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        推挽輸出、開漏輸出、復用開漏輸出、復用推挽輸出以及上拉輸入、下拉輸入、浮空輸入、模擬輸入區別

        作者:佚名   來源:互聯網   點擊數:  更新時間:2014年08月14日   【字體:

         有關推挽輸出、開漏輸出、復用開漏輸出、復用推挽輸出

         
        以及上拉輸入、下拉輸入、浮空輸入、模擬輸入的區別
         
        最近在看數據手冊的時候,發現在Cortex-M3里,對于GPIO的配置種類有8種之多:
         
        (1)GPIO_Mode_AIN模擬輸入
        (2)GPIO_Mode_IN_FLOATING浮空輸入
        (3)GPIO_Mode_IPD下拉輸入
        (4)GPIO_Mode_IPU上拉輸入
        (5)GPIO_Mode_Out_OD開漏輸出
        (6)GPIO_Mode_Out_PP推挽輸出
        (7)GPIO_Mode_AF_OD復用開漏輸出
        (8)GPIO_Mode_AF_PP復用推挽輸出
         
        對于剛入門的新手,我想這幾個概念是必須得搞清楚的,平時接觸的最多的也就是推挽輸出、開漏輸出、上拉輸入這三種,但一直未曾對這些做過歸納。因此,在這里做一個總結:
         
        推挽輸出:可以輸出高,低電平,連接數字器件; 推挽結構一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制,總是在一個三極管導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。
         
        推挽電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET,以推挽方式存在于電路中,各負責正負半周的波形放大任務,電路工作時,兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通,所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流,也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力,又提高開關速度。
         
        詳細理解:
         
         
         
         如圖所示,推挽放大器的輸出級有兩個“臂”(兩組放大元件),一個“臂”的電流增加時,另一個“臂”的電流則減小,二者的狀態輪流轉換。對負載而言,好像是一個“臂”在推,一個“臂”在拉,共同完成電流輸出任務。當輸出高電平時,也就是下級負載門輸入高電平時,輸出端的電流將是下級門從本級電源經VT3拉出。這樣一來,輸出高低電平時,VT3 一路和 VT5 一路將交替工作,從而減低了功耗,提高了每個管的承受能力。又由于不論走哪一路,管子導通電阻都很小,使RC常數很小,轉變速度很快。因此,推拉式輸出級既提高電路的負載能力,又提高開關速度。
         
         
         
        開漏輸出:輸出端相當于三極管的集電極. 要得到高電平狀態需要上拉電阻才行. 適合于做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內).
         
        開漏形式的電路有以下幾個特點:
         
        1.    利用外部電路的驅動能力,減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時,驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ,MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。
         
        2.    一般來說,開漏是用來連接不同電平的器件,匹配電平用的,因為開漏引腳不連接外部的上拉電阻時,只能輸出低電平,如果需要同時具備輸出高電平的功能,則需要接上拉電阻,很好的一個優點是通過改變上拉電源的電壓,便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。(上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的沿的速度 。阻值越大,速度越低功耗越小,所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。)
         
        3.    OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式,但是也有其弱點,就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電,所以當電阻選擇小時延時就小,但功耗大;反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求,則建議用下降沿輸出。
         
        4.    可以將多個開漏輸出的Pin,連接到一條線上。通過一只上拉電阻,在不增加任何器件的情況下,形成“與邏輯”關系。這也是I2C,SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。補充:什么是“線與”?:
         
        在一個結點(線)上,連接一個上拉電阻到電源VCC或VDD和n個NPN或NMOS晶體管的集電極C或漏極D,這些晶體管的發射極E或源極S都接到地線上,只要有一個晶體管飽和,這個結點(線)就被拉到地線電平上.因為這些晶體管的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),晶體管就會飽和,所以這些基極或柵極對這個結點(線)的關系是或非NOR邏輯.如果這個結點后面加一個反相器,就是或OR邏輯.
         
        其實可以簡單的理解為:在所有引腳連在一起時,外接一上拉電阻,如果有一個引腳輸出為邏輯0,相當于接地,與之并聯的回路“相當于被一根導線短路”,所以外電路邏輯電平便為0,只有都為高電平時,與的結果才為邏輯1。
         
        關于推挽輸出和開漏輸出,最后用一幅最簡單的圖形來概括:
         
         
        該圖中左邊的便是推挽輸出模式,其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極管截止,而上面NPN三極管導通,輸出電平VS+;當比較器輸出低電平時則恰恰相反,PNP三極管導通,輸出和地相連,為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式,需要接上拉。
         
         
         
        浮空輸入:對于浮空輸入,一直沒找到很權威的解釋,只好從以下圖中去理解了
         
         
         
         
        由于浮空輸入一般多用于外部按鍵輸入,結合圖上的輸入部分電路,我理解為浮空輸入狀態下,IO的電平狀態是不確定的,完全由外部輸入決定,如果在該引腳懸空的情況下,讀取該端口的電平是不確定的。
         
        上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入:這幾個概念很好理解,從字面便能輕易讀懂。
        復用開漏輸出、復用推挽輸出:可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況(即并非作為通用IO口使用)
        最后總結下使用情況:
        在STM32中選用IO模式
        (1) 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入,可以做KEY識別,RX1
        (2)帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入
        (3)帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入
        (4) 模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入,或者低功耗下省電
        (5)開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND,IO輸出1,懸空,需要外接上拉電阻,才能實現輸出高電平。當輸出為1時,IO口的狀態由上拉電阻拉高電平,但由于是開漏輸出模式,這樣IO口也就可以由外部電路改變為低電平或不變?梢宰xIO輸入電平變化,實現C51的IO雙向功能
        (6)推挽輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND, IO輸出1 -接VCC,讀輸入值是未知的
        (7)復用功能的推挽輸出_AF_PP ——片內外設功能(I2C的SCL,SDA)
        (8)復用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)
         
        STM32設置實例:
         
        (1)模擬I2C使用開漏輸出_OUT_OD,接上拉電阻,能夠正確輸出0和1;讀值時先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);拉高,然后可以讀IO的值;使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0);
         
        (2)如果是無上拉電阻,IO默認是高電平;需要讀取IO的值,可以使用帶上拉輸入_IPU和浮空輸入_IN_FLOATING和開漏輸出_OUT_OD;
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