上拉电阻 - 原理介绍与取值计算.doc

本文载自/tutorials/pull-up-resistors 本人仅作翻译。看了百科上关于上拉电阻的解释说明，写的东西是很多，感觉也很规范，但就是看的不是很懂，这篇教程正好能解决关于上拉电阻的基本疑惑。上拉电阻简介在使用微控制器MCU或者任何数字数字逻辑电路器件时，常常会遇到上拉电阻这个东西。这篇教程将会向你阐述什么时候，在什么地方要使用上拉电阻，并且通过简单的测试证明为什么上拉电阻是不可或缺的。在继续阅读前请确保你已经了解下面这些名词概念：电压/电流/电阻，数字逻辑，输入/输出。上拉电阻是什么首先，假设我们有一个MCU，并且已经将其中一个管脚配置为输入。如果你的程序正在读这个管脚的状态，并且该管脚当前悬空，那么你的程序读的管脚状态是1还是0呢？实际上此时的管脚电压是一个浮动值，程序读的结果是一个不确定（是1还是0呢）值。而为了防止出现这种不确定的状态，就要使用到上拉/下拉电阻了，它们可以让管脚电压要么高于高电平下限，要么低于低电平上限，从而避免让管脚出现不确定状态。由于实际应用中上拉电阻比下拉电阻更为常见，我们这里就只讲上拉电阻，上拉电阻与下拉电阻原理基本一致，差别仅在于上拉电阻有一端接VCC，下拉电阻有一端接地。上拉电阻通常伴随按键、开头元件出现：由于上拉电阻的存在，按键没有按下时，输入端口会读到一个高电平。详细点说，在VCC与输入端口之间只有一个很小的电流，因此输入端读到的电压非常接近VCC。而当按键按下时，输入端直接接地，通过上拉电阻的电流此时流向地，因此输入端读到的电压是低电平。显而易见，如果没有上拉，按键按下时，VCC将与地直接短路，这是非常可怕的一件事。那么我们又怎么选择上拉电阻的阻值呢？一言以蔽之，选个10 k左右的就可以了。这里，阻值小的电阻器称为大上拉电阻，因为电流会更大，相反，阻值大的电阻器称为小上拉电阻。上拉电阻的阻值主要取决于两个因素：1. 当按键没有按下时，输入端的具体电压值取决于上拉电阻的阻值；2. 当按键按下时，在给定VCC的情况下，我们需要和能够接受多大的电流从VCC经由R1流向地。一方面，我们不能让上拉电阻阻值太低，这可能会导致电流过大；另一方面，上拉电阻非常大的话，比如4M，那么作为一个上拉电阻，它起的作用可能会适得其反。要让VCC经上拉电阻R1和输入电阻R2分压后在输入端的电压值高于高电平下限，那么上拉电阻R1的值就不能非常大，通常的方法是让上拉电阻R1的阻值比输入端输入阻抗小一个数量级（前者为后者的1/10），MCU输入阻抗一般从100k-1M，因此上拉电阻取值10k比较合适。而若上拉电阻R1取值较大，大到与输入电阻R2相等甚至更大，那么可能输入端电压只有1/2*VCC的程度，假设VCC是5V，这样程序仍然没有办法从端口正确读取一个2.5V的电压值是逻辑1还是逻辑0。既然上拉电阻显得如此至关重要，许多MCU，比如Arduino平台（这个都没听说过）的ATmega328，都已经在内部集成了了上拉电阻，我们可以通过程序来使能或禁用它们。下面的程序可以使能一个Arduino MCU的内部上拉电阻。pinMode(5, INPUT_PULLUP); / Enable internal pull-up resistor on pin 5还有需要注意的一点，上拉电阻的阻值越大，输入端端口电压响应变化就越慢。这是因为输入端的馈入系统实质上是个与上拉电阻相耦合的电容器，它们一起构成RC滤波器，而我们知道RC滤波器是需要时间充电放电的。如果当前有一个较高频率的信号（如USB），那么一个高阻值的上拉电阻会限制输入端口电压值变化到一个稳定状态的速度。所有这些因素加起来共同影响着上拉电阻阻值的选取。上拉电阻阻值取值的计算在上面的电路中，假设当按键按下时，我们要限制通过R1的电流大概为1mA