AVR单片机IO口结构和上拉和下拉电阻的作用

为搞清IO结构，首先看看上拉和下拉电阻的作用。

一、上拉电阻

上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平！电阻同时起限流作用！下拉同理！

上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的。一般说法是拉电流，下拉电阻是用来吸收电流。

1、在用TTL电路驱动CMOS电路时，若TTL的高电平低于CMOS要求的高电平的门限值（1，TTL电平： 输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平 是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是 0.4V。 2，CMOS电平： 1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。），此时需用上拉电阻来提升输出高电平的电压值 。

2、OC门必须外加上拉电阻，才能使用。（OC门:三极管的叫集电极开路，场效应管的叫漏极开路，简称开漏输出。具备"线与"能力,有0得0。 ）

3、为加大输出管脚的驱动能力，单片机的引脚常接入上拉电阻，（AVR单片机可配置是否接上拉，51单片机P1 P2 P3均带上拉，P0口不带，所以用P0口做按键，液晶等应用时要自己加上上拉电阻，否则无法使用切记）

4、CMOS芯片上为防止静电破坏，不用的管脚不能悬空，需要接上拉电阻降低输入阻抗，提供泄荷通路。

5、提高总线的搞电磁干扰能力，悬空就容易就电磁干扰。

二、上拉电阻阻值的选择

1、为节约功耗或使灌电流足够大，阻值要大，电流小。

2、为确保足够的驱动电流，阻值要小，电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能导致边沿变得平缓。

基于以上三点，一般选取上拉阻值为1K-10K。

三、上拉阻值的计算

OC门输出高电平时是一个高阻态，其上拉电流要由上拉电阻来提供，设输入端每端口不大于100uA,设输出口驱动电流约500uA，标准工作电压是5V，输入口的高低电平门限为0.8V(低于此值为低电平)；2V(高电平门限值)。

选上拉电阻时：

500uA x 8.4K= 4.2即选大于8.4K时输出端能下拉至0.8V以下，此为最小阻值，再小就拉不下来了。如果输出口驱动电流较大，则阻值可减小，保证下拉时能低于0.8V即可。

当输出高电平时，忽略管子的漏电流，两输入口需200uA

200uA x15K=3V即上拉电阻压降为3V，输出口可达到2V，此阻值为最大阻值，再大就拉不到2V了。选10K可用。COMS门的可参考74HC系列

设计时管子的漏电流不可忽略，IO口实际电流在不同电平下也是不同的，上述仅仅是原理，一句话概括为：输出高电平时要喂饱后面的输入口，输出低电平不要把输出口喂撑了（否则多余的电流喂给了级联的输入口，高于低电平门限值就不可靠了）

在数字电路中不用的输入脚都要接固定电平，通过1k电阻接高电平或接地。

四、51型单片机IO口

AVR的IO是真正双向IO结构，由于大部分网友都是从标准51转过来的，受标准51的准双向IO和布尔操作概念影响，没能掌握AVR的IO操作，所以有必要撰文说明一下

其实采用真正双向IO结构的新型MCU很多，常用的有 增强型51，PIC,AVR等，

先简单的回顾一下标准51的准双向IO结构

这种准双向IO结构的特点是

1 输出结构类似 OC门，输出低电平时，内部NMOS导通，驱动能力较强(800uA)；输出高电平靠内部上拉电阻，驱动能力弱(60uA)。

2永远有内部电阻上拉(P0口除外)，高电平输出电流能力很弱，所以即使IO口长时间短路到地也不会损坏IO口
(同理，IO口低电平输出能力较强,作低电平输出时不能长时间短路到VCC)

3作输出时，输出低电平可以推动LED(也是很弱的)，输出高电平通常需要外接缓冲电路(所以LED多为共阳接法)

五、AVR单片机IO口（千呼万唤始出来）

端口引脚配置
DDxn PORTxn PUD (in SFIOR) I/O 上拉电阻 说明
0 0 X 输入 No 高阻态 (Hi-Z)
0 1 0 输入Yes 被外部电路拉低时将输出电流
0 1 1 输入 No 高阻态(Hi-Z)
1 0 X 输出 No 输出低电平 ( 漏电流)
1 1 X 输出 No 输出高电平 ( 源电流)

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输入状态：

一、上拉输入状态：

1、在IO口线悬空时读入PINxn的值为1，状态稳定
2、在IO口线外接输入信号时读入PINxn的值随外部信号高低电平变化而变化

二、高阻输入状态：