高阻態(tài)的定義和特性

　　高阻態(tài)是指電路中的一種狀態(tài)，當某個引腳輸出高阻態(tài)時，意味著該引腳既不是高電平也不是低電平，而是處于一種懸浮狀態(tài)。在高阻態(tài)下，引腳的電壓不確定，不會主動驅動任何電平，相當于在電路中沒有連接?。此外，高阻態(tài)引腳表現(xiàn)為高阻抗，相當于一個非常高的電阻，與電路隔離開來，不會影響該引腳的狀態(tài)，也不會有電流流入或流出這個引腳?。

　　高阻態(tài)在單片機中的作用

　　?防止電平沖突?：在高阻態(tài)下，單片機的輸入/輸出端口可以防止電平沖突。當端口處于高阻態(tài)時，即使其他電路發(fā)生電平沖突，也不會對單片機產生影響?。

　　?信號隔離?：高阻態(tài)引腳能夠感知外部信號的電壓變化，因此能夠被高電平信號拉高到邏輯“1”。這個特性使得高阻態(tài)輸入在許多數字電路中非常重要，能夠實現(xiàn)有效的信號隔離和穩(wěn)定的狀態(tài)檢測?2。

　　?多路復用器的應用?：在高阻態(tài)下，多路復用器的某個通道既不傳遞信號也不接收信號，而是處于懸浮狀態(tài)。這使得該通道可以用于傳輸其他通道的信號?。

　　高阻態(tài)這是一個數字電路里常見的術語，指的是電路的一種輸出狀態(tài)，既不是高電平也不是低電平。

　　如果高阻態(tài)再輸入下一級電路的話，對下級電路無任何影響，和沒接一樣，如果用萬用表測的話有可能是高電平也有可能是低電平，隨它后面接的東西定。

　　相比于五伏輸出，高阻態(tài)的特征是輸出管腳處于三態(tài)，輸出阻抗變得較高，接近于無窮大。這種狀態(tài)通常用于實現(xiàn)雙向傳輸，即可以接收外部輸入信號，也可以向外部輸出信號。高阻態(tài)的優(yōu)點是在輸出狀態(tài)下功耗非常低，可以有效提高系統(tǒng)的功耗效率。

　　高阻態(tài)特性：

　　外部輸入不會影響該引腳狀態(tài)，但可以檢測信號：

　　1、高阻態(tài)引腳表現(xiàn)為高阻抗，相當于一個非常高的電阻，與電路隔離開來。所以，當你在高阻態(tài)引腳上加上高電平(比如通過外部拉高信號)，它不會影響該引腳的狀態(tài)，也不會有電流流入或流出這個引腳。

　　2、盡管引腳處于高阻態(tài)，單片機仍然可以將其配置為輸入模式。在這種情況下，引腳會檢測到高電平，并可以在代碼中讀取這個高電平信號。因此，即使引腳在高阻態(tài)，它仍然可以檢測到外部加上的高電平(或低電平)信號。

　　高阻態(tài)的實質

　　電路分析時高阻態(tài)可做開路理解，你可以把它看作輸出(輸入)電阻非常大。它的極限可以認為懸空，也就是說理論上高阻態(tài)不是懸空，它是對地或對電源電阻極大的狀態(tài)。而實際應用上與引腳的懸空幾乎是一樣的。

　　高阻態(tài)的意義

　　當門電路的輸出上拉管導通而下拉管截止時，輸出為高電平，反之就是低電平。如果當上拉管和下拉管都截止時，輸出端就相當于浮空(沒有電流流動)，其電平隨外部電平高低而定，即該門電路放棄對輸出端電路的控制 。

　　典型應用

　　在總線連接的結構上?？偩€上掛有多個設備，設備于總線以高阻的形式連接。這樣在設備不占用總線時自動釋放總線，以方便其他設備獲得總線的使用權。

　　大部分單片機I/O使用時都可以設置為高阻輸入。高阻輸入可以認為輸入電阻是無窮大的，認為I/O對前級影響極小，而且不產生電流(不衰減)，而且在一定程度上也增加了芯片的抗電壓沖擊能力。

　　高阻態(tài)常用表示方法：高阻態(tài)常用字母 Z 表示。

　　在一個系統(tǒng)中或在一個整體中，我們往往定義了一些參考點，就像我們常常說的海平面，在單片中也是如此，我們無論說是高電平還是低電平都是相對來說的。明確了這一點對這一問題可能容易理解。

　　在單片機(微控制器)中，高阻態(tài)(High-Z，High Impedance State)是指引腳的電氣特性類似于沒有連接狀態(tài)，即該引腳的電流非常小，幾乎不對電路產生影響。具體來說，高阻態(tài)具有以下幾個特點：

　　高阻態(tài)的特點

　　輸入狀態(tài)：

　　引腳不驅動任何電平(高電平或低電平)，相當于引腳在電路中沒有連接。此時，電路中的電流幾乎為零。

　　無干擾：

　　高阻態(tài)的引腳不會對其他電路產生電氣干擾或影響。它在邏輯上“斷開”了與電路的連接，避免了任何潛在的短路或電氣沖突。

　　可由外部電路控制：

　　處于高阻態(tài)的引腳允許外部電路(如外部信號源或其他電路)對其進行控制或讀取。因為引腳沒有固定的輸出電平，它能夠接收來自外部電路的輸入信號。

　　高阻態(tài)的應用

　　多路復用(MUX)：

　　在需要將多個信號源連接到同一個引腳時，高阻態(tài)非常有用。通過將不需要的信號源的引腳設置為高阻態(tài)，可以避免對選定信號源的干擾。

　　總線驅動：

　　在總線系統(tǒng)中，高阻態(tài)的引腳可以防止多個設備同時驅動總線，從而避免總線上的信號沖突。只有被選中的設備會驅動總線，其他設備將其引腳設置為高阻態(tài)。

　　模擬輸入：

　　在一些模擬應用中，模擬輸入引腳在不需要驅動電流時可以設置為高阻態(tài)，以減少對模擬信號的影響。

　　實際示例

　　以單片機的 GPIO(通用輸入輸出)引腳為例，當一個引腳配置為高阻態(tài)時：

　　如果該引腳在之前被配置為推挽輸出(驅動高電平或低電平)，將其設置為高阻態(tài)后，它不再驅動任何電平，相當于該引腳的輸出被“斷開”。

　　如果該引腳在之前被配置為輸入模式，設置為高阻態(tài)與輸入模式類似，允許外部電路連接到此引腳，并能夠讀取外部信號。

　　單片機IO口的雙向性及其高阻態(tài)解析

　　單片機的IO口，即輸入輸出端口，具有雙向性，既能用于輸入也能用于輸出。在推挽輸出模式下，IO口能夠通過內部上下MOS管的切換來輸出高低電平。然而，當IO口處于高阻態(tài)輸入時，其內部上下MOS管均處于關閉狀態(tài)，此時IO口便進入高阻態(tài)的輸入模式。那么，究竟什么是高阻態(tài)呢?讓我們通過一張常見的IO內部框圖來進一步了解。

　　當IO口處于高阻態(tài)時，我們通常也將其稱為浮空輸入狀態(tài)。在這一狀態(tài)下，IO口的電平呈現(xiàn)不確定性，即它既不固定為高電平也不固定為低電平。為了幫助理解，我們可以想象單片機在檢測IO口電平時，CPU內部仿佛接有一個高內阻的電壓表，其內阻值假設為100MΩ(具體示意可參考相關電路圖)。這個電壓表的內阻，在此情境下，我們可以稱之為該IO口在高阻態(tài)下的輸入電阻。

　　現(xiàn)在，我們設想一個場景：如果不慎用手觸碰了IO端口，由于人體具有較高的阻值，同時周圍存在電磁波干擾，手上可能產生微弱的電流。這樣的情況下，電壓表的讀數會出現(xiàn)變化，進而影響單片機讀取的電平高低。高阻態(tài)的特性使得輕微的干擾都可能導致讀取的電平發(fā)生波動，甚至在沒有觸碰IO口的情況下，每次讀取的結果也可能截然不同，這主要是因為外界的電磁波等會對IO口造成干擾。當IO口輸入端未使用時，可以通過電阻將其單獨連接到VDD或VSS。

　　那么，為什么雙向IO口在輸入時要求處于高阻態(tài)呢?我們可以通過一個假設的輸入設備來解釋這一現(xiàn)象。該設備的等效電路如下：其內部開關的切換會輸出高低電平給單片機的IO口，而IO口通過引腳內部的電壓表可以檢測出輸入的是高電平還是低電平。但值得注意的是，這種設備的驅動能力較弱，甚至無法驅動LED。設備中的100kΩ電阻，可以視為設備的輸出電阻(或輸出阻抗)。

　　如果我們采用內部上拉的方式來進行輸入檢測，將設備設置為輸出低電平，并將其與單片機的IO口相連，情況會如何呢?在這種配置下，5V電壓會經過IO口內部的10kΩ上拉電阻，流經IO口，再經過裝置內部的100kΩ電阻，并通過開關接地。根據分壓原理，IO口所測得的電壓值約為55V，導致單片機誤讀為高電平。然而，實際上，設備試圖輸出的是低電平來通知單片機。這種情況下，單片機的管腳雖作為輸入功能，卻意外地改變了外界裝置的輸出值，仿佛單片機的IO口也在主動輸出信號。

　　若我們將單片機的IO口設置為高阻態(tài)，并確保無外接上下拉電阻，則其內部的兩個MOS管將處于斷開狀態(tài)，對外部電路呈現(xiàn)高阻抗。在此狀態(tài)下，裝置輸出的電平能夠被單片機準確讀取，這得益于設備輸出電阻低于單片機的IO口輸入電阻。或許有人會設想，若將設備中的電阻增至1000MΩ，單片機可能無法準確讀取電平。但通常，我們無需考慮如此極端的情形。理想狀態(tài)下，高阻態(tài)的輸入阻抗應視為無窮大，這類似于超導體的特性。在實際應用中，導線電阻通常被視為極小，因此高阻態(tài)輸入電阻也被認為是無窮大。