个电压表内阻很大,假设内阻为100MΩ(示意图如下)。在这里,我们可以把这个电压表的内阻称为这个IO口此时的输入电阻

现在设想,当我不小心用手碰到了IO端口,而由于人体本身就是阻值很大的导体,周围有很多电磁波干扰,手上可能存在一些很微弱的电流,这个时候,电压表的读数就会发生变化,单片机读取的电平高低就会变。高阻态表现出来的结果就是外界很小的干扰,都可能导致读取的电平变化,甚至即使没有碰这个IO口,它每次读取的结果也可能不一样,因为外界的电磁波等可能会干扰到IO口。IO口输入端不使用时,可通过电阻单独连接到 VDD或 VSS。

为什么双向IO口输入的时候要求是高阻态呢?

我们假设现在有一种输入设备,等效电路如下图。内部开关上下切换,它就会输出高低电平给到单片机的IO口,IO口通过引脚内部电压表可以检测出来输入的是高电平还是低电平。但是这个设备驱动能力很弱,连LED也驱动不了。设备里的100kΩ,可以叫做设备的输出电阻(同样也可以近似认为是输出阻抗)。

如果我们采用内部上拉的方式做输入检测的话,如下图,让这个设备输出低电平,然后连接单片机的IO口。这时,5V经过IO口内部10kΩ上拉电阻到达IO口,再到装置内部的100kΩ电阻,通过开关接到GND。根据分压原理,IO口上读到的电压值大概是4.55V,于是单片机读取的是高电平。而事实上,设备是想输出低电平告知单片机。这里单片机管脚作为输入功能,却干扰了外界装置的输出值,相当于单片机的这个IO口也在输出。

如果我们将IO口的输入状态设置为高阻状态,且没有外接上下拉电阻,内部的两个上下MOS管都是断开的,对外部呈现高阻态。从下图中可以看出,装置输出的电平能被准确的读取到单片机中。之所以能准确读取,就是因为设备输出电阻比单片机IO口的输入电阻要小。有人可能会说,如果把设备中的电阻换成1000MΩ,这个时候这个单片机又不能准确读取电平了。但是一般情况下,我们不需要考虑这么极端。如果是理想的高阻态,其输入阻抗应该是无穷大,而这有点像超导体一样比较特殊。一般情况下认为导线电阻几乎为0,所以同样也认为高阻态输入电阻是无穷大。

总的来说,就是高阻态情况下,IO口输入电阻很大,而不容易干扰那些输出电阻较大、驱动能力弱的装置输出到IO口上的电平。



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