单片机IO口的工作原理和应用技巧2.docx

我们先来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图 1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极c跟发射极e之间相当于断开），所以5v电源通过1k电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。三极管状态解说我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输 出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端 的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。再看图3，图3中那个1k的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1k电阻及开关上流过，但由于开关闭和时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况中开 关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压为0，即输出电平为0。如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考虑实际中的 漏电流），所以流过的电流为0，因此在1k 电阻上的压降也为0，所以输出端的电压就是5v了，这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的（即1kω），如果接一个电阻为r的负载，通过分 压计算，就可以算得最后的输出电压为5*r/(r+1000)伏，即5/(1+1000/r)伏。所以，如果要达到一定的电压的话，r就不能太小。如果r 真的太小，而导致输出电压不够的话，那我们只有通过减小那个1k的上拉电阻来增加驱动能力。但是，上拉电阻又不能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电 流，由于开关能流过的电流是有限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负载可能还会给提供一部分电流从开关流过，因此要综合 这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端，这样就是一个io口了（51的io口就是这样的结构，其中p0口内部不带上拉，而其它三个口带内部上拉），当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，这样就相当于那个开关断开，而对于p0口来说，就是高阻态了。对于漏极开路（od）输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极，oc就变成了od，原理分析是一样的。另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。比起oc或者od来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。 如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。而上面说的oc或od输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的 电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状态，avr单片机的一些io 口就是这种结构。---------------------------------------------------------------------------单片机内部的逻辑经过内部的逻辑运算后需要输出到外面，外面的器件可能需要较大的电流才能推动，因此在单片机的输出端口必须有一个驱动电路。这种驱动电路有两种形式：其中的一种是采用一只N型三极管（npn或n沟道），以npn三极管为例，就是e接地，b接内部的逻辑运算，c引出，b受内部驱动可以控制三极管是否导通 但如果三极管的c极一直悬空，尽管b极上发生高低变化，c极上也不会有高低变化，因此在这种条件下必须在外部提供一个电阻，电阻的一端接c(引出脚）另一 端接电源，这样当三极管的b有高电压是三极管导通，c电压为低，当b为低电压时三极管不通，c极在电阻的拉动下为高电压，这种驱动电路有个特点：低电压是 三极管驱动的，高电压是电阻驱动的（上下不对称），三极管导通时的ec内阻很小，因此可以提供很大的电流，可以直接驱动led甚至继电器，但电阻的驱动是 有限的，最大高电平输出电流=(vcc-Vh)/r；另一种是互补推挽输出，采用2只晶体管，一只在上一只在下，上面的一只是n型，下面为p型（以三极管为例），两只管子的连接为：npn（上）的c连 vcc，pnp（下）的c接地，两只管子的ee,bb相连，其中ee作为输出（引出脚），bb接内部逻辑，这个电路通常用于功率放大点路的末级（音响）， 当bb接高电压时npn管导通输出高电压，由于三极管的ec电阻很小，因此输出的高电压有很强的驱动能力，当bb接低电压时npn截至