上拉电阻和下拉电阻的作用及在通信电路中的应用全解析

上拉电阻和下拉电阻的作用及在通信电路中的应用全解析

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weixin_54742551/article/details/143786137

什么是上/下拉电阻

上拉、下拉电阻统一称为拉电阻，作用是将状态不确定的信号线通过一个电阻将其箝位至高电平（上拉）或低电平（下拉）。

在数字电路中，通常有三种状态：0（低电平）、1（高电平）、浮空（不确定、随机）。

开启上拉电阻或下拉电阻的作用

1. 确定默认电平状态：

• 上拉电阻：当开启上拉电阻时，GPIO引脚的默认电压为高电平。STM32内部的上拉电阻是一个弱上拉，即通过此上拉电阻输出的电流很小。如果需要输出较大的电流，则需要外接上拉电阻，以增加导线的输出电流。
• 下拉电阻：开启下拉电阻时，引脚的默认电压为低电平。下拉电阻的作用是降低导线的输出电流，确保在特定条件下输出低电平。

2. 防止引脚悬空：

• 当上拉和下拉电阻都不开启时，GPIO引脚处于浮空模式，此时引脚的电压是不确定的，可能会随时间改变。为了避免这种情况，通常会将引脚设置成上拉或下拉模式，以确保引脚有一个确定的默认电平状态。这有助于防止引脚悬空，避免产生积累电荷或静电荷，从而造成电路不稳定。

3. 电路设计和保护：

• 在电路设计中，根据具体的应用需求选择上拉或下拉模式。例如，在检测信号时，如果被检测信号接到电源的低电位（如通过按键接到VSS），则应配置为上拉模式；反之，如果接到高电位（如通过按键接到VDD），则应配置为下拉模式。
• 内部的上拉和下拉电阻阻值典型值为40K欧姆，最大为50K欧姆。如果需要提高信号波形的爬升或下降速率，可以在IO口外部增加强拉电阻，以减小时间常数，加快波形变化。但需要注意的是，强拉电阻由于电流较大，可能会增加系统的功耗并引起发热问题。

什么是弱上下拉和强上下拉？

那么上下拉电阻阻值该取多大？

• 阻值不能太小：太小的电阻值会导致开关闭合时产生较大的电流，增加功耗并可能引起发热问题。
• 阻值不能太大：太大的电阻值会导致上拉或下拉作用变弱，引脚接近于浮空状态，容易受干扰。
• 典型值：一般选择几K到几十K的电阻值，兼顾功耗和上下拉作用。

具体的值可以参考数据手册或者官方电路原理图。

所以这个电阻既不太大，也不太小，一般是几K到几十K大小，兼顾了功耗和上下拉作用。这里就引入了强弱的概念，弱就是阻值大，强就是阻值小。

通讯中的上拉电阻

在通讯电路中，上拉电阻（Pull-up Resistor）是一种常用的电路元件，它在电路中起到以下作用：

• 维持信号电平：在数字通讯中，上拉电阻通常用于维持信号线在未激活状态时的电平。例如，在开漏（Open-Drain）或开集（Open-Collector）输出电路中，输出端无法主动驱动信号到高电平，只能将信号拉低。上拉电阻可以将信号线拉到高电平（通常是电源电压），确保在没有信号驱动时，线路保持一个已知的状态。

• 定义逻辑高电平：上拉电阻帮助定义了电路中的逻辑高电平。当信号线未被驱动到低电平时，上拉电阻将线路电压拉到电源电压，从而定义了逻辑“1”。

• 限制电流：当信号线被拉低时，上拉电阻限制了流过线路和驱动器的电流，从而保护了电路不受过流的损害。

• 防止信号线浮动：在信号线未被明确驱动到高或低电平时，上拉电阻可以防止信号线处于不确定的浮动状态，这有助于减少电磁干扰（EMI）和提高信号稳定性。

• 提供灵活性：上拉电阻的使用为电路设计提供了灵活性，因为它允许使用开漏或开集输出，这些输出可以很容易地与多个信号线进行“线与”（Wired-OR）连接。

以下是一些具体的应用场景：

• I2C 总线：在I2C通讯协议中，上拉电阻用于SCL（时钟线）和SDA（数据线）上，以维持线路在未被驱动时的逻辑高状态。
• SPI 总线：在SPI通讯中，上拉电阻有时用于SS（从选择）线上，以确保在没有主设备选择从设备时，从设备不会被误激活。
• TTL 逻辑：在TTL（Transistor-Transistor Logic）电路中，上拉电阻用于确保逻辑门输出在未被激活时保持高电平。
• 开关去抖动：在机械开关的输入电路中，上拉电阻可以与电容配合使用，以实现去抖动功能，减少开关接触时产生的噪声。

选择合适的上拉电阻值很重要，因为它会影响到信号的速度、功耗和抗干扰能力。通常，上拉电阻的值需要在驱动能力和功耗之间做出权衡。

举例

1.串口-uart的上拉电阻

在串口通信中，上拉电阻可以用于确保信号线在未被驱动时保持高电平，避免信号线浮动。例如，当使用开漏输出时，上拉电阻可以确保信号线在未被驱动时保持高电平。

2.I2C的上拉电阻

在I2C通讯协议中，上拉电阻用于SCL（时钟线）和SDA（数据线）上，以维持线路在未被驱动时的逻辑高状态。

I2C总线是一种用于芯片之间进行通信的串行总线，它由两条线组成：串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）。这种总线允许多个设备在同一条总线上进行通信。

首先为什么I2C是开漏输出?

1. 防止短路
   I2C协议支持多个主设备与多个从设备在一条总线上，如果不用开漏输出，而用推挽输出，会出现主设备之间短路的情况。所以总线一般会使用开漏输出。

2. 可以实现“线与”逻辑：开漏输出可以实现“线与”逻辑，减少一个与门的使用，简化电路。

为什么要接上拉电阻?

连接上拉电阻后，才可以输出高电位。

• 漏极开路是为了防止I2C上连接多个主设备与多个从设备时出现短路；
• 上拉电阻的存在是为了在使用漏极开路之后，可以输出高电平；
• “线与”是为了在多个主设备同时占用总线时，具有仲裁的能力。