浅析单片机IO口输入的高阻态

我们都知道单片机的双向IO口既能输入也能做输出，推挽输出时IO口能通过内部上下MOS管开关切换能输出高低电平，高阻态输入时，IO口内部上下MOS管都关闭，IO口工作在高阻态的输入模式下，那么高阻态是个什么样的概念呢？

下图是常见的IO的内部框图。

当IO口处于高阻态时，我们也将其称为浮空输入状态，此时其电平是不确定的，既不是高电平也不是低电平。我们可以想象成，单片机在检测IO口的电平高低时，相当于在CPU里面有一个类似电压表的东西，并且这个电压表内阻很大，假设内阻为100MΩ（示意图如下）。在这里，我们可以把这个电压表的内阻称为这个IO口此时的输入电阻。

现在设想，当我不小心用手碰到了IO端口，而由于人体本身就是阻值很大的导体，周围有很多电磁波干扰，手上可能存在一些很微弱的电流，这个时候，电压表的读数就会发生变化，单片机读取的电平高低就会变。高阻态表现出来的结果就是外界很小的干扰，都可能导致读取的电平变化，甚至即使没有碰这个IO口，它每次读取的结果也可能不一样，因为外界的电磁波等可能会干扰到IO口。IO口输入端不使用时，可通过电阻单独连接到 VDD或 VSS。

为什么双向IO口输入的时候要求是高阻态呢？

我们假设现在有一种输入设备，等效电路如下图。内部开关上下切换，它就会输出高低电平给到单片机的IO口，IO口通过引脚内部电压表可以检测出来输入的是高电平还是低电平。但是这个设备驱动能力很弱，连LED也驱动不了。设备里的100kΩ，可以叫做设备的输出电阻（同样也可以近似认为是输出阻抗）。

如果我们采用内部上拉的方式做输入检测的话，如下图，让这个设备输出低电平，然后连接单片机的IO口。这时，5V经过IO口内部10kΩ上拉电阻到达IO口，再到装置内部的100kΩ电阻，通过开关接到GND。根据分压原理，IO口上读到的电压值大概是4.55V，于是单片机读取的是高电平。而事实上，设备是想输出低电平告知单片机。这里单片机管脚作为输入功能，却干扰了外界装置的输出值，相当于单片机的这个IO口也在输出。

如果我们将IO口的输入状态设置为高阻状态，且没有外接上下拉电阻，内部的两个上下MOS管都是断开的，对外部呈现高阻态。从下图中可以看出，装置输出的电平能被准确的读取到单片机中。之所以能准确读取，就是因为设备输出电阻比单片机IO口的输入电阻要小。有人可能会说，如果把设备中的电阻换成1000MΩ，这个时候这个单片机又不能准确读取电平了。但是一般情况下，我们不需要考虑这么极端。如果是理想的高阻态，其输入阻抗应该是无穷大，而这有点像超导体一样比较特殊。一般情况下认为导线电阻几乎为0，所以同样也认为高阻态输入电阻是无穷大。

总的来说，就是高阻态情况下，IO口输入电阻很大，而不容易干扰那些输出电阻较大、驱动能力弱的装置输出到IO口上的电平。

审核编辑：汤梓红