单片机端口输入输出阻抗

来源:嵌入式专栏发布时间:2022-10-111702浏览

询问 AI

之前有读者大概问了这么一个问题：单片机PWM输出时，引脚的低电平有1.2v左右，正常吗？

这个问题就可能牵涉到上下拉和单片机端口输入输出阻抗的问题。

你知道单片机端口的输入输出阻抗吗，下面通过过实验测量的方法，给大家分析一下相关内容。

➤ 01概述

本文利用在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。

▲ ATMEGA单片机IO口等效电路

➤ 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点租。
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。

▲ 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

▲ 测量电路图示意图使用在 低价电阻箱-阻值测试[4] 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。Current(mA)3.0689001.9005001.3760001.0787000.8895000.7549000.6557000.5795000.519100


Voltage(V)	0.086651	0.055485	0.041959	0.034435	0.029279	0.025946	0.023526	0.021161	0.019959

▲ 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)3.0660001.8977001.3739001.0770000.8880000.7535000.6545000.5784000.518200


Voltage(V)	0.077972	0.050410	0.038025	0.031065	0.026657	0.023490	0.021160	0.019415	0.018024

▲ 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。

▲ 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。