GPIO输入主要电路结构

1. 数字输入输出的定义

数字输入或输出（英语：Digital Input or Digital Input），又叫开关量输入或输出，只有通和断二种状态，离散状态。

常见的数字输入有GPIO,GTA等

本文主要说明GPIO

2. GPIO输入主要电路结构

施密特触发器分TTL门电路、CMOS门电路和运放比较器三种种分别说明

2.1.TTL施密特触发器下的GPIO主要电路结构

其中

1）R1,R2为内部弱上拉或弱下拉，阻值很大，一般为100k以上；

2）D1,D2为嵌位二极管，可以嵌位到-V(D2)到VCC+V(D1)之间，如果选择硅管二极管，可以嵌位到-0.7V~5.7V；

3）R3=100Kohm，R4=1000kohm

2.2.TTL施密特触发器下的GPIO阈值计算

非门以74HCT1G04举例，此处不讨论R1,R2接入情况

1）当外部信号Ui未接入时,真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	悬空	0	1	0
电压值	悬空	悬空	4.4V	0.4V

UG1F=Ui*R4/(R3+R4)

2）当外部信号Ui输入上升，UG1F>=UIH=2.0V时，

Ui>=UG1F*(R3+R4)/R4=UIH*(R3+R4)/R4=2*（100+1000）/1000=2.2V

即VDIH=2.2V

假设Ui从0V升到4.2V

真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	1	1	0	1
电压值	4.2V	2.8V	0.4V	4.4V

3）当外部信号Ui输入从5V下降时，

（Uo-Ui）/(R3+R4)=(Uo-UG1F）/R4，即UG1F=(Ui*R4+Uo*R3)/(R3+R4)<=0.8V

Ui=

其中R3=100K,R4=1000K,Uo=4.4V,解得：Ui<=0.44V，即VDIL=0.44V

假设Ui从4.4V降到0.3V

真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	0	0	1	0
电压值	0.3V	0.67V	4.4V	0.4V

经过一段时间后，稳定后的

UG1F=(UiR4+UoR3)/(R3+R4)=(0.310+0.41)/11=0.1V

真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	0	0	1	0
电压值	0.3V	0.1V	4.4V	0.4V

综上所述，VDIH=2.2V ,VDIL=0.44V

2.3.CMOS施密特触发器下的GPIO主要电路结构

其中

1）R1,R2为内部弱上拉或弱下拉，阻值很大，一般为100k以上；

2）D1,D2为嵌位二极管，可以嵌位到-V(D2)到VCC+V(D1)之间，如果选择硅管二极管，可以嵌位到-0.7V~5.7V；

3）R3=100Kohm，R4=3000kohm

2.4.CMOS施密特触发器下的GPIO阈值计算

非门以74HC1G04举例，此处不讨论R1,R2接入情况

假设供电VCC=5V，那么UIH=3.5V,UIL=1.5V,VOH=4.5V,VOL=0.5V.

1）当外部信号Ui未接入时,真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	悬空	0	1	0
电压值	悬空	悬空	4.5V	0.5V

UG1F=Ui*R4/(R3+R4)

2）当外部信号Ui输入上升，UG1F>=UIH=3.5V时，

Ui>=UG1F*(R3+R4)/R4=UIH*(R3+R4)/R4=3.5*（100+3000）/3000=3.62V

即VDIH=3.62V

假设Ui从0V升到4.2V

真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	1	1	0	1
电压值	4.2V	3.62V	0.5V	4.5V

3）当外部信号Ui输入从5V下降时，

（Uo-Ui）/(R3+R4)=(Uo-UG1F）/R4，即UG1F=(Ui*R4+Uo*R3)/(R3+R4)<=0.5V

Ui=

其中R3=100K,R4=3000K,Uo=4.5V,解得：Ui<=0.37V，即VDIL=0.37V

假设Ui从4.2V降到0.2V

真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	0	0	1	0
电压值	0.3V	0.67V	4.5V	0.5V

经过一段时间后，稳定后的

UG1F=(UiR4+UoR3)/(R3+R4)=(0.33000+0.5100)/3100=0.31V

真值表为以下

信号	Ui	UG1F	UG12	Uo
逻辑值	0	0	1	0
电压值	0.3V	0.31V	4.5V	0.5V

综上所述，VDIH=3.62V ,VDIL=0.37V

2.5.运放比较器施密特触发器下的GPIO主要电路结构

其中

1）R1,R2为内部弱上拉或弱下拉，阻值很大，一般为100k以上；

2）D1,D2为嵌位二极管，可以嵌位到-V(D2)到VCC+V(D1)之间，如果选择硅管二极管，可以嵌位到-0.7V~5.7V；

3）R3=R4=R5=10Kohm

2.6.运放比较器施密特触发器下的GPIO阈值计算

利用运放A1和A2的虚短特性，

U1+=VCC*(R4+R5)/(R3+R4+R5)=5*2/3=3.33V

U2+=VCCR5/(R3+R4+R5)=51/3=1.67V

与非门以74HC00DR2G举例，此处不讨论R1,R2接入情况

假设供电VCC=5V，那么UIH=3.5V,UIL=1.5V,VOH=4.5V,VOL=0.5V.

非门以74HC1G04举例

假设供电VCC=5V，那么UIH=3.5V,UIL=1.5V,VOH=4.5V,VOL=0.5V.

运放比较器以LM324为例，工作量程V+-V-最大7mV,也就是说V+-V-超过7mV，运放进入放大饱和区间，此时输出VOH=3.5V,即为比较器功能。

1）当外部信号Ui未接入时

U1+=3.33V>Ui,那么U01=3.5V

Ui

真值表为以下

信号	Ui	Uo1	Uo2	Uo3	Uo4	Uo
逻辑值	悬空	1	0	1	0	1
电压值	悬空	3.5V	0.005V	4.5V	0.5V	4.5V

2）当外部信号Ui输入上升，Ui<1.67V时，

U1+=3.33V>Ui,那么U01=3.5V

Ui

假设Ui=1.0V

真值表为以下

信号	Ui	Uo1	Uo2	Uo3	Uo4	Uo
逻辑值	-	1	0	1	0	1
电压值	1.0V	3.5V	0.005V	4.5V	0.5V	4.5V

3）当外部信号Ui输入继续上升，3.33V=>Ui>=1.67V时，

U1+=3.33V>Ui,那么U01=3.5V

Ui>=U2-=1.67V,那么U02=3.5V

假设Ui=3V

真值表为以下

信号	Ui	Uo1	Uo2	Uo3	Uo4	Uo
逻辑值	-	1	1	1	0	1
电压值	3V	3.5V	3.5V	4.5V	0.5V	4.5V

4）当外部信号Ui输入继续上升，Ui>=3.33V时，

U1+

Ui>=U2-=1.67V,那么U02=3.5V

假设Ui=4.2V

真值表为以下

信号	Ui	Uo1	Uo2	Uo3	Uo4	Uo
逻辑值	-	0	1	0	1	0
电压值	4.2V	0.005V	3.5V	0.5V	4.5V	0.5V

综合1）~4）可以得出VDIH=3.33V(Uo由4.5V变为0.5V)

5）当外部信号Ui输入从5V下降到， Ui>3.33V

U1+=3.33V>Ui,那么U01=0.005V

Ui>=U2-=1.67V,那么U02=3.5V

假设Ui=4.2V

真值表为以下

信号	Ui	Uo1	Uo2	Uo3	Uo4	Uo
逻辑值	-	0	1	0	1	0
电压值	4.2V	0.005V	3.5V	0.5V	4.5V	0.5V

6）当外部信号Ui输入继续下降，3.33V=>Ui>=1.67V

U1+=3.33V>Ui,那么U01=3.5V

Ui>=U2-=1.67V,那么U02=3.5V

假设Ui=3V

真值表为以下

信号	Ui	Uo1	Uo2	Uo3	Uo4	Uo
逻辑值	-	1	1	0	1	0
电压值	3V	3.5V	3.5V	0.5V	4.5V	0.5V

7）当外部信号Ui输入继续下降，Ui<=1.67V

U1+=3.33V

Ui<=U2-=1.67V,那么U02=0.005V

假设Ui=1.2V

真值表为以下

信号	Ui	Uo1	Uo2	Uo3	Uo4	Uo
逻辑值	-	0	0	1	0	1
电压值	1.2V	0.005V	0.005V	4.5V	0.5V	4.5V

综合1）~4）可以得出VDIL=1.67V(Uo由0.5V变为4.5V)