【每周分享】MCU的引脚为什么只能识别电压信号？

只看该作者 · 2025-6-25 17:07

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@21小跑堂

对于MCU芯片来说，无论是配置为输入，还是配置为输出，归根结底，最终操作的对象都是电压信号，而不是电流信号。这一点，大家要清楚。

如果外部输入是电流信号，则需要经过硬件电路转为电压信号，MCU程序采集并处理电压数据，再反向计算得到电流数据，如下图所示：

那为什么MCU的引脚只能识别电压信号呢？这个问题前段时间有个想转行做嵌入式软件开发的朋友问过我，当时我也只能回答部分，后面查阅和整理资料，其实这与半导体的物理特性、数字电路设计原理及其实际应用需求有关，下面我们展开说说。

半导体工作原理

晶体管作为基础单元：

MCU的输入引脚本质上是连接到内部的晶体管电路，比如CMOS或TTL门电路，晶体管通过电压电平的高低来切换导通或截止状态，比如高电压代表逻辑“1”，低电压代表逻辑“0”。

电压敏感的栅极：

以MOSFET（金属氧化物半导体晶体管）为例，其栅极通过电压（而非电流）控制导通，输入阻抗极高，几乎不消耗电流，所以，MCU引脚对电压变化敏感，而不会直接对电流变化做出响应。

数字电路标准化

逻辑电平的定义：

数字电路依赖预设的电压阈值，比如TTL的2.0V以上为高电平，0.8V以下为低电平，当然不同MCU厂商定义的阈值可能会有所区别，可以查看MCU数据手册的电气参数等章节，比如STM32G4系列的数据手册里关于电压阈值说明如下图所示：

电流信号如果没有通过硬件电路或者专用芯片转换为电压信号，是无法直接匹配这些标准的。正如我们平时基本上也是把高低电平与电压数据绑定在一起一样。

抗干扰性：

电压信号在PCB走线上相对更易保持稳定，而电流信号容易受到线路阻抗或噪声等的影响，导致逻辑误判。

输入保护与接口设计

静电防护：

MCU引脚通常内置ESD保护二极管，这些元件通过钳制电压来防止损坏，但对过电流比较敏感，因此在硬件设计上一般需要接外部限流电阻，如下图所示：

阻抗匹配：

高输入阻抗的电压检测电路能减少对信号源的负载效应，但是如果直接检测电流，则可能会干扰外部电路。

实际应用中的信号类型

传感器接口：

多数传感器（如温度/湿度/光敏/称重传感器等）的输出都是模拟电压信号，如果需处理电流信号，比如常见的4-20mA工业标准，则需要通过精密电阻转换为电压后再输入MCU，或者使用外置ADC芯片读取电压信号且MCU通过SPI总线等读取ADC数据，即有些ADC芯片的集成度非常高，无需外部复杂的比较器硬件电路，这种集成方案，大家有需求的也可以了解一下，如下图所示：

模拟输入：

ADC（模数转换器）引脚同样也是检测电压信号，电流信号也需要先经过转换得到电压信号。

有模拟电压和数字电压的概念，但好像没有模拟电流和数字电流的概念吧。

功耗与集成度

低功耗设计：

电压检测电路功耗极低，适合电池供电场景；直接测量电流可能需要额外电路，会增加功耗和芯片复杂度。

集成限制：

MCU工艺专注于高密度数字电路，集成电流检测模块（如电流镜）会占用更多硅面积，提高芯片成本。

以上作者通过几个方面阐述了MCU引脚为什么只能识别电压信号的一些理由，希望对大家有用。