? 01背景
在 電子小幫手電路中電源開關電路分析[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
那么就會出現一個新的問題,對于ATmega單片機,這個IO口的內阻究竟有多大呢?
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據基礎。
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的IO口電壓的變化,來獲得端口的等效串聯點租。
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部等效阻抗。
▲ ATMEGA8 DIP-28封裝
? 03測量數據
1.使用V-A方法測量IO內阻
(1) IO低電平內阻
▲ 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部電阻。
Current(mA) | 3.068900 | 1.900500 | 1.376000 | 1.078700 | 0.889500 | 0.754900 | 0.655700 | 0.579500 | 0.519100 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Voltage(V) | 0.086651 | 0.055485 | 0.041959 | 0.034435 | 0.029279 | 0.025946 | 0.023526 | 0.021161 | 0.019959 |
▲ 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高電平內阻
測量不同輸出電流下輸出電壓的變化。
Current(mA) | 3.066000 | 1.897700 | 1.373900 | 1.077000 | 0.888000 | 0.753500 | 0.654500 | 0.578400 | 0.518200 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Voltage(V) | 0.077972 | 0.050410 | 0.038025 | 0.031065 | 0.026657 | 0.023490 | 0.021160 | 0.019415 | 0.018024 |
▲ 端口電壓與電流
對上述電壓電流線性擬合:
由此可以得到單片機高電平下輸出內阻大約為:
通過實際測量,可以看到ATmega的IO口在輸出狀態下,內阻分別是26.15Ω(低電平)以及23.56Ω(高電平)。
2.使用萬用表測量IO內阻
使用DM3068數字萬用表,直接測量ATmega的輸出低電平的IO對GND之間的電阻:
測量ATmega8輸出高電平的IO對VCC(+5V)之間的直流電阻:
注意:由于存在輸出靜態電壓,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內阻
為了避免單片機端口的靜態電壓對于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進行測量相應端口的內阻。
▲ 使用隔直電容之后測量端口的內阻
低電平IO內阻:
高電平IO內阻:
? ※ 結論
單片機的IO如果作為輸出端口,它可以等效一個內部穿有內阻的電壓源。由于它內部是通過MOS管完成IO端口與VCC,GND的相連,所以內阻實際上是這些MOS管導通內阻。
通過對ATmega8單片機端口的內阻測量,可以看到這些內阻的大小在20歐姆到30歐姆之間。這與它的數據手冊上相關的數值基本上是在同一數量級之內。
上文中使用了三種方法測量單片機IO口的內阻,它們的取值基本相似。因此上,在未來實際上應用中,可以根據具體情況來選擇相應的測量方式。
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原文標題:單片機端口輸入輸出阻抗
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