單片機IO口講解

ID:117358 · 發表于 2016-4-30 05:24

雙向IO口的輸出：互補推挽在51單片機的P0口工作在普通IO口模式下，為準雙向IO口。而工作在第二功能狀態下時，則為標準的雙向IO口。由于雙向IO口的輸出，要求能輸出高低電平，通常會采用互補推挽電路。
在第二功能狀態下，51單片機P0口采用的是互補推挽的輸出方式。何為互補推挽呢？下面是它的等效電路圖。

當P0第二功能作為輸出時，K1和K2兩個開關輪流打開。K2閉合K1打開，就會輸出高電平，并且其驅動能力很大，因為電子開關的阻值�。ú幌裆侠娮璧闹的敲创螅�。反之K2打開，K1閉合，就會輸出低電平。
兩個開關交替導通，互為補充，“挽”是“拉”的意思，兩個電子開關分別負責在IO口輸出處“推”和“拉”電流，所以稱為互補推挽。
這種IO口結構的優點很明顯，驅動能力強，穩定可靠。缺點在于實現起來比較困難。在切換輸出電平的過程中，例如從低電平切換到高電平，當K1斷開時，要求盡可能快的輸出高電平，也就是K2應該立即閉合；同時，如果K1還沒斷開，K2就提前閉合了，相同于兩個開關同時導通，會直接短路，后果又會很嚴重。所以需要用電路控制好兩個開關的協調工作。
雙向IO口的輸入：高阻態、輸入電阻雙向IO口的輸出，只要求能輸出高低電平，因此并不是必須采用互補推挽電路。而采用互補推挽電路的好處在于，這種電路同時又可以實現高阻態的輸入，從而實現標準雙向IO口。
當圖中的K1和K2同時斷開時，IO口就可以工作在高阻態的輸入狀態下。高阻態到底是什么樣的一個概念呢？
當IO口處于高阻態時，也將其稱為浮空輸入狀態，其電平是懸浮不定的，既不是高電平也不是低電平。我們可以想象單片機在檢測IO口的電平高低時，相當于在CPU里面有一個類似電壓表的東西，并且這個電壓表內阻很大，例如圖中給出的100MΩ。在這里，我們可以把這個電壓表的內阻稱為P0.0口此時的輸入電阻（也可以近似認為是輸出阻抗，電阻是對直流電而言，而阻抗是對交流電來說的。這是模擬電路的知識，這里不做細說）。

現在試想，如果不小心用手碰到了P0.0端口，而由于人體本身就是阻值很大的導體，周圍有很多電磁波干擾，手上可能存在一些很微弱的電流，這個時候，電壓表的讀數就會發生變化，單片機讀取的電平高低就會變。高阻態表現出來的結果就是外界很小的干擾，都可能導致讀取的電平變化，甚至即使沒有碰這個IO口，它每次讀取的結果也可能不一樣，因為外界的電磁波等可能會干擾到IO口。稍后我們會利用51單片機做個實驗，來體驗P0口的高阻態。
高阻態的意義、輸出電阻為什么雙向IO口輸入的時候要求是高阻態呢？
我們假設有一種裝置，等效電路如下圖。開關上下切換，它就會輸出高低電平，通過電壓表可以檢測出來。但是其驅動能力很弱，連LED也驅動不了。裝置里的100kΩ，可以叫做裝置的輸出電阻（同樣也可以近似認為是輸出阻抗）。

讓這個裝置輸出低電平，然后連接51單片機的P1.0口。這時，VCC經過10kΩ上拉電阻到達IO口，再到裝置內部的100kΩ電阻，通過開關K接到GND。根據分壓原理，P1.0上的電壓值大概是4.55V，于是單片機讀取的是高電平。而事實是，裝置想輸出低電平告知51單片機。這里單片機管腳作為輸入功能，卻干擾了外界裝置的輸出值，相當于單片機的這個IO口也在輸出。

當單片機的P0口工作在第二功能的輸入狀態，或者工作在普通IO口的輸入狀態，且沒有外界上下拉電阻，內部的兩個電子開關都是斷開的，對外部呈現高阻態。從圖中可以看出，裝置輸出的電平能被準確的讀取到單片機中。之所以能準確讀取，就是因為裝置輸出電阻比單片機IO口的輸入電阻要小。

有人可能會說，如果把裝置中的電阻換成1000MΩ，這個時候這個單片機又不能準確讀取電平了。但是一般情況下，我們不需要考慮這么極端。如果是理想的高阻態，其輸入阻抗應該是無窮大，而這有點像超導體一樣比較特殊。一般情況下認為導線電阻幾乎為0，同樣也認為高阻態輸入電阻是無窮大。
總的來說，就是高阻態情況下，IO口輸入電阻很大，而不容易干擾那些輸出電阻較大、驅動能力弱的裝置輸出到IO口上的電平。

ID:152917 · 發表于 2017-5-2 23:25

很給力，謝謝樓主

ID:145935 · 發表于 2017-5-3 13:08

學習了，謝謝~!

ID:169653 · 發表于 2017-5-3 13:14

非常好，我喜歡

ID:219529 · 發表于 2017-7-26 00:53

還有漏極輸出沒有說

ID:248596 · 發表于 2017-11-12 15:17

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