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1. 數(shù)字輸入輸出的定義

數(shù)字輸入或輸出（英語：Digital Input or Digital Input），又叫開關(guān)量輸入或輸出，只有通和斷二種狀態(tài)，離散狀態(tài)。

常見的數(shù)字輸入有GPIO,GTA等

本文主要說明GPIO

2. GPIO輸入電路的匹配、設(shè)計與計算

2.1.控制器與TTL施密特觸發(fā)器下的GPIO輸入接口電路

以STM32F103ZET6舉例,TTL肖特基觸發(fā)器

其中

1）R1,R2為內(nèi)部弱上拉或弱下拉，阻值很大，一般為100k以上；

2）D1,D2為嵌位二極管，可以嵌位到-V(D2)到VCC+V(D1)之間，如果選擇硅管二極管，可以嵌位到-0.7V~5.7V；

3）R3=100Kohm，R4=1000kohm

4）R11=10kohm，R12=R13=46.4kohm

5）UB=4.5~16V

2.2.控制器與TTL施密特觸發(fā)器下的GPIO閾值計算

非門以74HCT1G04舉例，此處不討論R1,R2接入情況

1）當PIN CN 懸空時，等效電路如下

Uo=4.4V

(UB-Ui)/(R11+R13)+Uo/(R3+R4)=Ui/R12

解出Ui=(UB/(R11+R13)+Uo/(R3+R4)) R12 (R11+R13)/(R11+R12+R13)

a) 當UB=4.5V時，Ui=2.13V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2.33V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	4.5V	2.13V	2.33V	0.4V	4.4V

b) 當UB=9V時，Ui=4.16V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.18V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	9V	4.16V	4.18V	0.4V	4.4V

c）當UB=12.4V時，Ui=5.698V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.581V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	12.4V	5.6987V	5.581V	0.4V	4.4V

d) 當UB=14V時，Ui=6.421V

此時二極管D1將導(dǎo)通，Ui被鉗位到5.7V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.4-5.7)*100/(100+1000)=5.582V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	14V	5.7V	5.582V	0.4V	4.4V

e) 當UB= 3.67371V時，Ui=1.76V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2V

UG1F等于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3.67371V	1.76V	2V	0.4V	4.4V

f) 當UB= 3.3V時，Ui=1.59V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=1.84V

UG1F小于非門的VIH=2V,非門G1關(guān)閉，非門G2關(guān)閉

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3.3V	1.59V	1.84V	4.4V	0.4V

Uo=0.4v時，解出Ui=(UB/(R11+R13)+Uo/(R3+R4))*R12*(R11+R13)/(R11+R12+R13)=1.4928V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=1.398V

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3.3V	1.498V	1.398V	4.4V	0.4V

綜合a)~f)得出如下結(jié)論

UB<3.67371V時，Uo將輸出0.4V

UB>3.67371V時，Uo將輸出4.4V

UB>12.4V時，Ui將被鉗位到5.7V,UG1F將被固定到5.582V，Uo將輸出4.4V

UB在3.67371V以上，都可以識別為H

2）當PIN CN 輸入時，等效電路如下

(UPIN-Ui)/R13+Uo/(R3+R4)=Ui/R12

解出Ui=(UPIN/R13+Uo/(R3+R4))R12R13/(R12+R13)

a) 當UPIN=4.5V時，Ui=2.34V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2.53V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	4.5V	2.34V	2.53V	0.4V	4.4V

b) 當UPIN=9V時，Ui=4.59V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.58V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	9V	4.59V	4.58V	0.4V	4.4V

c) 當UPIN=11.2144V時，Ui=5.7V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.581V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	11.2144V	5.7V	5.581V	0.4V	4.4V

d) 當UPIN=14V時，Ui=7.09V

此時二極管D1將導(dǎo)通，Ui被鉗位到5.7V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.4-5.7)*100/(100+1000)=5.582V

UG1F大于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	14V	5.7V	5.582V	0.4V	4.4V

e) 當UPIN= 3.334399V時，Ui=1.76V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2V

UG1F等于非門的VIH=2V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3.334399V	1.76V	2V	0.4V	4.4V

f) 當UPIN= 3V時，Ui=1.59V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=1.85V

UG1F小于非門的VIH=2V,非門G1關(guān)閉，非門G2關(guān)閉

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3V	1.59V	1.85V	0.4V	4.4V

Uo=0.4v時，解出Ui=(UB/R13+Uo/(R3+R4))*R12*R13/(R12+R13)=1.51V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=1.41V

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	1	0
電壓值	1. 3V	1. 51V	1. 41V	4.4V	0.4V

綜合a)~f)得出如下結(jié)論

UPIN<3.334399V 時，Uo將輸出0.4V

UPIN>3.334399V時，Uo將輸出4.4V

UPIN>11.2144V時，Ui將被鉗位到5.7V,UG1F將被固定到5.582V，Uo將輸出4.4V

UPIN在3.334399V以上，都可以識別為H

3）應(yīng)用物理電路可配置如下

當開關(guān)SW打開時，等同于2.2中 1）當PIN CN 懸空，此時Uo為4.4V,為H.
當開關(guān)SW閉合時，Uo=0.4V, 為L.此時Ui=0.008V,UG1F=0.044V

綜合a),b)得出如下結(jié)論

可以正確識別開關(guān)打開和閉合兩種狀態(tài)的

2.3.控制器與CMOS施密特觸發(fā)器下的GPIO輸入接口電路

其中

1）R1,R2為內(nèi)部弱上拉或弱下拉，阻值很大，一般為100k以上；

2）D1,D2為嵌位二極管，可以嵌位到-V(D2)到VCC+V(D1)之間，如果選擇硅管二極管，可以嵌位到-0.7V~5.7V；

3）R3=100Kohm，R4=3000kohm

4）R11=10kohm，R13=46.4kohm

5）UB=4.5~16V

2.4.控制器與CMOS施密特觸發(fā)器下的GPIO閾值計算

非門以74HC1G04舉例，此處不討論R1,R2接入情況

假設(shè)供電VCC=5V，那么UIH=3.5V,UIL=1.5V,VOH=4.5V,VOL=0.5V.

當PIN CN 懸空時，等效電路如下

Uo=4.5V

Ui=Uo+(UB-Uo)*(R3+R4)/(R11+R13+R3+R4)

a) 當UB=4.5V時，Ui=4.5V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.5V

UG1F大于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	4.5V	4.5V	4.5V	0.5V	4.5V

b) 當UB=5.72183V時，Ui=5.699998V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.65998V

UG1F大于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	5.72183V	5.699998V	5.65998V	0.5V	4.5V

c) 當UB=12V時，Ui=11.866V

此時二極管D1將導(dǎo)通，Ui被鉗位到5.7V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.5-5.7)*100/(100+3000)=5.696V

UG1F大于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	12V	5.7V	5.696V	0.5V	4.5V

d) 當UB= 3.446696V時，Ui=3.464417V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.5V

UG1F等于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3.446696V	3.464417V	3.5V	0.5V	4.5V

e) 當UB= 3V時，Ui=3.03V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.08V

UG1F小于非門的VIH=3.5V,非門G1關(guān)閉，非門G2關(guān)閉

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3V	3.03V	3.08V	0.5V	4.5V

Uo=0.5v時，解出Ui=Uo+(UB-Uo)*(R3+R4)/(R11+R13+R3+R4)=2.96V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2.87V

真值表如下

信號	UB	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	1	0
電壓值	3V	2.96V	2.87V	4.5V	0.5V

綜合a)~e)得出如下結(jié)論

UB<3.464417V時，Uo將輸出0.5V

UB>3.464417V時，Uo將輸出4.5V

UB>5.72183V時，Ui將被鉗位到5.7V,UG1F將被固定到5.582V，Uo將輸出4.4V

UB在3.464417V以上，都可以識別為H

當PIN CN 輸入時，等效電路如下

Ui=UPIN+(Uo-UPIN)*R13/(R13+R3+R4)

a) 當UPIN=4.5V時，Ui=4.5V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.5V

UG1F大于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	4.5V	4.5V	4.5V	0.5V	4.5V

b) 當UPIN=5.717961V時，Ui=5.7V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.66V

UG1F大于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	5.717961V	5.7V	5.66V	0.5V	4.5V

c) 當UB=12V時，Ui=11.8894V

此時二極管D1將導(dǎo)通，Ui被鉗位到5.7V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.5-5.7)*100/(100+3000)=5.696V

UG1F大于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	12V	5.7V	5.696V	0.5V	4.5V

d) 當UB= 3.450033V時，Ui=3.464417V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.5V

UG1F等于非門的VIH=3.5V,非門G1打開，非門G2打開

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3.446696V	3.465517V	3.5V	0.5V	4.5V

e) 當UB= 3V時，Ui=3.02V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.07V

UG1F小于非門的VIH=3.5V,非門G1關(guān)閉，非門G2關(guān)閉

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	0	1
電壓值	3V	3.02V	3.07V	0.5V	4.5V

Uo=0.5v時，解出Ui=Uo+(UB-Uo)*(R3+R4)/(R11+R13+R3+R4)=2.96V

UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2.88V

真值表如下

信號	UPIN	Ui	UG1F	UG12	Uo
邏輯值	-	-	1	1	0
電壓值	3V	2.96V	2.88V	4.5V	0.5V

綜合a)~e)得出如下結(jié)論

UPIN<3.450033V 時，Uo將輸出0.4V

UPIN>3.450033V時，Uo將輸出4.4V

UPIN>5.717961V時，Ui將被鉗位到5.7V,UG1F將被固定到5.582V，Uo將輸出4.4V

UPIN在3.450033V以上，都可以識別為H

應(yīng)用物理電路可配置如下

a) 當開關(guān)SW打開時，等同于2.4中 1）當PIN CN 懸空，此時Uo為4.5V,為H.

b)開關(guān)SW閉合時，Uo=0.5V,為L.此時Ui=0.007V,UG1F=0.023V

綜合a),b)得出如下結(jié)論

可以正確識別開關(guān)打開和閉合兩種狀態(tài)

2.5.控制器與運放比較器施密特觸發(fā)器下的GPIO主要電路結(jié)構(gòu)

其中

1）R1,R2為內(nèi)部弱上拉或弱下拉，阻值很大，一般為100k以上；

2）D1,D2為嵌位二極管，可以嵌位到-V(D2)到VCC+V(D1)之間，如果選擇硅管二極管，可以嵌位到-0.7V~5.7V；

3）R3=R4=R5=10Kohm

2.6.控制器與運放比較器施密特觸發(fā)器下的GPIO閾值計算

因為運放的書輸入阻抗很大，故在A1-和A2+的電壓約等于輸入電壓，即UPIN=V(A1-)=V(A2-)

根據(jù)GPIO輸入（上）說明，VDIH=3.33V,VDIL=1.67V.那么設(shè)計時，保證輸入電壓V(H)>3.33V為H,V(L)<1.67V為L.

3. TLL觸發(fā)器、CMOS觸發(fā)器、運放觸發(fā)器比較

1）運放觸發(fā)器對輸入的阻抗要求不高，影響很小，閾值很穩(wěn)定

2）TLL觸發(fā)器、CMOS觸發(fā)器對輸入阻抗要求較高，外部電阻容易對閾值范圍有一定影響

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GPIO的四種輸入模式介紹

GPIO的介紹 GPIO （general purpose input output）是通用輸入輸出端口的簡稱，通俗來講就是單片機上的引腳，在STM32中，GPIO的工作模式被細分為8

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GPIO內(nèi)部電路的原理

原理前言 GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)概覽 GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳解保護電路輸出電路推挽輸出開漏輸出輸入電路

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