深入详解单片机中的输入阻抗与输出阻抗

​​1. 输入阻抗（Input Impedance）—— "单片机有多挑食"​​

​​定义​​：输入阻抗是指单片机引脚在接收外部信号时，对信号源呈现的等效阻抗。它决定了单片机从信号源“索取”多少电流。

​​核心特点​​：

• ​​输入阻抗越高​​，单片机对前级电路的影响越小（几乎不吸收电流）。
• ​​输入阻抗越低​​，单片机可能“吃掉”信号源的电流，导致信号衰减或失真。

​​1.1 输入阻抗在单片机中的具体应用​​

​​(1) ADC（模数转换）采样​​

• ​​问题​​：当单片机ADC引脚直接连接高阻抗传感器（如光敏电阻、电位器）时，如果ADC输入阻抗不够高，会导致分压误差。
  • ​​举例​​：
    • 电位器阻值：10kΩ
    • STM32 ADC输入阻抗：约50kΩ（典型值）
    • ​​实际采样电压​​ = 信号源电压 × (ADC输入阻抗 / (电位器阻值 + ADC输入阻抗))
    • 若信号源电压=3.3V，则实际采样电压=3.3V × (50kΩ / (10kΩ + 50kΩ)) ≈ 2.75V（误差约16.7%）

分压电阻原公式

• ​​解决方案​​：
  • ​​加电压跟随器（Buffer）​​：使用运放（如LM358）缓冲，运放输入阻抗可达1MΩ以上，几乎不影响信号。
  • ​​降低传感器输出阻抗​​：例如，光敏电阻+固定电阻分压后，再用运放缓冲。

​​(2) 按键检测（GPIO输入模式）​​

• ​​上拉/下拉输入模式​​：
  • 输入阻抗高 → 更容易检测微小电流变化（如触摸按键、电容式感应）。
  • 输入阻抗低 → 可能误判（如潮湿环境下漏电流导致误触发）。
• ​​典型值​​：
  • STM32 GPIO输入阻抗：约50kΩ~1MΩ（取决于配置）。
  • 机械按键通常直接接GPIO，但长线传输时需考虑阻抗匹配（防干扰）。

​​(3) 通信接口（UART、I2C、SPI）​​

• ​​I2C总线​​：
  • 总线上拉电阻（如4.7kΩ）的选择需考虑所有设备的输入阻抗。
  • 若设备输入阻抗太低（如某些老式传感器），可能导致信号拉不高（逻辑“1”电压不足）。
• ​​UART通信​​：
  • 长距离传输（如RS485）时，接收端输入阻抗需匹配（通常120Ω终端电阻）。

​​1.2 如何测量/计算输入阻抗？​​

• ​​方法1：查数据手册​​
  • 例如，STM32的GPIO输入漏电流典型值±1μA（@3.3V）。
  • 输入阻抗 ≈ 电压 / 漏电流 = 3.3V / 1μA = 3.3MΩ。
• ​​方法2：实验测量​​
  • 接可变电阻分压，观察ADC采样值变化，反推输入阻抗。

2. 输出阻抗（Output Impedance）—— "单片机有多大力气"​​

​​定义​​：输出阻抗是指单片机引脚在输出信号时，内部等效电阻。它决定了单片机驱动外部负载的能力。

​​核心特点​​：

• ​​输出阻抗越低​​，驱动能力越强（电压不易被拉低）。
• ​​输出阻抗越高​​，接负载后电压下降严重（如LED变暗、电机转速不稳）。

​​2.1 输出阻抗在单片机中的具体应用​​

​​(1) GPIO驱动LED​​

• ​​STM32 GPIO输出阻抗​​：约25Ω（数据手册参数）。
• ​​直接驱动LED​​：
  • 假设LED压降2V，限流电阻计算需包含输出阻抗！
  • ​​错误示范​​：忽略输出阻抗，计算电阻 = (3.3V - 2V) / 10mA = 130Ω → 实际电流可能只有8mA（LED变暗）。
  • ​​正确计算​​：总阻抗 = 输出阻抗 + 限流电阻 → 需调整电阻值。

​​(2) 驱动MOS管（如控制电机）​​

• ​​MOS管栅极等效电容​​：几千pF（如IRF540N的Ciss≈1800pF）。
• ​​问题​​：
  • 若单片机输出阻抗高（如100Ω），栅极充电慢 → MOS管开关损耗大（发热）。
  • 例如，充电时间常数 τ = R × C = 100Ω × 1800pF = 180ns → PWM频率高时可能无法完全开关。
• ​​解决方案​​：
  • ​​加栅极驱动芯片​​（如IR2104，输出阻抗<1Ω）。
  • ​​用推挽输出模式​​（降低输出阻抗）。

​​(3) 电平转换（3.3V ↔ 5V）​​

• ​​问题​​：
  • 3.3V单片机直接驱动5V设备（如某些老式LCD），若输出阻抗高，可能导致逻辑“1”电压不足（如只有2.5V）。
• ​​解决方案​​：
  • 使用电平转换芯片（如TXB0104，输出阻抗低）。
  • 或使用开漏输出+上拉电阻（降低等效输出阻抗）。

2.2 如何测量/计算输出阻抗？​​

• ​​方法1：查数据手册​​
  • 例如，STM32的GPIO在IOL=8mA时，VOL=0.4V。
  • 输出阻抗 ≈ VOL / IOL = 0.4V / 8mA = 50Ω。
• ​​方法2：负载调整法​​
  • 空载测量输出电压V1，接已知负载R后测量V2。
  • 输出阻抗 = (V1 - V2) / (V2 / R)。

​​3. 阻抗匹配的黄金法则（单片机版）​​

​​典型错误案例​​：

• ​​错误1​​：用单片机GPIO直接驱动继电器线圈（线圈等效阻抗低，如100Ω）。
  • ​​结果​​：单片机IO口电流超限（如STM32最大25mA），导致重启或烧毁。
  • ​​解决​​：加三极管/NMOS（如2N7000）驱动。
• ​​错误2​​：长线传输UART信号（如5米），未考虑阻抗匹配。
  • ​​结果​​：信号反射、数据错误。
  • ​​解决​​：加RS485芯片（阻抗匹配+差分传输）。

​​4. 高频情况（SPI、PWM）的特殊考虑​​

• ​​SPI通信（1MHz以上）​​：
  • PCB走线阻抗需匹配（通常50Ω），否则信号反射导致数据错误。
  • 解决方案：加串联电阻（如22Ω）或缩短走线长度。
• ​​PWM驱动电机（10kHz以上）​​：
  • 关注驱动级的输出阻抗（影响MOS管开关速度）。
  • 例如，输出阻抗高 → PWM上升沿缓慢 → 电机效率降低。

​​5. 总结​​

​​记住核心原则​​：

• ​​前级输出阻抗 << 后级输入阻抗​​，系统才能稳定工作！
• 高频信号（SPI、PWM）需额外考虑阻抗匹配。