淺析單片機IO口輸入的高阻態

我們都知道單片機的雙向IO口既能輸入也能做輸出，推挽輸出時IO口能通過內部上下MOS管開關切換能輸出高低電平，高阻態輸入時，IO口內部上下MOS管都關閉，IO口工作在高阻態的輸入模式下，那么高阻態是個什么樣的概念呢？

下圖是常見的IO的內部框圖。

當IO口處于高阻態時，我們也將其稱為浮空輸入狀態，此時其電平是不確定的，既不是高電平也不是低電平。我們可以想象成，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，假設內阻為100MΩ（示意圖如下）。在這里，我們可以把這個電壓表的內阻稱為這個IO口此時的輸入電阻。

現在設想，當我不小心用手碰到了IO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。IO口輸入端不使用時，可通過電阻單獨連接到 VDD或 VSS。

為什么雙向IO口輸入的時候要求是高阻態呢？

我們假設現在有一種輸入設備，等效電路如下圖。內部開關上下切換，它就會輸出高低電平給到單片機的IO口，IO口通過引腳內部電壓表可以檢測出來輸入的是高電平還是低電平。但是這個設備驅動能力很弱，連LED也驅動不了。設備里的100kΩ，可以叫做設備的輸出電阻（同樣也可以近似認為是輸出阻抗）。

如果我們采用內部上拉的方式做輸入檢測的話，如下圖，讓這個設備輸出低電平，然后連接單片機的IO口。這時，5V經過IO口內部10kΩ上拉電阻到達IO口，再到裝置內部的100kΩ電阻，通過開關接到GND。根據分壓原理，IO口上讀到的電壓值大概是4.55V，于是單片機讀取的是高電平。而事實上，設備是想輸出低電平告知單片機。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。

如果我們將IO口的輸入狀態設置為高阻狀態，且沒有外接上下拉電阻，內部的兩個上下MOS管都是斷開的，對外部呈現高阻態。從下圖中可以看出，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，就是因為設備輸出電阻比單片機IO口的輸入電阻要小。有人可能會說，如果把設備中的電阻換成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，所以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。

審核編輯：湯梓紅