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输入电路的匹配、设计与计算
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
4)R11=10kohm,R12=R13=46.4kohm
5)UB=4.5~16V
2.2.控制器与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PIN CN 悬空时,等效电路如下
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) 当UB=4.5V时,Ui=2.13V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2.33V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 4.5V | 2.13V | 2.33V | 0.4V | 4.4V |
b) 当UB=9V时,Ui=4.16V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.18V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 9V | 4.16V | 4.18V | 0.4V | 4.4V |
c)当UB=12.4V时,Ui=5.698V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.581V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 12.4V | 5.6987V | 5.581V | 0.4V | 4.4V |
d) 当UB=14V时,Ui=6.421V
此时二极管D1将导通,Ui被钳位到5.7V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.4-5.7)*100/(100+1000)=5.582V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 14V | 5.7V | 5.582V | 0.4V | 4.4V |
e) 当UB= 3.67371V时,Ui=1.76V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2V
UG1F等于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3.67371V | 1.76V | 2V | 0.4V | 4.4V |
f) 当UB= 3.3V时,Ui=1.59V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=1.84V
UG1F小于非门的VIH=2V,非门G1关闭,非门G2关闭
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3.3V | 1.59V | 1.84V | 4.4V | 0.4V |
Uo=0.4v时,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
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3.3V | 1.498V | 1.398V | 4.4V | 0.4V |
综合a)~f)得出如下结论
UB<3.67371V时,Uo将输出0.4V
UB>3.67371V时,Uo将输出4.4V
UB>12.4V时,Ui将被钳位到5.7V,UG1F将被固定到5.582V,Uo将输出4.4V
UB在3.67371V以上,都可以识别为H
2)当PIN CN 输入时,等效电路如下
(UPIN-Ui)/R13+Uo/(R3+R4)=Ui/R12
解出Ui=(UPIN/R13+Uo/(R3+R4))R12R13/(R12+R13)
a) 当UPIN=4.5V时,Ui=2.34V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2.53V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 4.5V | 2.34V | 2.53V | 0.4V | 4.4V |
b) 当UPIN=9V时,Ui=4.59V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.58V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 9V | 4.59V | 4.58V | 0.4V | 4.4V |
c) 当UPIN=11.2144V时,Ui=5.7V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.581V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 11.2144V | 5.7V | 5.581V | 0.4V | 4.4V |
d) 当UPIN=14V时,Ui=7.09V
此时二极管D1将导通,Ui被钳位到5.7V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.4-5.7)*100/(100+1000)=5.582V
UG1F大于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 14V | 5.7V | 5.582V | 0.4V | 4.4V |
e) 当UPIN= 3.334399V时,Ui=1.76V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=2V
UG1F等于非门的VIH=2V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3.334399V | 1.76V | 2V | 0.4V | 4.4V |
f) 当UPIN= 3V时,Ui=1.59V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=1.85V
UG1F小于非门的VIH=2V,非门G1关闭,非门G2关闭
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3V | 1.59V | 1.85V | 0.4V | 4.4V |
Uo=0.4v时,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
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 1 | 0 |
电压值 | 1. 3V | 1. 51V | 1. 41V | 4.4V | 0.4V |
综合a)~f)得出如下结论
UPIN<3.334399V 时,Uo将输出0.4V
UPIN>3.334399V时,Uo将输出4.4V
UPIN>11.2144V时,Ui将被钳位到5.7V,UG1F将被固定到5.582V,Uo将输出4.4V
UPIN在3.334399V以上,都可以识别为H
3)应用物理电路可配置如下
- 当开关SW打开时,等同于2.2中 1)当PIN CN 悬空,此时Uo为4.4V,为H.
- 当开关SW闭合时,Uo=0.4V, 为L.此时Ui=0.008V,UG1F=0.044V
综合a),b)得出如下结论
可以正确识别开关打开和闭合两种状态的
2.3.控制器与CMOS施密特触发器下的GPIO输入接口电路
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
4)R11=10kohm,R13=46.4kohm
5)UB=4.5~16V
2.4.控制器与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.
- 当PIN CN 悬空时,等效电路如下
Uo=4.5V
Ui=Uo+(UB-Uo)*(R3+R4)/(R11+R13+R3+R4)
a) 当UB=4.5V时,Ui=4.5V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.5V
UG1F大于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 4.5V | 4.5V | 4.5V | 0.5V | 4.5V |
b) 当UB=5.72183V时,Ui=5.699998V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.65998V
UG1F大于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 5.72183V | 5.699998V | 5.65998V | 0.5V | 4.5V |
c) 当UB=12V时,Ui=11.866V
此时二极管D1将导通,Ui被钳位到5.7V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.5-5.7)*100/(100+3000)=5.696V
UG1F大于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 12V | 5.7V | 5.696V | 0.5V | 4.5V |
d) 当UB= 3.446696V时,Ui=3.464417V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.5V
UG1F等于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3.446696V | 3.464417V | 3.5V | 0.5V | 4.5V |
e) 当UB= 3V时,Ui=3.03V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.08V
UG1F小于非门的VIH=3.5V,非门G1关闭,非门G2关闭
真值表如下
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3V | 3.03V | 3.08V | 0.5V | 4.5V |
Uo=0.5v时,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
信号 | UB | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 1 | 0 |
电压值 | 3V | 2.96V | 2.87V | 4.5V | 0.5V |
综合a)~e)得出如下结论
UB<3.464417V时,Uo将输出0.5V
UB>3.464417V时,Uo将输出4.5V
UB>5.72183V时,Ui将被钳位到5.7V,UG1F将被固定到5.582V,Uo将输出4.4V
UB在3.464417V以上,都可以识别为H
- 当PIN CN 输入时,等效电路如下
Ui=UPIN+(Uo-UPIN)*R13/(R13+R3+R4)
a) 当UPIN=4.5V时,Ui=4.5V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=4.5V
UG1F大于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 4.5V | 4.5V | 4.5V | 0.5V | 4.5V |
b) 当UPIN=5.717961V时,Ui=5.7V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.66V
UG1F大于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 5.717961V | 5.7V | 5.66V | 0.5V | 4.5V |
c) 当UB=12V时,Ui=11.8894V
此时二极管D1将导通,Ui被钳位到5.7V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=5.7+(4.5-5.7)*100/(100+3000)=5.696V
UG1F大于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 12V | 5.7V | 5.696V | 0.5V | 4.5V |
d) 当UB= 3.450033V时,Ui=3.464417V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.5V
UG1F等于非门的VIH=3.5V,非门G1打开,非门G2打开
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3.446696V | 3.465517V | 3.5V | 0.5V | 4.5V |
e) 当UB= 3V时,Ui=3.02V
UG1F=Ui+(Uo-Ui)*R3/(R3+R4)=3.07V
UG1F小于非门的VIH=3.5V,非门G1关闭,非门G2关闭
真值表如下
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 0 | 1 |
电压值 | 3V | 3.02V | 3.07V | 0.5V | 4.5V |
Uo=0.5v时,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
信号 | UPIN | Ui | UG1F | UG12 | Uo |
---|---|---|---|---|---|
逻辑值 | - | - | 1 | 1 | 0 |
电压值 | 3V | 2.96V | 2.88V | 4.5V | 0.5V |
综合a)~e)得出如下结论
UPIN<3.450033V 时,Uo将输出0.4V
UPIN>3.450033V时,Uo将输出4.4V
UPIN>5.717961V时,Ui将被钳位到5.7V,UG1F将被固定到5.582V,Uo将输出4.4V
UPIN在3.450033V以上,都可以识别为H
- 应用物理电路可配置如下
a) 当开关SW打开时,等同于2.4中 1)当PIN CN 悬空,此时Uo为4.5V,为H.
b)开关SW闭合时,Uo=0.5V,为L.此时Ui=0.007V,UG1F=0.023V
综合a),b)得出如下结论
可以正确识别开关打开和闭合两种状态
2.5.控制器与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.控制器与运放比较器施密特触发器下的GPIO阈值计算
因为运放的书输入阻抗很大,故在A1-和A2+的电压约等于输入电压,即UPIN=V(A1-)=V(A2-)
根据GPIO输入(上)说明,VDIH=3.33V,VDIL=1.67V.那么设计时,保证输入电压V(H)>3.33V为H,V(L)<1.67V为L.
3. TLL触发器、CMOS触发器、运放触发器比较
1)运放触发器对输入的阻抗要求不高,影响很小,阈值很稳定
2)TLL触发器、CMOS触发器对输入阻抗要求较高,外部电阻容易对阈值范围有一定影响
-
二极管
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