Learning Objectives
- 分辨數位訊號與類比訊號，說明微控制器怎麼判斷高電位與低電位
- 說明輸入腳為什麼不能浮接，用上拉或下拉電阻讓按鈕的讀值穩定
- 用 ADC 讀取類比電壓，把讀值換算成電壓，說出解析度的意義
微控制器怎麼「看」電壓
前幾課都在算電壓與電流。微控制器的輸入腳也是在「看」電壓，只是看的方式有兩種：
| 數位（digital） | 類比（analog） | |
|---|---|---|
| 讀到的值 | 只有 0 或 1 | 一個範圍內的數字，例如 0～4095 |
| 適合 | 按鈕、開關、人體感測器的「有／沒有」 | 可變電阻、光敏電阻、溫度這種連續變化的量 |
| MicroPython | Pin(…, Pin.IN).value() |
ADC(…).read_u16() |
高電位與低電位的門檻
數位輸入並不是「3.3V 才算 1、0V 才算 0」，而是有門檻。以 ESP32 為例（官方規格書，電源 3.3V 時）：
- 高於約 0.75 × 3.3V ≈ 2.5V 一定讀成 1（高電位）
- 低於約 0.25 × 3.3V ≈ 0.8V 一定讀成 0（低電位）
- 中間的電壓是灰色地帶，可能讀成 0 也可能讀成 1
所以接到數位輸入的訊號，要確實落在高或低的範圍裡。上一課的分壓電路把 5V 降到約 3.3V，就是為了讓它落在高電位的範圍、又不超過腳位能承受的電壓。
浮接：沒接東西的腳位會亂跳
按鈕最直覺的接法：一端接 GPIO，另一端接 GND，按下時 GPIO 被接到 0V。那放開的時候呢？ 放開時 GPIO 什麼都沒接，這叫浮接（floating）。輸入腳幾乎不吃電流，周圍一點點的電場干擾（手靠近、旁邊的導線有訊號） 就能讓它的電壓忽高忽低，讀值在 0 與 1 之間亂跳，程式會以為按鈕被按了好多次。
解法是加一顆電阻，讓腳位在「沒有被按」時有一個確定的電壓：
上拉（pull-up） 下拉（pull-down）
3.3V 3.3V
│ │
[10kΩ] [按鈕]
├──── GPIO 放開＝1，按下＝0 ├──── GPIO 放開＝0，按下＝1
[按鈕] [10kΩ]
│ │
GND GND
- 上拉：電阻把腳位「拉」到 3.3V；按下按鈕時腳位直接接到 GND，變成 0。按下＝0，程式要反過來判斷。
- 下拉：電阻把腳位拉到 GND；按下時接到 3.3V，變成 1。
- 電阻的作用是限制電流：按下按鈕時 3.3V 經過電阻接到 GND，10 kΩ 只讓 0.33 mA 流過；如果沒有電阻，按下就是短路。
內建的上拉、下拉
多數微控制器的腳位內建上拉、下拉電阻，用程式打開就好，不必另外接。ESP32 規格書寫的內建上拉、下拉約 45 kΩ：
btn = Pin(4, Pin.IN, Pin.PULL_UP) # 開啟內建上拉
btn = Pin(4, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN) # 開啟內建下拉
例外：ESP32 的 GPIO34～39 只能當輸入，也沒有內建的上拉、下拉，接按鈕時要自己加電阻。
逐步看：開啟上拉電阻讀按鈕
按鈕接在 GPIO4 與 GND 之間，模擬時在 0.7～1.4 秒被按住（看上方電路畫面的按鈕）。 每 0.3 秒讀一次：放開時讀到 1、按住時讀到 0。
類比轉數位（ADC）
要知道「電壓有多高」，就要用類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC）。它把 0～參考電壓之間的電壓，切成 2ⁿ 個等級，n 是位元數（解析度）：
| 位元數 | 等級數 | 每一級約（3.3V 參考電壓） |
|---|---|---|
| 8 位元 | 256 | 12.9 mV |
| 10 位元 | 1024 | 3.2 mV |
| 12 位元 | 4096 | 0.81 mV |
- Raspberry Pi Pico（RP2040）的 ADC 是 12 位元，有 3 個可用的類比輸入腳；MicroPython 的
read_u16()一律把結果換算成 0～65535，不同板子可以用同一種算法。 - 換算電壓：電壓 ≈ 讀值 ÷ 65535 × 3.3（read_u16 的情況）。
- 再小的變化也只能落在某一級，這個誤差叫量化誤差。實際上還有雜訊與非線性，精確量測要校正，第 11 課會談感測器的校正。
- 可變電阻的兩端接 3.3V 與 GND、中間腳接 ADC，就是上一課的分壓電路：轉動旋鈕改變比例，中間腳的電壓跟著變。
注意：ADC 腳位能量的電壓不能超過開發板的工作電壓。要量 5V 或更高的電壓，先用分壓電路降下來。
逐步看：Pico 讀可變電阻
可變電阻的中間腳接在 GP26。模擬時旋鈕從 10% 慢慢轉到 90%，看讀值與換算出的電壓怎麼變。
小測驗：數位輸入
按鈕接在 GPIO 與 GND 之間，程式寫 Pin(4, Pin.IN)，沒有開上拉也沒有外接電阻。放開按鈕時會讀到什麼？
ESP32 電源 3.3V，一個輸入腳的電壓是 1.6V，會讀到什麼？
上拉電阻接法（3.3V ─ 10 kΩ ─ GPIO ─ 按鈕 ─ GND），按住按鈕時，流過電阻的電流大約是多少？
小測驗：類比與 ADC
下面的程式會印出什麼？
raw = 32768
volts = raw / 65535 * 3.3
print(f"{volts:.2f} V")
一個感測器輸出 0～5V 的電壓，要接到 Pico 的 ADC 腳，該怎麼做？
重點整理
- 數位只有 0、1；類比是一段連續的電壓。數位輸入有門檻（ESP32：約 2.5V 以上是 1、約 0.8V 以下是 0），中間不保證。
- 輸入腳不能浮接：用上拉（放開＝1、按下＝0）或下拉（放開＝0、按下＝1）讓它有確定的電壓。
Pin.PULL_UP、Pin.PULL_DOWN打開內建電阻；ESP32 的 GPIO34～39 沒有內建的上拉、下拉。- ADC 把電壓切成 2ⁿ 個等級；12 位元、3.3V 時每一級約 0.81 mV。
read_u16()回傳 0～65535，電壓 ≈ 讀值 ÷ 65535 × 3.3。 - 超過 3.3V 的訊號先分壓再接到輸入腳或 ADC。
下一課介紹電容：它能儲存電荷、讓電壓慢慢變化，還能解決按鈕「按一下卻跳好幾次」的彈跳問題。