單片機(jī)端口輸入輸出阻抗

? 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(cè)量模塊電路實(shí)驗(yàn)原理的時(shí)候，對(duì)于ATmega系列的 單片機(jī)的輸出端口進(jìn)行了內(nèi)部描述[2] 。特別是對(duì)于端口做為IO輸出口的時(shí)候，它可以等效為通過(guò)電阻19Ω和22Ω分別上拉到VCC，或者下拉的GND。

▲ ATMEGA單片機(jī)IO口等效電路

那么就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的問題，對(duì)于ATmega單片機(jī)，這個(gè)IO口的內(nèi)阻究竟有多大呢？

通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定單片機(jī)輸出IO口的實(shí)際電阻阻值，這為將來(lái)使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

利用在 ATMEGA8 DIP-28面包板實(shí)驗(yàn)[3] 中可以下載程序的實(shí)驗(yàn)方式，對(duì)于ATmega8單片機(jī)搭建在面包板上的測(cè)試芯片。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)的IO端口在作為輸出端時(shí)相對(duì)于GND，VCC的電阻阻抗。

? 02測(cè)量方案

1.測(cè)量端口電阻

測(cè)量電阻阻抗的方式可以通過(guò)以下三種方式來(lái)進(jìn)行：

2.測(cè)量過(guò)程

通過(guò)軟件編程，使得單片機(jī)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(lái)測(cè)量對(duì)于端口的內(nèi)部等效阻抗。

▲ ATMEGA8 DIP-28封裝

? 03測(cè)量數(shù)據(jù)

1.使用V-A方法測(cè)量IO內(nèi)阻

(1) IO低電平內(nèi)阻

▲ 測(cè)量電路圖示意圖

使用在 低價(jià)電阻箱-阻值測(cè)試[4] 中的9999Ω電阻箱，分別改變IO端口的輸出負(fù)載，記錄不同電阻下輸出端口的電壓，進(jìn)而可以進(jìn)行獲得內(nèi)部電阻。

▲ 端口電流與電壓

通過(guò)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(cè)量不同輸出電流下輸出電壓的變化。

▲ 端口電壓與電流

通過(guò)實(shí)際測(cè)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(wàn)用表測(cè)量IO內(nèi)阻

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

測(cè)量ATmega8輸出高電平的IO對(duì)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(cè)量輸出高電平的IO對(duì)GND之間的電阻，或者輸出低電平IO對(duì)VCC之間的電阻。

3.使用LCR表測(cè)量IO內(nèi)阻

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

▲ 使用隔直電容之后測(cè)量端口的內(nèi)阻

? ※ 結(jié)論

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

通過(guò)對(duì)ATmega8單片機(jī)端口的內(nèi)阻測(cè)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(cè)上相關(guān)的數(shù)值基本上是在同一數(shù)量級(jí)之內(nèi)。

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

參考資料