测量单片机IO输入输出电阻

➤ 01背景

在 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。

▲ 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。

➤ 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：

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 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) 3.068900 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) 0.077972 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。

单片机实例分享，自制电感和电容测量仪

电子爱好者进行制作时经常需要绕制电感，而一般的数字万用表通常又没有电感测量挡，所以无法测量绕好的电感的电感量。本文介绍一种用单片机制作的电感和电容测量仪(见图23.1)，可以有效地解决这一问题。

测量原理

本测量仪采用谐振法测量电感和电容，其方法是用谐振回路的谐振特性来进行测量，其测量原理可用如图23.2所示的电路进行说明。

图23.1 电感和电容测量仪

测量电感Lx时，配用标准电容C1，用Lx和C1组成谐振回路，测量出回路的谐振频率f即可计算出Lx的电感量;测量电容Cx时，配用标准电感L1，用L1和Cx组成谐振回路，测量出回路的谐振频率f即可计算出Cx的电容量。

上述测量方法也有一个缺陷：当Lx或Cx很小时，谐振频率f会很大，测量比较困难，为此我们可以采用如图23.2所示的改进型电路，分别用L1和C1作“垫底”，降低了测量时的谐振频率。

假设由 L1和C1 组成的谐振回路谐振频率为f1，测量Lx时，Lx和L1串联，测得(L1+Lx)和C1组成的谐振回路谐振频率为f2，则根据下式可计算出Lx的电感量：

Lx=[(f1/f2)2-1]L1

测量Cx时，Cx和C1并联，测得L1和(C1+Cx)组成的谐振回路谐振频率为f2，则可根据下式可计算出Cx的电容量：

Cx=[(f1/f2)2-1]C1

硬件电路

测量仪电路如图23.2所示。电路由LC振荡电路、单片机电路、显示电路等部分组成。

CD4069是6非门CMOS集成电路，其中非门F1、F2和C2、R1、R2等组成两级放大电路。第一级放大电路中，R2是负反馈偏置电阻，将F1输出端的直流电位钳制在VCC/2，使F1工作在线性放大区域。第二级放大电路没有加反馈电阻，直接用第一级放大电路输出的直流电压作偏置电压，以提高放大器的增益。放大电路通过正反馈回路R3、C3与L1、C1谐振电路一起组成正弦波振荡电路，非门F3用于信号整形，把F2输出的正弦波转换成矩形波输入到单片机ATmega8的T1脚，由单片机进行脉冲计数，从而测出LC回路的谐振频率。通过单片机对数据进行计算处理后，由LCD1602液晶屏显示测量结果。

图23.2 测量仪电路原理图

S1为测量转换开关，当S1转向L时测量电感，转向C时测量电容。S2是归0按钮。

LCD1602采用4线制传递数据，只使用了数据端口D4～D7。

当开关S1在电容挡但没有测量电容Cx，或在电感挡并且用短路线代替Lx时，电路的振荡频率约为503kHz，我们把这个频率称为基准频率。测试电容或电感时，被测试元件的电容量或电感量越大，对应的振荡频率越低。当被测电容的电容量为10μF(或电感的电感量为1H)时，对应的振荡频率约为5.03kHz。

电阻R5的阻值控制LCD1602液晶屏的对比度，R5阻值越小，液晶屏对比度越大。LED和LED+是液晶屏背光发光二极管的供电端口。

程序设计

测量仪的电路比较简单，而功能的实现更重要地依赖于程序的设计。程序的设计和优化需要花费更多的精力。

程序由频率测量、测试数据的计算处理、LCD1602液晶屏驱动显示三大部分组成。频率测量部分用定时器T/C1作脉冲计数，定时器T/C2产生测量脉冲频率的闸门时间。这里闸门时间选择0.5s，定时器T/C1累计的脉冲数乘以2即得脉冲频率。闸门时间选择0.5s是为了提高LCD1602显示数据刷新速度，如果闸门时间选1s，则刷新速度偏慢。

测试数据的计算处理部分主要利用前面给的两个公式计算出测量结果，并经过数据预处理后，输出到显示电路显示读数。

LCD1602的数据传输采用4线制，8位数据分两次传送，先传高4位，后传低4位，因为传递的数据量不大，所以你感觉不到4线制速度传输和8线制有什么区别。

安装调试

制作所需元器件的清单见表23.1。

C1、L1要选用精度比较高的元件，有条件的可用万能电桥进行筛选。L1如买不到成品电感也可自制，磁芯用Φ8×10的工字磁芯，用Φ0.42的漆包线绕55.5圈。

安装前先将程序的目标文件写入单片机ATmega8L，熔丝位的设置如图23.3所示。

图23.3 熔丝位的设置

电路板的装配图如图23.4所示。LCD1602的接口排座焊接在电路板上，排针焊接在LCD1602模块上如图23.5所示。

表23.1 元器件清单

图23.4 电路板装配图

安装完成后，用一根USB线将电源接口连到电脑USB插座上，接通测量仪的电源，将S1置于电容挡，测量端不接电容，这时LCD1602第二行显示的是基准频率f1，如图23.6所示。基准频率如果超出503kHz±5kHz的范围，说明L1、C1中有元件误差较大，需进行相应的调整。如果L1是自绕的，出现误差的可能性相对较大，可适当增减其圈数，直至满足要求。

接通电源后，以电容挡为例，虽然我们在测试端并没有接任何电容，但LCD1602第一行显示的电容量读数并不为零，如图23.6所示，我们称其为初始值，这是由基准频率略有漂移造成的。这时如果测量小容量的电容，误差就比较大，当初始值后有“-”号时，测量值是实际值减去了初始值，即读数比实际容量小了。反之，测量值是实际值加上了初始值，即读数比实际容量大了。

对于上述问题，我在程序中也作了考虑，只要在不接测试电容的情况下按一下S2就可以归0了，其实质就是基准频率作了修正，并把修正结果存入EEPROM，掉电后不会丢失。归0后的显示数据如图23.7所示。

电容挡归0后，电感挡就不需要归0了，因为电容挡归0就相当于在电感挡测试端接了一个短路线，等同于电感挡归0(在S1置于电感挡，S2归0时其测试端必须接短路线)，分析一下电路就明白了。

图23.5 排针的焊接

如果使用中发现测量误差较大，可通过程序进行修正，具体做法如下：找一个精度高的1000pF电容进行测量，假设读数为950pF，则计算1000/950≈1.05，我们将其称为修正系数，将计算公式Cx=[(f1/f2)2-1]C1改为Cx=[(f1/f2)2-1]C1×1.05，用这个公式计算就能减小测量误差了。为了简化程序中的计算，我采取把程序中的语句“unsigned int C1=1000”改为“unsigned int C1=1050”的方法，效果是一样的。

再找一个精度高的100μH电感进行测量，假设读数为94，则计算100/94≈1.06，把程序中的语句“unsigned char L1=100”改为“unsigned char L1=106”，同样也能减小测量误差。

把重新编译好的目标文件烧写到ATmega8L，再进行测量，精度就提高了。

用本测试仪测量电容的实例如图23.8所示(测量对象分别为240pF云母电容和0.47μF安规电容)，测量电感的实例如图23.9所示(测量对象分别为10μH电感和电子节能灯的电感线圈)。

当测量值超过量程时，读数显示“OVE”，测电感时电感测试端不接电感(相当于电感量为无穷大)，读数也显示“OVE”。

图23.6 基准频率的测量结果

图23.7 按S2归0后的显示数据

使用这个电感和电容测量仪时有一个问题需要注意，即电感或电容的参数会受测试频率的影响。例如，具有磁芯的电感，由于受磁芯的频率特性影响，不同的测试频率，其结果可能有所不同，用这个测量仪测的数据和用信号源频率为1000Hz的万能电桥测的数据可能会不一致。笔者认为，用更接近实际工作频率的测试频率可以得到比较符合实际的测试结果。由于本测试仪工作频率比较高，不适合测量电解电容器。笔者测量一个10μF的电解电容器，对应测试频率为6.5kHz，读数为6.26μF，误差很大。

图23.8 电容的测量结果

图23.9 电感的测量结果

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