入门级：单片机最小系统硬件详解 —— 从LED blinking看电路原理（1）

问题回答为什么是两个？因为振荡电路需要对称的负载，形成完整的谐振回路和相位网络。一个电容无法构成完整的振荡条件。为什么接地？地为信号提供参考点和回流路径，形成闭环。如果去掉会怎样？单片机大概率无法启动，或者运行极其不稳定（时而死机）。如果电容值不对？晶振可能输出频率不准（导致串口乱码），或者根本不起振。

a_cizhi

395人浏览 · 2026-03-11 08:53:53

a_cizhi · 2026-03-11 08:53:53 发布

前言

你是否曾经无数次翻开书本，看过电路图，当时觉得“懂了”，但过几天再看又一脸茫然？是否总是不明白“这里为什么要放个电阻”，“那里为什么要加两个电容”？

你不是一个人。

硬件设计最难的不是记住结论，而是理解每个元器件为什么出现在那个位置。今天，我们就从一个最简单的LED闪烁电路入手，把单片机最小系统的每个元件都拆开揉碎，让你真正明白——原来如此。

1，电磁干扰

1，静电放电（ESD）干扰

冬天，脱毛衣那种劈里啪啦的响声，这是静电，还有各种电器、铁柜的放电。

2，快速瞬间脉冲群（EFT）干扰

使用电钻过程中，听收音机有杂音、电视图像有波纹。

3，浪涌（Surge）干扰

浪涌电流：超出正常工作电流的瞬间过电流，电涌指的是常规电压的增加，通常由剧烈变动或电力需求的增加而引起，打开大功率电器，吹风机，空调都会引发电涌和峰值电压。

2，去耦电容

100μF 和 0.1μF，这两个电容被用来静电放电的。

人能感觉的静电是2~3kV,如果可以看得见的静电是4~5kV。电压非常高，由于电量小，电人只有感觉。但是对于电子设备，扛高压的能力非常弱，容易损坏电子元器件，这两个电容主要用来抵抗电磁干扰。

分类：

1）钽电容，深色条那侧是正极，另一侧是负极。特性较好，是贴片的，占用面积较少，价格昂贵。

2）电解电容，直插式的，没有钽电容特性好，它的个头很大，容值也大，价格便宜。

3）贴片陶瓷电容，特性非常好，容值小。

钽电容电解电容贴片陶瓷电容

作用：

1）去除电源低频纹波。

电流和水流类似，电流供电过程中，一起一伏咕噜咕噜的，并不均匀。因此电容就像个水缸，水流经过水缸后，水流会变得平稳。

2）储能稳压

电子设备后级用电是变化的，时高时低，如果没有电容的储能，电压的上升下降会直接影响后端的电子设备使用。因此作用是稳定电源，稳定电压。

用法：

电源输入端的电容是必要的，进来先做一个“储水池”，稳定电源，后面所有的电路都通过蓄水池稳定电源。

电容指标：

1）耐压值，它可以抵抗多大的电压，5V系统就需要二倍耐压，电容本身需要耐压10V,有的电路1.5倍耐压也可以

2）电容值，它的大小完全由电路的设置决定，电路设置的耗电量越大，电容也需要越大，因为耗电量特别大的时候，要给后级提供足够的电流，前级应该提供足够的电流给后级。开发一款产品，确定不了电容的容值，就可以先把别人的原理图拿来，学习一下，先搞明白这个电路什么意思，然后就可以直接用，别人是经过实践验证的。

0.1μF的用途是，过滤一些小的干扰，比如静电、快速瞬间脉冲等高频信号，电容对高频的信号相当于短路，因此消除了高频干扰，0.1μF就是我们平时用的104,104就是10^4方皮法。

为啥小电容处理高频，大电容处理低频

根据之前的公式 I=C⋅dv / dt：

假设电压在同样的时间内（比如 1 微秒）变化了同样的幅度（0.1V），那么：

0.1μF 能提供的瞬间电流：约 10 mA
100μF 能提供的瞬间电流：约 10 A（是 0.1μF 的 1000 倍！）

核心原因一：板级卷绕结构（物理）

如果你拆开一个 100μF 的电解电容，会发现它内部其实是长长的两条铝箔（极板），中间夹着电解纸，像卷饼或瑞士卷一样紧紧地卷起来。

100μF（大水桶）的微观结构：
- 路径长： 电流要从卷在最外面的引脚，穿过长长的、卷起来的箔片，才能到达卷在最里面的部分。这就像让一个人在拥挤的操场上跑 1000 米。
- 产生电感： 这种卷绕结构天生就带有一个副产品——等效串联电感（ESL，Equivalent Series Inductance）。
- 电感的作用： 电感有一个特性叫 “电流不能突变”。它就像电路中的飞轮，有巨大的惯性——你推它（改变电流方向），它要延迟一下才动；你想让它停下（高频振荡），它因为惯性还在转。
- 结论： 当高频信号（每秒变化几百万次）试图让电流一会儿正、一会儿负时，这个“卷饼”内部的巨大惯性会阻止电流快速变化。所以高频信号在这里“跑不动”，这个大电容在高频下就表现为高阻抗，相当于断路了。
0.1μF（小酒杯）的微观结构：
- 它通常是瓷片电容。结构简单得多，通常是多层陶瓷薄片堆叠，引脚很短，几乎没有卷绕。
- 路径短： 电流直来直去，几乎没有惯性。
- 结论： 高频信号在这里可以畅行无阻，轻松地给电容充放电。

核心原因二：极化反应（化学惯性）

这是电解电容（100μF 通常都是电解电容）特有的。

工作原理： 电解电容内部不是简单的金属对金属，而是通过化学反应形成的一层极薄的氧化膜作为绝缘介质。
反应速度： 当电压方向变化时（虽然我们用在直流电上，但纹波就是微小的来回变化），这层氧化膜需要做出化学调整。
类比： 这就像捏橡皮泥。你慢慢捏（低频），它可以跟着变形。但如果你以极高的频率（每秒几万次）疯狂揉捏，橡皮泥就跟不上了，会变得僵硬甚至断裂。
结果： 在高频下，化学反应来不及完成，电解电容失去了电容特性，变成了一个普通的电阻甚至断路。

用实验现象来理解（等效电路）

在电子工程师眼中，一个真实的电容并不是一个理想的电容，而是由以下几个元件组成的：

理想电容（C） + 电阻（ESR） + 电感（ESL）

低频时（比如 100Hz 的电源波纹）：
- 电感（ESL）的阻抗极低（XL=2πfLX**L=2πfL，频率低，阻抗低），电感相当于一根导线。
- 主要是理想电容（C）在起作用。
- 100μF 表现完美： 大水桶慢慢充放电，把低频波纹滤除得干干净净。
高频时（比如 100MHz 的芯片噪声）：
- 电感（ESL）的阻抗变得极高（XL=2πfLX**L=2πfL，频率高，阻抗高），像一堵墙堵住了电流。
- 电流无法通过这个“大电感”进入电容内部。
- 结果： 100μF 电容在高频下“消失”了（实际表现为阻抗很高，滤不掉噪声）。

而 0.1μF 的小电容，因为 ESL 极小，在高频下依然表现为一个纯粹的电容，可以让高频噪声通过它流回地线（被滤除），而不是跑到电源线上干扰其他芯片。

3，三极管

最常用的三个功能

1，开关控制

2，信号放大

3，电平转换

三极管有PNP型，NPN型。

b:基极，c集电极，e:发射极。

PNP三极管：e比b高0.7v，三极管就导通，这个导通靠电压。

NPN三极管：b比e高0.7v，三极管就导通，这个导通靠电压。

电流控制指的是三极管起了一个放大的作用，它有一个倍数关系

开关作用，三极管的饱和状态和截至状态。

如果这个I/O口，B_IN是单片机的5V,系统（b基极）且是高电平，三极管就导通，输出一个高电平（c发射极）

如果I/O口输出一个低电平，三极管不导通，被截至，输出一个低电平（c发射极）。即通过I/O口的B_IN输出信号可以控制一个其它电压（5v/12v/other v）的系统，用其他的电压直接驱动蜂鸣器响，而不需要i/o引脚驱动，节省了功耗。

4，晶振电路

cpu的心脏，晶振的接法是直接接到单片机晶振的两个引脚上，对地要接两个电容，这两个电容也叫负载电容，10~30pF都可以这是晶振厂家要求的，后面有解释为啥这样。

晶体：中间那片深色的、很薄的材料，就是石英晶体。它是整个器件的核心，具有压电效应。

电极：晶体上下两层金色的物质，就是金属电极（通常是银或金）。它们负责把电压加到晶体上，也负责把晶体产生的电压引出来。

引脚：两个电极分别连接到晶振的两个金属引脚（就是你焊在电路板上的那两个脚）。

所以，晶振本质上就是一个被封装起来的、会振动的高精度石英片。

核心原理（压电效应）

这张图完美地解释了什么是压电效应。我们可以把它拆解成两个过程：

过程一：施加电压 -> 产生形变（电生力）

动作：当你把晶振的两个引脚（也就是上下两个电极）接通电源，给晶体施加一个电压。
结果：晶体内部会产生应力，导致它发生机械形变（比如变厚、变薄或者弯曲）。
图中对应：就是电流通过上下电极，穿过中间的晶体。

过程二：施加压力 -> 产生电压（力生电）

动作：如果你反过来，用手挤压或掰弯这个石英片。
结果：在两个电极上会产生一个微小的电压。
图中对应：晶体受力变形，电极上就会出现电信号。

这就是晶振工作的物理基础：电能和机械能在这里可以互相转换。

但问题在于：如果只给它加一个固定的直流电压（比如 5V），它会弯一下然后就停在那里，不会持续振动。它需要交流信号来推它。

过程三：如何让它持续振动（电路工作过程）

工作过程：

第1步：启动扰动

电路通电瞬间，会产生微小的电噪声（电压波动）。假设这个波动让 XTAL1 （下边） 的电压微微升高，表现为 XTAL1 电压升高（电场能量增加）。同时，这股能量通过晶振传递给 XTAL2，试图把 XTAL2 也推高。。

第2步：能量传递

由于晶振的压电效应，当能量试图把 XTAL2 推高时，遇到了 C1 的强烈抵抗（因为电容两端电压不能突变，C1 需要吸收电流才能让 XTAL2 电压升高）。结果，能量无法全部变成 XTAL2 的电压，有一部分能量被迫储存进了晶振的内部，变成了石英晶片的机械形变能（你可以想象成晶片被弯曲了）。

关键点：当能量从 XTAL1 端“流走”并储存为机械能时，XTAL1 端原有的电场能量就减少了。能量减少了，电压自然就撑不住了，所以开始回落。

类比： 这就像一个弹簧两端各有一个重物。

你推左边的重物（相当于给 XTAL1 加压），弹簧被压缩（相当于能量储存）。
然后你松手，左边的重物往回走（XTAL1 回落），同时弹簧把储存的能量释放，把右边的重物推出去（XTAL2 被推高）。

所以，XTAL1 回落，是因为它把自己的能量“借”给了晶振（变成机械能）和另一端的电容 C1（准备给 XTAL2 充电）。

第3步：第二次“拉住” （能量再次储存）

XTAL1 （下边）** 连接着 C2，C2 同样另一端接地。

当 XTAL2 被推高、能量试图传回 XTAL1 时，C2 开始发挥作用，它拉住 XTAL1，不让它跟着升高。

能量再次被储存为晶振的机械形变，XTAL2 的电压开始回落。

第4步：循环往复，形成振荡

XTAL2 回落 → 能量释放 → XTAL1 被推高 → C2 拉住 XTAL1 → 能量储存 → XTAL1 回落 → 能量释放 → XTAL2 被推高 → C1 拉住 XTAL2 → ……

如此循环，能量在 C2 ↔ 晶振 ↔ C1 之间来回转移，形成稳定的正弦波振荡。

结论： 两个电容就像两个锚点，交替地拉住两端，让能量不能在瞬间释放完，必须来回振荡。这就是“谐振”的物理意义。

假如单片机不工作，先用万用表测量电压，测试单片机的工作电压是不是在3.8~5.5v之间，然后测量晶振，晶振通常是用示波器来测量的，但也可以利用万用表简易测试一下，江红表笔接晶振的引脚，黑表笔接GND，测量它的电压，电压一般在1~4v之间，如果是0V或者5V,那么说明这个晶振没有正常工作。

稳频和滤波

决定频率准确度（负载电容）：
- 每个晶振都有一个参数叫 “负载电容”，通常标注为 12pF、20pF 或 30pF。
- 这意味着：为了让晶振实际输出频率刚好是 12.000MHz，它需要看到外部电路的总电容（主要是这两个电容串联后的值，加上电路板上的杂散电容）恰好等于这个值。
- 计算公式： C总=C1×C2 / (C1+C2) + 杂散电容
- 如果电容值不对，你的单片机串口通信可能会因为频率偏差点乱码。
滤除谐波（让波形更漂亮）：
- 晶振产生的波形并不是完美的正弦波，里面含有高频噪声（谐波）。
- 这两个电容对地相当于低通滤波器，把这些高频噪声滤掉，送到单片机引脚的波形就干净了，单片机内部电路也能更稳定地识别。

问题总结

问题	回答
为什么是两个？	因为振荡电路需要对称的负载，形成完整的谐振回路和相位网络。一个电容无法构成完整的振荡条件。
为什么接地？	地为信号提供参考点和回流路径，形成闭环。
如果去掉会怎样？	单片机大概率无法启动，或者运行极其不稳定（时而死机）。
如果电容值不对？	晶振可能输出频率不准（导致串口乱码），或者根本不起振。

补充一点： 在一些对成本极度敏感或频率要求不高的芯片（比如某些低端玩具芯片）内部，可能会集成振荡电路，直接接一个陶瓷谐振器（通常需要两个电容，有时集成在元件内部）甚至用 RC 振荡器，但单片机为了保证精准的时钟（尤其是用于通信时），通常必须用外部晶振加这两个电容。

公式的含义

这个公式计算的是从晶振的两个引脚看进去，整个电路对晶振呈现的总有效电容。晶振需要看到特定的电容值（即负载电容，CL）才能工作在标称频率上。

第一步：为什么是 C1 和 C2 串联？（ (C1×C2) / ( C1+C2) ）

你可能会想：C1 和 C2 不是都有一端接地吗？这不应该是并联吗？

关键点：在交流信号眼中，电源和地是“短路”的。

在分析小信号交流等效电路时，我们通常把稳定的电源（VCC）和地（GND）都视为交流地电位（即电压不变动的参考点）。

看电流的路径：

信号从 XTAL2 出来。
流过 C1 到达 地（GND）。但 GND 不是终点，而是中转站。
在 GND 这个公共节点上，电流并没有消失。它只是汇集到了这片“大海”里
从 地（GND） 流过 C2。为了让 XTAL1 的电压发生变化（被推高或拉低），必须有电流流入或流出 XTAL1
回到 XTAL1。

为什么 GND 能“通过”电流？

因为在交流通路中，我们假设 GND 和 VCC 这些电源的阻抗为0。

阻抗为 0 意味着： 对于交流信号来说，GND 和 VCC 就是一根理想的导线，可以毫无阻碍地传输信号。
所以，GND 在这个环路里，相当于一根很粗的、连接 C1 和 C2 的导线。

那么，XTAL1和XTAL2引脚上的交流信号是从哪里来的？答案就在单片机内部

单片机内部集成了一个关键的电路模块：反相放大器（Inverting Amplifier）。

单片机XTAL1和XTAL2引脚之间，内部连接着一个高增益的反相放大器。

输入端：XTAL1
输出端：XTAL2
特性：放大器的输出电压与输入电压相反（反相），并且会把微小的输入信号放大很多倍。

这个放大器的能量来源就是VCC（直流电源）。它像一个“能量泵”，把直流能量转换成交流能量。

启动过程：从噪声到振荡

第1步：热噪声

电路通电瞬间，放大器的输入端（XTAL1）存在微小的、随机的电噪声（所有电子元件都有）。
这个噪声包含了各种频率的成分。

第2步：第一次放大

放大器把XTAL1上的微小噪声放大，并从XTAL2输出一个反相的信号。
这个输出信号通过外部晶振和电容，又送回到输入端XTAL1。

第3步：频率选择（晶振的作用）

外部晶振+电容构成一个选频网络。
对于绝大多数频率的噪声，这个网络会让信号衰减，无法形成正反馈。
只有在一个特定的频率上（晶振的谐振频率），信号通过晶振和电容网络后，不仅不会衰减，而且相位正好旋转了180度（加上放大器自身的180度反相，总共360度，形成正反馈）。

第4步：振荡建立

特定频率的信号被放大器一次又一次地放大。
振幅越来越大，直到受到放大器电源电压的限制，最终稳定在一个固定的幅度。
一个稳定的正弦波振荡就在XTAL1和XTAL2上形成了。

问：这个电路不是直接连到单片机上的 XTAL1、XTAL2 引脚吗？哪来的交流电？

交流电不是外部送来的，而是单片机内部用直流电（VCC）自己产生的。

单片机内部的放大器把直流能量转换成交流振荡。
外部晶振+电容不产生能量，它们只决定振荡的频率，并维持振荡的稳定。
XTAL1和XTAL2引脚上的交流信号，是放大器+晶振+电容这个闭环系统共同工作的结果。

发现了吗？在交流通路里，C1 和 C2 是首尾相连，电流依次流过它们。这正是串联的特征。

所以：

直流/静态看：C1 接在 XTAL2 和 GND 之间，C2 接在 XTAL1 和 GND 之间，像是并联。
交流/动态看：对于在晶振两端来回流动的信号电流，它必须先经过 C1 到地，再从地经过 C2 回来，因此 C1 和 C2 是串联的。

串联电容的总容量计算公式就是：

C串联=(C1×C2) / ( C1+C2)

第二步：为什么要加 C杂散*？

电路板上并不是只有这两个电容。晶振的引脚、芯片的引脚、以及电路板上的铜箔走线之间，都存在着微小的、不可避免的寄生电容（通常几 pF 到十几 pF）。

这些看不见的电容，实际上也连接在晶振引脚和地之间，和 C1、C2 并联在一起，共同影响着晶振的振荡频率。

因此，晶振实际看到的负载电容是：

CL=（C1和C2串联的结果）+（电路板上所有乱七八糟的杂散电容）

第三步：这个公式用在哪儿？（设计目标）

晶振的数据手册会指定一个参数：负载电容 CL（Load Capacitance），比如 12pF、20pF。

你的设计目标就是：让公式计算出来的 C总等于晶振要求的 CL。

举例：

晶振要求 CL=12pF
估计电路板杂散电容 C杂散≈3pF
那么需要 (C1×C2) / ( C1+C2) =12pF−3pF=9pF
通常取 C1=C2，则每个电容应为 2×9pF=18pF（取标称值 18pF 或 20pF）。
两个相同电容串联后的总容量，等于单个电容的一半

总结

公式部分	物理意义	比喻
(C1×C2) / ( C1+C2)	C1 和 C2 在交流通路中是串联的	两个人（电容）手拉手站在地上
C杂散	电路板本身隐藏的微小电容	地上还有看不见的小水坑
C总	晶振实际感受到的总负载	两个人加上小水坑，总共存的水

一句话： 这个公式让你计算出从晶振两个脚看出去，整个电路（包括显式电容和隐藏杂散电容）总共呈现出的电容值，并确保这个值等于晶振数据手册要求的负载电容，这样才能得到精确的时钟频率。

5，复位电路

复位的功能说的更具体一点就是单片机内部所有的寄存器初始化，如果程序是100行，当运行到第50行的时候，突然掉电了，这时候很多内容都不确定，那么程序上带你的时候，我们都会给让它复位一下，进行初始化，51的复位大概是2个机器周期，具体的要看数据手册，除了复位的时间外，还需要让芯片稳定工作，所以需要的时间长一点，这个时间超过2个机器周期就可以，但小于这个世界就不可以，否则复位时间不充分，为导致单片机复位异常。

从这个原理图，该单片机是高电平复位，低电平是正常工作的，这个电容是起充放电作用的，下边是一个电阻下拉电阻，当按键没有按下的时候，电容对直流来说是隔离的，GND和复位的这个接触点电压只要不是0v就有电流通过。实际上有个电容给隔开了，因此上面的电压和下面的电压是一模一样的，是GND电压，只要有电压差，只要这条路是通的，那么它就有电流，因此在没有按下按键的时候，它实际上是0v.

按键按下的时候，5v到RST引脚就是一个高电平，按下按键就是高电平，松开按键就是低电平，按下的一瞬间就是一个复位的状态，同样的道理，在上电的一瞬间，实际上是要给这个电容充电，这里是5v，电路在上电的时候，RST引脚为低电平，连接到电容上，当电容充满电时，实际上电容的电压等于Vcc的电压，让单片机进行复位。

电容C10：在上电瞬间提供短暂的短路，产生复位脉冲。充满电后，它就“退出”了，不再影响RST点。
电阻R1：始终作为下拉电阻，在正常工作时把RST点稳定在0V（低电平），防止误触发复位。

一句话概括：

刚通电时，电容让RST瞬间变高（自动复位）。
正常工作时，电阻把RST拉低（保持工作）。
按下按键时，强行把RST拉高（手动复位）。

第一步：看懂这张图

先确认图中几个关键部分：

RST：这是复位引脚，连接到单片机的复位端。高电平（比如接近5V）时复位，低电平（0V）时正常工作。
SW5：这是一个按键（复位键）。按下时，它会接通电路。
C3 （10μF）：这是一个电解电容，正极接VCC（5V），负极接RST点。
R6 （10kΩ）：这是一个电阻，连接在RST点和GND之间。
GND：地（0V）。

第二步：理解核心概念——电容的“充电”和“隔离”

教材里说“电容在这里是起充放电作用的”，这是关键。电容有一个重要特性：两端电压不能突变。

刚通电瞬间：电容两端电压为0，它相当于一根导线（短路），把VCC的5V直接引到RST点。
充电过程：随着时间推移，电流通过电容，电容慢慢充电，它两端的电压逐渐上升。当电容充满电后，它相当于断开（开路），不再让直流电流通过。
充满电后：电容对直流电来说是“隔开”的，也就是教材里说的“电容对直流来说是隔离的”。

第三步：分析两种情况

情况一：刚上电时（自动复位）

初始状态：你给开发板通电的一瞬间，电容C10两端电压为0（因为它之前没电）。
相当于短路：由于电容两端电压不能突变，它一开始就像一根导线，把VCC（5V）直接连到了RST点。
RST点电压：此时RST点被拉到接近5V（高电平）。根据教材说的“高电平复位”，单片机开始复位。
电容开始充电：同时，电流通过R1（10kΩ电阻）流向GND，电容C10开始充电。随着充电进行，电容正极（接VCC）电压固定为5V，负极（接RST点）电压逐渐下降。
RST点电压下降：经过一小段时间（由C10和R1的值决定），RST点的电压降到足够低（低于复位阈值，比如0.8V）。
复位结束：此时RST点变为低电平，单片机复位结束，开始正常工作。
稳定状态：电容充满电后，相当于开路（隔离直流），RST点通过R1被牢牢地拉到GND（0V），保持低电平。

这个过程实现了“上电自动复位”。

情况二：按下按键时（手动复位）

初始状态：单片机正在正常工作，RST点为0V（低电平）。
按下B3：按键B3接通，它把RST点直接接到了VCC（5V）。
强制拉高：无论电容是什么状态，按键直接把5V加到RST点。
RST点电压：瞬间变为5V（高电平），单片机开始复位。
松开按键：按键断开，RST点又恢复通过R1接地，变为0V。
复位结束：单片机继续工作。

单片机I/O口的状态

这是单片机的一个I/O口，方框里面是单片机的内部，方框外是单片机引脚的外部，内部和三极管的原理是一样的。

当单片机输出一个高电平时，三极管不会导通，外部也数次高电平；

当单片机输出一个低电平时，三极管导通，外部I/O口就输出一个低电平，在输出高电平时，这里有一个电阻。

整体电流推进不要超过55mA，否则可能影响到单片机的寿命，

对于强推挽输出内部原理图：

一旦内部输出高电平，三极管就导通，导通后，电流就流向下面，经过反相器，到达下面的三极管的基极是低电平，此时下面三极管是截止的，电流从上面的三极管输出了，若没有限流电阻，这个电流很大，因此外部需要添加限流电阻。要注意如不接上拉电阻，有可能烧坏单片机的引脚。当内部总线输出一个低电平，上面三极管截至状态，一旦产生低电平，经过反相器，下面三极管的基极为高电平，三极管导通，这个三极管输出的电流也非常大，因此外部需要加限流电阻，这是一个强推挽输出。

对于开漏输出：

内部总线经过一个反相器。

假如一个高电平经过反相器变成低电平，电路内部没有上拉电阻，即使基极是高电平，三极管导通，也不会输出高电平，仍然还是输出低电平。

因此，开漏外部一定要添加上拉电阻，才有可能输出高电平，不加上拉电阻，就不会输出高电平。

在开漏输出电路中：

当三极管导通时：引脚被强制拉到 GND（低电平）。此时无论有没有上拉电阻，引脚都是低电平。
当三极管截止时：引脚悬空。如果没有上拉电阻，引脚电压不确定；只有加上上拉电阻，引脚才会被拉到 VCC（高电平）。

“悬空” 是指：引脚和芯片内部没有任何电气连接，也没有被外部电路强制拉到某个电压，处于“飘着”的状态。

开漏输出 = 一个只能拉低（到GND）、不能拉高（需要外部电阻帮忙）的开关。

高阻态：描述的是一种状态（既不输出高，也不输出低，对外呈现高阻抗）。

作用：

在实际运用系统中，要避免直接接高电平，在做电平转换时，使用这个电路，一个5V的系统要控制一个12V的系统时，用5V的电平控制三极管的导通，一旦导通，外部就是12V,则进行一次电平的转换。

在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏并且把 GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平，

高电平 ≈ VDD 是因为：截止时几乎没有电流流过电阻 → 电阻上没有压降 → 输出电压 = 电源电压。

6 上下拉电阻

上拉就是将不确定的信号，通过一个电阻钳位（保持的意思）在高电平，电阻同时起限流作用，下拉同理，将不确定的信号通过一个电阻钳位在低电平。

上拉对于器件输入电流，下拉是输出电流，强弱只是上拉电阻的阻值不同，没有严格区分。对于非集电极（或漏极）开漏输出的电路提升电流和电压是有限的，上拉电阻的功能主要是未来集电极开路输出型电路输出电流。

不确定的信号就是我们不知道它是高电平还是低电平，加上一个电阻就是保持着高电平，另外电阻还起到了一个限流的作用，

比如说三极管导通后，输出的是一个什么样的电平信号，这个电平信号与外部关系很大，但是我们一旦加上这个上拉电阻之后，默认这个三极管低电平不导通。。这个三极管低电平不导通，外部就会长时间保持在高电平，这个电阻就起到了保持高电平的作用，但是一旦这个三极管导通了，就会有电流通过三极管流下了，这个时候电阻又起到了一个限流的作用，所以上拉电阻有两个作用：一个作用是钳位高电平，另一个是限流，实际上三极管不导通时，直接接12v是可以的，但是三极管一导通，没有电阻就不行了，下拉同理哈。

上下拉电阻的四项功能：

1，电平转换，他可以输出电平的数值，用5V接三极管达到12v的作用时，加了一个上拉电阻。

2，OC门，P0口是开漏的，三极管不管是否导通，都不能输出一个高电平，因此开漏输出必须要加上拉电阻。若想输出一个高电平，必须加上一个上拉电阻才能正常使用。

3，加大普通I/O口的驱动能力，普通I/O的输出能力也就200uA，如果电流比较大，加上一个上拉电阻，那么I/O的输出能力就是两个上拉电阻的和，加上拉电阻起到了一个增大驱动能力的作用。

4，悬空引脚加上下拉电阻可以扛干扰，应该避免单片机引脚的悬空。悬空在一定程度上有非常细微的功耗，而容易受干扰，比如空间放电、静电等。

如果有上下拉电阻钳位，即可长期保持着高电平或者低电平状态，因此悬空的引脚在设置的时候，尽可能让它接上下拉电阻。最小系统无关紧要。

选取上下拉电阻的经验：

①从节约功耗及芯片灌电流能力考虑,阻值应当足够大,因为电阻大,电流小，可以节约功耗。还有灌电流,单片机输入电流要尽可能小,这样可以延长单片机的使用寿命。 ②从确保足够的驱动电流考虑,电阻应当足够小,电阻小,则电流大。比如说驱动发光二极管,如果电阻大了,这个发光二极管就不亮了,所以从确保电路正常工作的角度,这个电阻应该小一点。这和①似乎是矛盾的。实际取多大的电阻,需根据你的应用来设计。 ③对于高速电路,过大的上拉电阻可能会导致波形边沿变平缓。这个是什么概念呢?数字电路中,从0变成1实际上是一个缓慢的上升过程,并不是说从0直接上去,会经过一个斜坡。如果说上拉电阻过大,会使得这个斜坡变得平缓。所以综合考虑:上拉电阻常用值在1~10kΩ之间选取,下拉电阻同理。当然,在一些场合,上百kΩ也是有可能的,大多数情况下都是1~10kΩ。

电压不是瞬间跳上去的，而是像上坡一样，慢慢地、斜着爬上去的。