➤ 01背景

电子小帮手电路中电源开关电路分析 中介绍测量模块电路实验原理的时候,对于ATmega系列的 单片机的输出端口进行了内部描述 。特别是对于端口做为IO输出口的时候,它可以等效为通过电阻19Ω和22Ω分别上拉到VCC,或者下拉的GND。


  • 电子小帮手电路中电源开关电路分析:
    https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109242259

  • 单片机的输出端口进行了内部描述:
    https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109238622

QQ截图20201026181436.jpg ▲ ATMEGA单片机IO口等效电路

那么就会出现一个新的问题,对于ATmega单片机,这个IO口的内阻究竟有多大呢?

通过实验来确定单片机输出IO口的实际电阻阻值,这为将来使用单片机进行测量工作提供数据基础。

利用在 ATMEGA8 DIP-28面包板实验 中可以下载程序的实验方式,对于ATmega8单片机搭建在面包板上的测试芯片。通过实验来测量对应的IO端口在作为输出端时相对于GND,VCC的电阻阻抗。


  • ATMEGA8 DIP-28面包板实验:
    https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109245968

➤ 02测量方案
1.测量端口电阻

测量电阻阻抗的方式可以通过以下三种方式来进行:


  • 通过V-A方法检测,也就是通过测量IO口输入、输出电流一项相对应的IO口电压的变化,来获得端口的等效串联电阻。
  • 使用万用表直接测量;
  • 使用手持LCR表来测。
2.测量过程

通过软件编程,使得单片机的PB4,PB3,PB2,PB1分别处于输出高电平,和输出低电平的情况,然后按照上面三种方法来测量对于端口的内部等效阻抗。

2.png ▲ ATMEGA8 DIP-28封装➤ 03测量数据
1.使用V-A方法测量IO内阻(1) IO低电平内阻 3.png ▲ 测量电路图示意图

使用在 低价电阻箱-阻值测试 中的9999Ω电阻箱,分别改变IO端口的输出负载,记录不同电阻下输出端口的电压,进而可以进行获得内部电阻。


  • 低价电阻箱-阻值测试:
    https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107112157

Current(mA)
3.068900
1.900500
1.376000
1.078700
0.889500
0.754900
0.655700
0.579500
0.519100

Voltage(V)0.0866510.0554850.0419590.0344350.0292790.0259460.0235260.0211610.019959 4.png ▲ 端口电流与电压通过线性拟合,可以建立输入电流(i,单位mA)与端口电压之间的线性关系。

通过上述线性方程,可以得到端口的输入电阻为:


(2) IO高电平内阻

测量不同输出电流下输出电压的变化。

Current(mA)
3.066000
1.897700
1.373900
1.077000
0.888000
0.753500
0.654500
0.578400
0.518200

Voltage(V)0.0779720.0504100.0380250.0310650.0266570.0234900.0211600.0194150.018024 5.png ▲ 端口电压与电流

对上述电压电流线性拟合:

由此可以得到单片机高电平下输出内阻大约为:


通过实际测量,可以看到ATmega的IO口在输出状态下,内阻分别是26.15Ω(低电平)以及23.56Ω(高电平)。

2.使用万用表测量IO内阻

使用DM3068数字万用表,直接测量ATmega的输出低电平的IO对GND之间的电阻:

测量ATmega8输出高电平的IO对VCC(+5V)之间的直流电阻:

注意:由于存在输出静态电压,不能够测量输出高电平的IO对GND之间的电阻,或者输出低电平IO对VCC之间的电阻。

3.使用LCR表测量IO内阻

为了避免单片机端口的静态电压对于LCR表的测量影响,使用100uF的电解电容进行隔直之后,然后在使用Smart Tweezers进行测量相应端口的内阻。

6.png ▲ 使用隔直电容之后测量端口的内阻

低电平IO内阻:


高电平IO内阻:


➤ ※ 结论

单片机的IO如果作为输出端口,它可以等效一个内部穿有内阻的电压源。由于它内部是通过MOS管完成IO端口与VCC,GND的相连,所以内阻实际上是这些MOS管导通内阻。

通过对ATmega8单片机端口的内阻测量,可以看到这些内阻的大小在20欧姆到30欧姆之间。这与它的数据手册上相关的数值基本上是在同一数量级之内。

上文中使用了三种方法测量单片机IO口的内阻,它们的取值基本相似。因此上,在未来实际上应用中,可以根据具体情况来选择相应的测量方式。