測(cè)量ATMEGA8單片機(jī)IO口的輸入輸出內(nèi)阻

? 01 背景

在 電子小幫手電路中電源開關(guān)電路分析 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 。特別是對(duì)于端口做為 IO 輸出口的時(shí)候，它可以等效為通過電阻 19Ω和 22Ω分別上拉到 VCC，或者下拉的 GND。

• 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

• 單片機(jī)的輸出端口進(jìn)行了內(nèi)部描述:
  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109238622

▲ 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？

通過實(shí)驗(yàn)來確定單片機(jī)輸出 IO 口的實(shí)際電阻阻值，這為將來使用單片機(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) 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。通過實(shí)驗(yàn)來測(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。

• ATMEGA8 DIP-28 面包板實(shí)驗(yàn):
  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109245968

? 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以下三種方式來進(jìn)行：

1. 通過 V-A 方法檢測(cè)，也就是通過測(cè)量 IO 口輸入、輸出電流一項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的 IO 口電壓的變化，來獲得端口的等效串聯(lián)電阻。使用萬用表直接測(cè)量；使用手持 LCR 表來測(cè)。

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2. 測(cè)量過程

通過軟件編程，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 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。

• 低價(jià)電阻箱 - 阻值測(cè)試:
  https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107112157

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▲ 端口電流與電壓

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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。

通過上述線性方程，可以得到端口的輸入電阻為：

(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。

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▲ 端口電壓與電流

對(duì)上述電壓電流線性擬合：

由此可以得到單片機(jī)高電平下輸出內(nèi)阻大約為：

通過實(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）。

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2. 使用萬用表測(cè)量 IO 內(nèi)阻

使用 DM3068 數(shù)字萬用表，直接測(cè)量 ATmega 的輸出低電平的 IO 對(duì) GND 之間的電阻：

測(cè)量 ATmega8 輸出高電平的 IO 對(duì) VCC（+5V）之間的直流電阻：

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。

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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

低電平 IO 內(nèi)阻：

高電平 IO 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 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，在未來實(shí)際上應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況來選擇相應(yīng)的測(cè)量方式。