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  • 本文主要讲了单片机上拉电阻的作用原理,希望对你的学习有所帮助。
  • 本文主要讲了上拉电阻的作用原理相关知识,下面一起来学习一下
  • 上下拉电阻的原理作用从最基本的概念上来讲,上拉电阻就是从端口连接到电源上的电阻,将一个不确定的信号钳位在高电平,这个电阻也起到一定的限流作用。下拉电阻就是从端口连接到GND的电阻,将不确定的信号钳位在...
    上下拉电阻的原理及作用

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    从最基本的概念上来讲,上拉电阻就是从端口连接到电源上的电阻,将一个不确定的信号钳位在高电平,这个电阻也起到一定的限流作用。下拉电阻就是从端口连接到GND的电阻,将不确定的信号钳位在低电平。

     首先介绍一下输出管脚,芯片的输出管脚通常来说可以分为两类:

    1、push-pull型电路,这种电路可以理解为一个半桥电路,能够自主的输出高电平或者低电平,这种输出管脚一般是没有必要接上拉或者下拉电阻。

    2、OD或者OC门型输出管脚,这两种管脚可以理解为同一类,都是使三极管或者MOS管工作在饱和区,将其当做开关来使用。

     上拉电阻的应用场景:

    1、OC或者OD门电路必须加上拉电阻,才能使用,最典型的应用电路就是低边驱动电路匹配外部的数字输入电路。下图就是一个很典型的OD门输出电路,在右侧一定需要匹配一个上拉电阻,这样在MOS管不导通的时候检测口的电平才是高电平,而在MOS管导通的时候,检测口的电平就是低电平了。

    在数字输入电平外部的电路是一个开关的时候,上拉电阻的作用与上一段描述的作用基本一致。上拉电阻的选择就需要考虑几个方面的影响,从功耗角度来说,电阻值越大越好,而从保障电路的耐用性来考虑,上拉电阻需要提供足够大的湿电流(湿电流一般在1~10mA之间),在开关金属接触面发生氧化的时候,电流也能够“浸润”氧化层。所以上拉电阻通常在1K到10K之间。

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    2、作为温度传感器的上拉匹配电阻,与NTC电阻进行分压,测量分压后的电压反推回NTC的阻值,然后通过查表的方式就可以得到温度传感器的值。鉴于有时候一些软件工程师很懒,说自己不会算,这里再写一遍公式:Vport=R24/(R22+R24)*VCC→R24=(Vport*R22)/(VCC-Vport),得到的R24的电阻后通过查询NTC的R-T表就能得到当前的温度值。

    当然作为温度传感器的上拉电阻,选择的时候要参考NTC的B值,也要考虑实际的应用场景,假设我们希望NTC在较高温度时其测量误差最小,那么在选择上拉电阻的时候,就要使其在常用温度区间每变化1℃,相对应的Vport电压需要尽可能的变化更大,使温度反应出来的电压更加敏感。

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    以上两点是我们现在用到的最常见的两种情形,还有一些其他的应用场景:

    3、以前在TTL电路大量使用的时候,经常会存在TTL电路与CMOS电路电平不匹配的情况,这时候就需要上拉电阻来提高TTL电路的输出电平值。

    4、在COMS芯片上,有些管脚不能悬空,一般也会接上拉电阻来降低输入阻抗,提供泄荷通路。

    5、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰,加上下拉电阻用于阻抗匹配,有效的抑制反射波干扰。

    下拉电阻的应用场景:

    下拉电阻在应用上大部分与上拉电阻是一致的,也可以作为NTC电阻的分压电阻(实际一般不这么用,理论上是可行的),也可以在匹配门电路的时候提供一个默认的电平值。但在实际应用场景中,下拉电阻最大的作用还是在于提供一个默认的低电平。

    1、用在高边驱动的输出口检测电路,下拉电阻能够提供默认的低电平;

    2、用在芯片与芯片之间的控制线路之间,防止在上电初始化过程中电平的状态错乱导致异常的输出;

    3、用于低电平有效的管脚上,减少一个逻辑控制口,一直使能芯片。

    电阻是我们在电路设计过程中用的最多的器件,不管是上拉电阻、下拉电阻我们在选在使用的时候都需要清楚的了解每一个电阻选出来的原因,包括封装、阻值、误差、功耗等等。因为文章写的仓促,关于电阻的各种细节知识,可能会在以后的时间里慢慢来补充。每一次的交流就是一次自己深刻的学习,愿与大家共同进步。
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  • 1.上拉电阻的作用功能:将不确定的信号,固定在高电平原理:电阻一端接VCC,一端接引脚(逻辑电平),如图,我的理解是在电路中电阻会分压,电流经过上拉电阻时会产生一个压降,上拉电阻接到的电源电压减去这个压降...

    1.上拉电阻的作用

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    功能:将不确定的信号,固定在高电平

    原理:电阻一端接VCC,一端接引脚(逻辑电平),如图,我的理解是在电路中电阻会分压,电流经过上拉电阻时会产生一个压降,上拉电阻接到的电源电压减去这个压降就是该IO可以被拉到的电平值,当然,这个上拉电平值必须能够达到逻辑1的下限。上拉电阻应用在引脚低电平有效的时候,这样把引脚的电平设定为低电平的时候,电流会输入引脚,如果没有输入信号则此时I/O状态为1,可以增强IO的驱动能力。

    上拉是对器件注入电流,即灌电流。

    2.下拉电阻的作用:

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    功能:将不确定的信号,固定在低电平

    原理:电阻一端接GND,一端接引脚(逻辑电平),如图,我的理解是在电路中电阻会分压,电流经过上拉电阻时会产生一个压降,下拉电阻接到的器件引脚输出电压的会分压,这个下拉电平值必须能够是逻辑低电平0的上限。下拉电阻应用在引脚高电平有效的时候,引脚始终是低电平状态,如果没有输入信号则此时I/O状态为0。

    下拉是从器件输出电流,即拉电流。

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  • 前边似乎我们很多次提到了上拉电阻,下拉电阻,具体到底什么样电阻算是上下拉电阻,上下拉电阻都有何作用呢?上拉电阻就是将不确定信号通过一个电阻拉到高电平,同时此电阻也起到一个限流作用,下拉就是下拉到低...

    前边似乎我们很多次提到了上拉电阻,下拉电阻,具体到底什么样的电阻算是上下拉电阻,上下拉电阻都有何作用呢?
    上拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻拉到高电平,同时此电阻也起到一个限流作用,下拉就是下拉到低电平。
    比如我们的 IO 设置为开漏输出高电平或者是高阻态时,默认的电平就是不确定的,外部经一个电阻接到 VCC,也就是上拉电阻,那么相应的引脚就是高电平;经一个电阻到 GND,也就是下拉电阻,那么相应的引脚就是一个低电平。
    上拉电阻应用很多,都可以起到什么作用呢?我们现在主要先了解最常用的以下 4 点:

    1. OC 门要输出高电平,必须外部加上拉电阻才能正常使用,其实 OC 门就相当于单片机 IO 的开漏输出,其原理可参照图 9-1 中的开漏电路。

    2. 加大普通 IO 口的驱动能力。标准 51 单片机的内部 IO 口的上拉电阻,一般都是在几十 K 欧,比如 STC89C52 内部是 20K 的上拉电阻,所以最大输出电流是 250uA,因此外部加个上拉电阻,可以形成和内部上拉电阻的并联结构,增大高电平时电流的输出能力。

    3. 在电平转换电路中,比如我们前边讲的 5V 转 12V 的电路中,上拉电阻其实起到的是限流电阻的作用,可以回顾一下图 3-8。

    4. 单片机中未使用的引脚,比如总线引脚,引脚悬空时,容易受到电磁干扰而处于紊乱状态,虽然不会对程序造成什么影响,但通常会增加单片机的功耗,加上一个对 VCC 的上拉电阻或者一个对 GND 的下拉电阻后,可以有效的抵抗电磁干扰。


    那么我们在进行电路设计的时候,又该如何选择合适的上下拉电阻的阻值呢?

    1. 从降低功耗的方面考虑应当足够大,因为电阻越大,电流越小。

    2. 从确保足够的引脚驱动能力考虑应当足够小,电阻小了,电流才能大。

    3. 在开漏输出时,过大的上拉电阻会导致信号上升沿变缓。我们来解释一下:实际电平的变化都是需要时间的,虽然很小,但永远都达不到零,而开漏输出时上拉电阻的大小就直接影响了这个上升过程所需要的时间,如图 9-2 所示。想一下,如果电阻很大,而信号频率又很快的话,最终将导致信号还没等上升到高电平就又变为低了,于是信号就无法正确传送了。

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    图 9-2  上拉电阻阻值对波形的影响


    综合考虑各种情况,我们常用的上下拉电阻值大多选取在 1K 到 10K 之间,具体到底多大通常要根据实际需求来选,通常情况下在标准范围内就可以了,不一定是一个固定的值。

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  • 1、上、下拉电阻的作用简单来说,电源到器件引脚上的电阻叫上拉电阻,作用是平时使用该引脚为高电平;地到器件引脚的电阻叫下拉电阻,作用是平时使该引脚为低电平。对于非集电极(或漏极)开路输出型电路(如普通门...
    • 上拉是将不确定信号通过一个电阻钳位在高电平,电阻同时限流作用;
    • 下拉是将不确定信号通过一个电阻钳位在低电平。

    即,电路中加上拉电阻或下拉电阻的目的是确定某个状态电路中的高电平或低电平。

    1、上、下拉电阻的作用

    简单来说,电源到器件引脚上的电阻叫上拉电阻,作用是平时使用该引脚为高电平;地到器件引脚的电阻叫下拉电阻,作用是平时使该引脚为低电平。

    对于非集电极(或漏极)开路输出型电路(如普通门电路,其提升电流和电压的能力是有限的,上拉和下拉电阻主要功能是为集电极开路输出型电路提供输出电流通道。上拉是对器件注入电流,下拉是输出电流;强弱只是上拉或下拉电阻的阻值不同)。此外,作用还有:

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    图1 按键检测的简单电路图
    • 提高电路稳定性,避免引起误动作。图1中的按键如果不通过电阻上拉到高电平,那么在上电瞬间可能就发生误动作,因为在上电瞬间电路引脚电平是不确定的,上拉电阻R的存在保证了其引脚处于高电平状态,就不会发生误动作;
    • 提高输出管脚的带载能力。受其他外围电路的影响,电路在输出高电平时能力不足,达不到VCC状态,这会影响整个系统的正常工作,上拉电阻的存在就可以使管脚的驱动能力增强。

    2、基本原理

    如果拉电阻用于输入信号引脚,通常的作用是将信号线强制箝位至某个电平,以防止信号线因悬空而出现不确定的状态,继而导致系统出现不期望的状态,如图2所示:

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    图2 上拉、下拉电阻构造

    在实际应用中,

    的电阻是使用数量最多的拉电阻。需要使用上拉电阻还是下拉电阻,主要取决于电路系统本身的需要,比如,对于高有效的使能控制信号(EN),如果希望电路系统在上电后应处于无效状态,则会使用下拉电阻;假设这个使能信号是用来控制电机的,如果悬空的话,此信号线可能在上电后(或者运行中)受到其他噪声干扰而误触发为高电平,从而导致电机出现不期望的转动,这肯定是所不希望的,此时可以增加一个下拉电阻。相应地,对于低有效的复位控制信号(RST#),希望上电后复位后处于无效状态,则应使用上拉电阻。

    根据拉电阻的阻值大小,可分为强拉或弱拉(weak pull-up/down),芯片内部集成的拉电阻通常都是弱拉(电阻比较大),拉电阻越小则表示电平能力越强(强拉),可以抵抗外部噪声的能力也越强(也就是说,不期望出现的干扰噪声如果要更改强拉的信号电平,则需要的能量也必须相应加强),但是拉电阻越小则相应的功耗也越大,因为正常信号要改变信号线的状态也需要更多的能量,在能量消耗这一方面,拉电阻是绝不会有所偏颇的,如图3所示:

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    图3 上/下拉电阻

    对于上拉电阻R1而言,控制信号每次拉低L都会产生VCC/R1的电流消耗(没有上拉电阻则电流为0),相应的,对于下拉电阻R2而言,控制信号每次拉高H也会产生VCC/R2R 电流消耗(本文假设高电平即为VCC)。

    强拉与弱拉之间没有严格说多少欧姆是强弱的分界,一般我们使用的拉电阻都是弱拉,这样我们仍然可以使用外部控制信号将已经上/下拉的信号线根据需要进行电平的更改。

    强拉电阻的极端就是零欧姆电阻,亦即将信号线直接与电源或地相连接。

    拉电阻作为输出(或输入输出)时牵涉到的知识点会更多一些,但本质的功能也是将电平箝位,最常见的输出上拉电阻出现在开集(Open Collector,OC)或开漏(Open Drain,OD)结构的引脚。

    我们有很多芯片的输出引脚是推挽输出结构(Output Push-Pull),如下图所示(还有一种反相输出的结构,本质也是一样的):

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    图4 两种TTL结构

    注:推挽输出结构引脚的特点是:无论引脚输出高电平“H”还是低电平“L”,都有比较强的驱动能力(输入或输出电流能力)!

    当推挽输出结构的控制信号为低电平“L”时,Q1截止Q2导通,电流I1由电源VCC经负载RL与三极管Q2流向公共地,我们称此电流为灌电流(Sink Current),也就是外部电流灌入芯片内部,如图5所示:

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    图5 灌电流

    相应的,当推挽输出结构的控制信号为高电平“H”时,Q1导通Q2截止,电流I1由电源VCC经三极管Q1与负载RL流向公共地,我们称此电流为拉电流(Source Current),也就是芯片内部可以向外提供的电流(所以称之为“源电源”),从另一个角度讲,也就是外电路可以从芯片中拉走多少电流,如图6所示:

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    图6 拉电流

    灌电流能力与拉电流能力也称为芯片引脚的驱动能力。

    假定芯片的供电电压为3.3V(忽略晶体管饱和压降),则输出最大电流25mA时,负载RL的值约为132欧姆(3.3V/25mA),如果负载值小于132欧姆,则相应输出电流会更大(超过25mA),但是芯片引脚只能提供最大25mA的电流,因此,输出电平将会下降(老板你只给我2500月薪,我就只能干2500的活,你要我干更多的活得开更多的工资,一个道理)

    一般情况下,这种驱动重负载(小电阻)的电路连接是不会烧毁内部晶体管的,因为内部也是有限流电阻的,换句话讲,就算输出引脚对地短路,输出电流也不会超过最大的驱动能力(除非是不正规的芯片),当然,在实际应用过程中尽量不要超出引脚的驱动能力。

    而OC(OD)的引脚输出结构有所不同(OC结构存在于三极管,而OD结构存在于场效管,下面以OC输出结构为例,OD输出结构的原理是一致的)。

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上拉电阻的作用原理