上海羊羽卓进出口贸易有限公司测量单片机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。
电子小帮手电路中电源开关电路分析:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109242259单片机的输出端口进行了内部描述:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109238622▲ 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。
ATMEGA8 DIP-28面包板实验:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109245968➤ 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 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。
低价电阻箱-阻值测试:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107112157Current(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。
利用单片机IO口测量电阻
利用单片机10口测量电阻。
在以前的有些单片机应用中，有的时候会遇到AD端口资源不够用的情况，但又需要测量电阻的大小，比如一个热敏电阻的阻值。有人给出了一个利用两个IO端口完成电阻精确测量的老方法。下面通过实验来测试一下这个古老的IO端口测量电阻的方法。
测量原理比较简单，使用两个单片机IO口连接两个电阻，向同一个电容充电。设置一个IO口为输出端口，另一个为输入端口。输出端口通过连接的电阻向电容充电，电容上的电压上升，当超过一定阈值，输入端口逻辑电平就会变成1。
这个充电时间与终止电压、阈值电压以及RC对应的时间常数有关系，具体数值由这个公式决定。这个过程再测量一遍，对应的时间与R2成正比，因此两次时间的比值就等于电阻的比值。如果已知其中一个电阻阻值，另外一个电阻便可以根据时间比值计算出来，这就是IO口测量电阻的基本原理。
这是STM32F030K6单片机，给它端口PFO施加一个三角波，程序循环查询输入逻辑电平，并在PF1输出反向逻辑。可以看到单片机对输入信号进行了离散化，上升和下降具有一定的回滞特性，回滞电压大约是200mM。
下面利用F030单片机的PFO、PF1两个管脚来测量电阻，测试一下这种方式测量的精度。实验中需要一个电容和两个电阻，电容容值为313.8nF，电阻1的阻值为19.545kQ，电阻2的阻值为4.718kQ。将它们安装在面包板上进行测试。
电容一端接地，另外一端与两个电阻相连，两个电阻分别与单片机的PFO、PF1端口相连。下面对单片机进行软件编程，利用其中的定时器作为时标，对延迟计时。PFI管脚连接RI，PFI连接RI，设置PFO为输出端口，PF1为输入端口，周期改变PF0高低电平，分别测量PFO、以及电容上的电压信号。可以看到电容上的电压呈现充电曲线，时间常数大约为1.5ms。根据已知器件数值，可以看到与测量的结果是相符合的。这是电阻2对电容的充放电曲线。
下面测量电阻1对电容的充放电过程。由于电阻1的阻值为20ms，所以对应的充放电过程就比较慢，时间常数大约是R2对应的时间常数的4倍，为6.3ms！在测量过程中，两个端口同时进行对电容进行放电，放电时间取20ms。
测量软件先将PFO，PF1输出0电平，对于电容进行放电。然后将其中一个设置为输入端口，另外一个置为高电平，对电容充电。同时启动定时器1进行计时。在此过程中，监视输入端口逻辑电平是否为1。当输入端口变为1时，停止定时器，并读取时间。然后再进行放电，更换另外一个端口为输入端口。测试充电时间。
这是测量PFO和电容上电压信号。可以看到两个充放电过程，黄色曲线是PFO电压信号，青色是电容上的充放电电压信号。这是PFO作为输出端口，PF1作为输入端口时的测量过程。这两个充电时间与电阻成正比。
这是给出的测量结果，第一个是电阻1对应的充电时间。第二个是电阻2对应的充电时间。它们的比值在4.1左右。根据前面测量的R1，R2的阻值，对应的比值大约为4.143.由此可以看到测量时间比值与电阻比值接近。
测试298个数据进行统计。数据的平均值为4.119，标准方差为0.043。测量平均值比实际电阻比值4943小了0.6%左右。
本文测试了利用单片机IO口测量电阻的方法。单片机平台是STM32F030K6。测量得到的电阻充放电比值比电阻值的比值小了0.6%左右。
大脑思索真理，参考链接：双手触摸知识。
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