測量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 中介紹測量模塊電路實(shí)驗(yàn)原理的時(shí)候，對于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。
那么就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的問題，對于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，對于ATmega8單片機(jī)搭建在面包板上的測試芯片。通過實(shí)驗(yàn)來測量對應(yīng)的IO端口在作為輸出端時(shí)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(jìn)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(xiàng)相對應(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(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量對于端口的內(nèi)部等效阻抗。
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
使用在 低價(jià)電阻箱-阻值測試 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。
| Current(mA) | 3.068900 | 1.900500 | 1.376000 | 1.078700 | 0.889500 | 0.754900 | 0.655700 | 0.579500 | 0.519100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
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。
(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) | 3.066000 | 1.897700 | 1.373900 | 1.077000 | 0.888000 | 0.753500 | 0.654500 | 0.578400 | 0.518200 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
對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。
通過實(shí)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：
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(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(jī)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(jìn)行隔直之后，然后在使用Smart Tweezers進(jìn)行測量相應(yīng)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ATmega8單片機(jī)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(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)的測量方式。
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