Что такое подтягивающий (стягивающий) резистор

Чтобы ответить на этот вопрос давайте посмотрим на следующую схему:

Мы бы хотели отслеживать нажатие кнопки для выполнения каких-то действий. Для этого мы подключили линию +5В через резистор и кнопку к цифровому выводу Ардуино, полагая, что при нажатии на кнопку ток потечет через нее и Ардуино считает на цифровом входе 2 сигнал высокого уровня. Соответственно, при размыкании контакта мы рассчитываем получить на входе сигнал низкого уровня. Так ли это? Проверим.
Подключим кнопку по приведенной схеме и загрузим в Ардуино следующий скетч. Результат его работы посмотрим в мониторе порта.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, INPUT);
}

void loop() {
  Serial.println(digitalRead(2));
  delay(1000);
}

При нажатии на кнопку Ардуино, действительно, зафиксирует на входе сигнал высокого уровня, при этом в монитор порта будет выводиться значение "1". Но при отпускании кнопки в мониторе порта будут выводиться как "0", так и "1". Я даже больше скажу: можно исключить из схемы кнопку (все равно она разомкнута), у нас останется только провод, подключенный к порту 2 Ардуино, результат опроса порта будет таким же непредсказуемым. Особенно это хорошо заметно с длинным куском провода. Почему так происходит? Дело в том, что вход Ардуино не подключен ни к линии питания, ни к земле - он находится "ни в каком" состоянии. Такое состояние называется высокоимпедансным или Z-состоянием. Провод в данном случае выполняет роль антенны, на которую оказывают воздействие окружающие ее электромагнитные поля. В результате Ардуино непредсказуемо фиксирует то высокий, то низкий уровень сигнала на данном входе.

Чтобы логический вход не оставался в подвешенном состоянии при разомкнутом контакте кнопки и гарантировать на нем сигнал низкого уровня, его через резистор соединяют с землей. Такой резистор называют подтягивающим: он обеспечивает подтяжку сигнала к земле (как в данном случае) или же к питанию, если устанавливается между логическим входом устройства и линией питания. Соответственно при подтяжке к питанию на логическом входе будет гарантирован высокий уровень сигнала.

Иногда подтягивающим называют резистор, который подтягивает именно к питанию, также используют англоязычный термин pull-up (pull-up резистор). А для обозначения резистора, подтягивающего к земле, можно использовать термин стягивающий или pull-down резистор. Ниже приведены схемы подключения кнопки к логическому входу (не обязательно Ардуино) с использованием подтягивающего и стягивающего резисторов.

Попробуйте подключить кнопку к Ардуино используя одну из приведенных схем. В этот раз в мониторе порта не будет никаких неожиданных значений.

Как вы понимаете, подтягивающие резисторы весьма востребованы в электронике. Они нужны не только для подключения кнопок, но также при подключении выводов устройств с Z-состоянием или открытым коллектором. Поэтому многие контроллеры имеют встроенные подтягивающие резисторы, в том числе и Ардуино (а точнее используемые в них микроконтроллеры). Чтобы подтянуть порт Ардуино к питанию необходимо функцией pinMode установить для данного порта режим INPUT_PULLUP. Давайте немного изменим схему и скетч из начала этой статьи. Из схемы уберем резистор и установим кнопку между вторым портом и землей:

А в скетче изменим режим работы порта на INPUT_PULLUP, чтобы задействовать внутренний подтягивающий резистор:

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  Serial.println(digitalRead(2));
  delay(1000);
}

Загрузите этот код в Ардуино и убедитесь, что схема работает как нам нужно без дополнительных (внешних) резисторов. В тот момент когда кнопка разомкнута порт Ардуино не остается подвешенным в воздухе: он подтянут к питанию внутренним резистором. Поэтому на нем гарантирован сигнал высокого уровня. А при нажатии кнопки будет считываться сигнал низкого уровня.

Не забывайте о встроенных подтягивающих резисторах Ардуино. Я довольно часто замечаю, что люди, пишущие статьи про Ардуино, не знают об их наличии и вешают для тех же кнопок внешние подтягивающие резисторы.

Что такое сильный (strong pull-up) и слабый (weak pull-up) подтягивающий резистор? Чем ниже сопротивление подтягивающего резистора, тем больший ток протекает через него и тем сильнее он подтягивает сигнал к питанию (или земле, если речь о pull-down резисторе). Отсюда и название сильный подтягивающий резистор. Соответственно, чем выше сопротивление, тем слабже резистор подтягивает сигнал, поэтому его называют слабым.

Как выбрать номинал для подтягивающего резистора? Общая рекомендация - это, как правило, 10кОм. Где-то от 5кОм и ниже считается сильной подтяжкой, 20..100кОм - слабая. Подтягивающие резисторы Ардуино имеют номинал 20..50кОм (конкретное значение подбирается и устанавливается на заводе изготовителе), т.е. являются слабыми. Поэтому в документации к различным устройствам можно увидеть рекомендации использовать более сильные подтягивающие резисторы. Особенно это актуально для устройств, работающих в неблагоприятных условиях или при значительной длине проводников, когда увеличивается вероятность возникновения электромагнитных помех.

Есть ли в Ардуино подтяжка к земле (внутренние pull-down резисторы)? - Нет. В Ардуино доступны только к подтягивающие к питанию резисторы. Поэтому если вам нужно подтянуть вывод к земле, то используйте для этого внешний резистор.

На этом всё. А дочитавшим до конца в качестве бонуса функциональная схема порта ввода/вывода микроконтроллера ATmega328P, используемого в Arduino UNO. На схеме показан подтягивающий резистор и условия для его включения:

• бит PUD (PULLUP DISABLE) регистра MCUCR должен быть сброшен;
• регистр DDxn (Data Direction) должен быть установлен в 0, т.е. порт сконфигурирован на ввод;
• регистр PORTxn должен быть установлен в 1.