單片機端口輸入輸出阻抗

利用在 ATMEGA8 DIP-28面包板實驗[3] 中可以下載程序的實驗方式，對于ATmega8單片機搭建在面包板上的測試芯片。通過實驗來測量對應(yīng)的IO端口在作為輸出端時相對于GND，VCC的電阻阻抗。

? 01背景

在電子小幫手電路中電源開關(guān)電路分析[1] 中介紹測量模塊電路實驗原理的時候，對于ATmega系列的 單片機的輸出端口進行了內(nèi)部描述[2] 。特別是對于端口做為IO輸出口的時候，它可以等效為通過電阻19Ω和22Ω分別上拉到VCC，或者下拉的GND。

▲ ATMEGA單片機IO口等效電路

那么就會出現(xiàn)一個新的問題，對于ATmega單片機，這個IO口的內(nèi)阻究竟有多大呢？

通過實驗來確定單片機輸出IO口的實際電阻阻值，這為將來使用單片機進行測量工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

利用在 ATMEGA8 DIP-28面包板實驗[3] 中可以下載程序的實驗方式，對于ATmega8單片機搭建在面包板上的測試芯片。通過實驗來測量對應(yīng)的IO端口在作為輸出端時相對于GND，VCC的電阻阻抗。

? 02測量方案

1.測量端口電阻

測量電阻阻抗的方式可以通過以下三種方式來進行：

通過V-A方法檢測，也就是通過測量IO口輸入、輸出電流一項相對應(yīng)的IO口電壓的變化，來獲得端口的等效串聯(lián)點租。

使用萬用表直接測量；

使用手持LCR表來測。

2.測量過程

通過軟件編程，使得單片機的PB4,PB3,PB2,PB1分別處于輸出高電平，和輸出低電平的情況，然后按照上面三種方法來測量對于端口的內(nèi)部等效阻抗。

▲ ATMEGA8 DIP-28封裝

? 03測量數(shù)據(jù)

1.使用V-A方法測量IO內(nèi)阻

(1) IO低電平內(nèi)阻

▲ 測量電路圖示意圖

使用在 低價電阻箱-阻值測試[4] 中的9999Ω電阻箱，分別改變IO端口的輸出負載，記錄不同電阻下輸出端口的電壓，進而可以進行獲得內(nèi)部電阻。

Current(mA)3.0689001.9005001.3760001.0787000.8895000.7549000.6557000.5795000.519100

Voltage(V)0.0866510.0554850.0419590.0344350.0292790.0259460.0235260.0211610.019959

▲ 端口電流與電壓

通過線性擬合，可以建立輸入電流（i，單位mA）與端口電壓之間的線性關(guān)系。

(2) IO高電平內(nèi)阻

測量不同輸出電流下輸出電壓的變化。

Current(mA)3.0660001.8977001.3739001.0770000.8880000.7535000.6545000.5784000.518200

Voltage(V)0.0779720.0504100.0380250.0310650.0266570.0234900.0211600.0194150.018024

▲ 端口電壓與電流

通過實際測量，可以看到ATmega的IO口在輸出狀態(tài)下，內(nèi)阻分別是26.15Ω（低電平）以及23.56Ω（高電平）。

2.使用萬用表測量IO內(nèi)阻

使用DM3068數(shù)字萬用表，直接測量ATmega的輸出低電平的IO對GND之間的電阻：R Low=26.8Ω

測量ATmega8輸出高電平的IO對VCC（+5V）之間的直流電阻：R High=17.64Ω

注意：由于存在輸出靜態(tài)電壓，不能夠測量輸出高電平的IO對GND之間的電阻，或者輸出低電平IO對VCC之間的電阻。

3.使用LCR表測量IO內(nèi)阻

為了避免單片機端口的靜態(tài)電壓對于LCR表的測量影響，使用100uF的電解電容進行隔直之后，然后在使用Smart Tweezers進行測量相應(yīng)端口的內(nèi)阻。

▲ 使用隔直電容之后測量端口的內(nèi)阻

? ※ 結(jié)論

單片機的IO如果作為輸出端口，它可以等效一個內(nèi)部穿有內(nèi)阻的電壓源。由于它內(nèi)部是通過MOS管完成IO端口與VCC,GND的相連，所以內(nèi)阻實際上是這些MOS管導通內(nèi)阻。

通過對ATmega8單片機端口的內(nèi)阻測量，可以看到這些內(nèi)阻的大小在20歐姆到30歐姆之間。這與它的數(shù)據(jù)手冊上相關(guān)的數(shù)值基本上是在同一數(shù)量級之內(nèi)。

上文中使用了三種方法測量單片機IO口的內(nèi)阻，它們的取值基本相似。因此上，在未來實際上應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況來選擇相應(yīng)的測量方式。

參考資料

[1]電子小幫手電路中電源開關(guān)電路分析: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109242259

[2]單片機的輸出端口進行了內(nèi)部描述: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109238622

[3]ATMEGA8 DIP-28面包板實驗: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109245968

[4]低價電阻箱-阻值測試: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107112157

（來源：與非網(wǎng)，作者：卓晴）