GPIO电路图以及上拉电阻的作用

本文详细介绍了GPIO口的三种工作模式:普通IO口、强推挽输出和开漏级OC门的工作原理及其应用场景。通过电路图解析了每种模式下电流路径及上拉电阻的作用。

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GPIO口的定义:

    GPIO口,通用输入输出,这个大家都知道,但是输入,输出的电路是什么样的,其实并不用太关心,只需配置寄存器即可,但是还是要摸一摸,为了方便理解,引入了单片机的IO口原理图来说明(道理是一样的)

认识电路:

一.普通IO口            

       

如上图所示(红色框是板子内部)

1.基级(②位置)为低电平时,PNP导通,此时单片机IO口输出的是低电平,当基级(②位置)为电平时,PNP截止,此时单片机IO口输出的是电平

2.这里注意,④位置上是一个上拉电阻,这里设置上拉电阻的考虑因素是这样的,假设我要在这个单片机IO口输出一个电流来驱动小灯发亮,①的位置电阻一般有20k左右,发出的电流250uA,基本上忽略不计,加上一个上拉电阻后, 总电流 = ①位置电流 + ④位置电流(①与④构成并联电路)

3.为什么不设置让,①的位置电阻R小一点,这样电流大一点,就不需要上拉电阻了呢? 因为单片机是控制单元,设计时最好把强电流设计到外围电路里,如果设计到单片机内部,会烧坏板子

这里体现出上拉电阻的其中一个作用--->加大电流,加强了驱动的能力

二.强推挽输出:

(意思就是说能输入输出大电流,前面已经说了单片机内部最好不要设计大的电流,所以这个功能的IO要少用)

1.内部总线输入高电平, 上面的NPN导通,则IO口输出大电流(因为上面的三极管VCC电源下面没有接上拉电阻,  I = VCC/电阻+NPN内部电阻),所以IO出口的地方一般接一个电阻限流。内部总线输入低电平, 下面的NPN导通,则此时如果IO口外面接一个VCC(不带上拉电阻),就会有大电流灌输进来

这里体现了上拉电阻的另一个作用--->限流

三.开漏级OC门:

什么叫IO口的开漏状态,如上图所示 如果内线是高电平,则NPN的基级是低电平,此时NPN不导通,那么IO口此时相当于是悬浮在空气中的,所以无法确定它的状态(不知道是低电平还是高电平),那么这个状态就是开漏状态,所以此时要向外围电路输出一个高电平是不可能的,如果想输出一个高电平,则必须在NPN的集电极上面来一个上拉电阻

这时又体现出上拉的一个作用: 就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位(保持)在一个高电平上,下拉同理

这里对于OC门还有一个应用, 可以控制高电位的电路,如果外围电路需要大的电压,则可以用OC门加上拉电阻来完成这个功能,如下图所示, 当内部总线为高电平,则NPN截止,最右边加一个12v的上拉电阻,使得电位钳在12v供外围电路使用

 

### GPIO 上拉电阻电路图设计实现方法 #### 1. 基本概念 GPIO (General Purpose Input Output) 是一种可编程的硬件接口,允许微控制器与其他电子设备通信。当配置为输入模式时,GPIO 口的状态取决于外部连接的信号电平。为了确保读取稳定的逻辑状态,在实际应用中通常会使用上拉或下拉电阻。 对于高电平有效的应用场景来说,采用上拉电阻可以有效防止浮空状态下不确定的电压水平造成误判[^2]。 #### 2. 上拉电阻的工作机制 在未按下按钮的情况下,默认情况下通过较小阻值(如10kΩ)的上拉电阻将引脚保持在一个已知的高电位;而一旦按下了开关S1,它就会把该节点直接拉至GND从而形成低电平输入给MCU。这种做法不仅简单而且可靠地实现了高低电平之间的切换操作[^4]。 ```plaintext VCC (+5V or +3.3V) | |---/\/\/\-----> GPIO_PIN (to MCU) | R_pullup | |---(Switch S1)-- GND ``` 此简易示意图展示了最基础形式下的上拉结构:电源正极经过固定大小的限流元件后接入目标端子,并且并联了一个常开型机械触点用于改变其工作状态。 #### 3. 参数选择考量因素 - **阻值选取**: 较大阻抗虽然有助于减少静态电流消耗但却不利于快速响应时间以及较强的噪声抑制性能;反之过小则可能引起不必要的功耗增加甚至损坏敏感器件。 - **环境干扰防护需求** - **具体应用场景的要求** 综合以上几点建议选用范围大约介于几千欧姆到几十千欧姆之间作为初始尝试对象。
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