上拉电阻 - 原理介绍与取值计算

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1、本文载自https://learn.sparkfun.com/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

2、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

3、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10kΩ左右的就可以了。这里

4、，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4MΩ，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

5、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-1MΩ，因此上拉电阻取值10kΩ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

6、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ArduinoMCU的内部上拉电阻。pinMode(5,INPUT_PULLUP);//Enableinternalpull-upresistoronpin5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

7、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，其中VCC=5V，那么该选取多大的上拉电阻阻值是合适的呢？使用欧姆定律很容易进行计算。套用到当前电路中，得到：移项后就可以得到对于当前这个电路，合适的上拉电阻阻值为：