2.7 数字电路入门

单片机的世界只有两个数字：1 和 0，对应高电平和低电平。这一节讲清楚什么算“高”、什么算“低”，3.3 V 和 5 V 的芯片能不能直接连，以及按键旁边为什么总有一个上拉电阻。

⏱ 约 15 分钟🎯 需要 2.1、2.2 的基础🖱️ 含上拉电阻按键演示

高电平和低电平#

模拟电路关心电压“具体是多少伏”；数字电路只关心“是高还是低”：

具体门槛每颗芯片不一样，写在规格书的“电气特性”里（2.14），常见的 CMOS 芯片大致是：高于约 0.7 × 电源电压算高，低于约 0.3 × 电源电压算低。

芯片的“逻辑电平”一般就是它的供电电压。现在的单片机（包括 ESP32-C3）大多是 3.3 V 逻辑，老一些的芯片、很多模块是 5 V 逻辑。两者相连时要想两个问题：

方向	会怎样	怎么办
5 V 芯片 → 3.3 V 芯片	5 V 的高电平可能超过 3.3 V 芯片能承受的电压，有烧坏的风险（ESP32-C3 的 IO 不能直接接 5 V 信号）	用分压电阻降一下（2.3），或用电平转换芯片
3.3 V 芯片 → 5 V 芯片	不会烧，但 3.3 V 对 5 V 芯片来说可能不够“高”，读不出 1	看对方规格书的高电平门槛；不够就加电平转换

按键接单片机，最直观的想法是：按键一头接 GPIO 引脚，一头接 GND，按下就是低电平。那松开时呢？这时引脚什么都没接，叫做悬空（Floating）——它的电压会随周围干扰飘来飘去，程序读到的值时 0 时 1，好像有人在乱按。

解决办法：用一个电阻把引脚“拉”到 3.3 V。松开时引脚通过电阻接到 3.3 V，读到 1；按下时引脚被按键直接接到 GND，读到 0。这个电阻就叫上拉电阻。切换三种接法试一试：

为什么用电阻，不直接接 3.3 V？ 直接接的话，按下按键 = 3.3 V 直接短路到 GND（在演示里选“换成导线”试试）。电阻限制了电流：10 kΩ 时只有 0.33 mA。
阻值怎么选？ 一般 4.7 kΩ～10 kΩ。太大了“拉”得不够有力，容易受干扰；太小了按下时浪费电流。
下拉电阻就是反过来：电阻接 GND，按键接 3.3 V，松开读 0、按下读 1。
内部上拉：很多单片机引脚内部自带可以打开的上拉 / 下拉电阻，程序里设置一下就行，可以省掉外部电阻。

信号：在导线上传递信息的高低电平变化。比如按键信号、LED 控制信号、串口数据。
时钟（Clock）：一种特殊的信号——非常有规律的高低交替（方波），像节拍器，数字电路按它的节奏一步一步工作。单片机内部的时钟每秒跳上亿次（ESP32-C3 最高 160 MHz），由晶振提供基准（2.4 晶振）。
案例 A 的 NE555 产生的方波（约 1.5 Hz）也可以看作一个很慢的“时钟”，只不过它的用途是让 LED 交替闪烁。

按键一端接单片机引脚、另一端接 GND，没有接任何电阻。松开按键时引脚会读到什么？

✅ 引脚悬空，电压不确定。需要上拉电阻（外部或芯片内部）把它固定在高电平。

一个 5 V 供电的传感器，输出信号要接到 ESP32-C3 的 IO 口。直接连有什么风险？

✅ 要先降到 3.3 V 以内，比如用分压电阻或电平转换芯片。