一種熱電材料電阻率測量電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及測量技術(shù)、電子電路技術(shù)、熱電材料性能測試領(lǐng)域，特別涉及一種熱電材料電阻率測量電路。
【背景技術(shù)】
[0002 ]提高熱電轉(zhuǎn)換效率是熱電材料研究的關(guān)鍵問題，而熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率是由熱導(dǎo)率、電阻率和塞貝克系數(shù)組合而得，因此電阻率的準(zhǔn)確測量，直接影響到熱電材料性能的測量，進(jìn)而影響到熱電材料的研究。熱電材料電阻率對溫度十分敏感，其隨溫度變化的規(guī)律呈非線性，且其電阻率隨溫度的變化很大，甚至可達(dá)六個(gè)數(shù)量級，寬量程的變動對電阻率的準(zhǔn)確測量產(chǎn)生較大影響。此外，熱電材料在工作時(shí)，因材料內(nèi)阻的存在，產(chǎn)生額外的焦耳熱，焦耳熱不但會提高溫度，而且會與加熱源或珀?duì)栙N熱疊加，同時(shí)也會產(chǎn)生額外的塞貝克效應(yīng)，從而影響熱電材料性能測量的精度。本發(fā)明為熱電材料電阻率的測量提供了一個(gè)體積小、低功耗、安全、穩(wěn)定和高精度的測量電路，可以實(shí)現(xiàn)寬量程的電阻率測量，測量跨度可以從歐姆級到兆歐級，克服珀?duì)栙N效應(yīng)與額外的塞貝克效應(yīng)，完成熱電材料高精度的測量工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決熱電材料電阻率測量精度不足的問題，本發(fā)明提供一種熱電材料電阻率測量的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)寬量程的電阻率測量，并減少塞貝克與珀?duì)栙N效應(yīng)對熱電材料測量的影響，具有高精度、低功耗和穩(wěn)定測量的特征。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明提供一種熱電材料電阻率測量電路，包括核心控制模塊、指令輸入模塊、基準(zhǔn)電壓輸出模塊、選檔模塊、電流換向模塊、電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊、電壓集采模塊、參考電壓模塊以及顯示模塊;所述核心控制模塊包括電阻率計(jì)算模塊和自動測量模塊;所述指令輸入模塊采用串口和按鍵與核心控制模塊相連;所述電壓采集模塊采用SPI的方式與核心控制電路相連;所述電流換向模塊與基準(zhǔn)電壓輸出模塊、電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊相連;所述基準(zhǔn)電壓輸出模塊以SPI的方式與核心控制模塊相連;所述參考電壓模塊直接與電壓采集模塊相連;所述電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊與電流換向模塊、電壓采集模塊、選檔模塊和基準(zhǔn)電壓輸出模塊相連;所述選檔模塊與電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊和核心控制模塊相連;所述顯示模塊以I2C的方式與核心控制模塊相連;所述自動測量模塊和電阻率計(jì)算模塊內(nèi)嵌于核心控制模塊；
[0006]所述核心控制模塊具有通訊功能和控制功能;所述通訊功能包括接受指令和數(shù)據(jù)發(fā)送;所述接受指令用于參數(shù)與指令的輸入，并根據(jù)參數(shù)與指令的輸入，提取相應(yīng)有效的數(shù)值，然后根據(jù)指令查找操作列表，找出下一步需要完成的操作;所述數(shù)據(jù)發(fā)送用于將采集的電壓數(shù)據(jù)、選檔數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)和電阻率計(jì)算值等以串口的形式傳輸至上位機(jī);所述控制功能用于控制電壓采集模塊、電流換向模塊、基準(zhǔn)電壓輸出模塊、顯示模塊、自動測量模塊和選檔模塊，使系統(tǒng)按操作順序執(zhí)行任務(wù)，保持系統(tǒng)的高效性與穩(wěn)定性；
[0007]所述指令輸入模塊采用串口和按鍵與核心控制模塊相連，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；
[0008]所述基準(zhǔn)電壓輸出模塊用于輸出基準(zhǔn)電壓值，并逼近設(shè)定輸入的基準(zhǔn)電壓值，將基準(zhǔn)電壓值輸出至電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊中，作為運(yùn)算放大器正輸入端的參考電壓；
[0009]所述選檔模塊用于電路在電阻率測量過程中采樣電阻的自動選擇或手動選擇，需要低導(dǎo)通電阻的數(shù)字開關(guān)完成操作，減少因?qū)娮枰鸬念~外損耗，提高測量精度；
[0010]所述電流換向模塊用于判斷電路是否符合電流換向時(shí)間，若符合要求，則改變流經(jīng)被測電阻的電流方向；若不符合，則保持原電流方向；另外，改變電流方向的頻率是可控的，可通過指令輸入改變頻率；
[0011]所述電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊包括運(yùn)算放大器U1、被測電阻RX和采樣電阻R0，U1的正輸入端接基準(zhǔn)電壓輸出模塊的電壓輸出，U1的輸出端接被測電阻RX的其中一端，被測電阻RX的另一端米樣電阻R0的一端和U1的負(fù)輸入端，而米樣電阻R0的另一端接地；電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊用于向被測電阻提供計(jì)算的恒定電流值，恒定過程是階段性的，并非恒定一直不變；
[0012]所述電壓采集模塊利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成，采集輸出的基準(zhǔn)電壓值和被測電阻兩端的電壓值，并將電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并反饋至核心控制模塊；
[0013]所述參考電壓模塊用于提供電壓采集模塊當(dāng)中模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓，保證電壓采集模塊轉(zhuǎn)換電壓的精度與可靠性；
[0014]所述電阻率計(jì)算模塊通過采集被測電阻兩端的電壓值與基準(zhǔn)電壓的輸出值，利用基準(zhǔn)電壓的輸出值，并根據(jù)If = UDAC/R0計(jì)算電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊提供的電流值;再根據(jù)歐姆定律RX = Ua/If，利用被測電阻兩端的電壓差計(jì)算熱電材料的電阻率，電阻率計(jì)算模塊的數(shù)據(jù)來源是電壓采集模塊的數(shù)字信號；
[0015]所述自動測量模塊通過判斷輸入的指令，執(zhí)行手動測量或自動測量的操作，無論是手動測量還是自動測量，都需要通過控制基準(zhǔn)電壓輸出模塊產(chǎn)生可靠的基準(zhǔn)電壓和需要選檔模塊來實(shí)現(xiàn)采樣電阻的切換;在自動測量過程中，基準(zhǔn)電壓輸出模塊的調(diào)節(jié)與選檔模塊的調(diào)節(jié)是不統(tǒng)一的，即對于相同阻值的材料，基準(zhǔn)電壓和采樣電阻的值不是固定的，兩者存在著多種組合，無論是那種組合，材料所測量到的電阻率符合誤差要求即可；
[0016]作為優(yōu)選的，所述核心控制模塊采用ATMEGA328P-AU芯片，結(jié)合復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和USB轉(zhuǎn)串口電路，時(shí)鐘電路由晶振和陶瓷電容組成，晶振為16MHz的無源晶振；
[0017]作為優(yōu)選的，所述USB轉(zhuǎn)串口電路采用PL2303芯片，PL2303芯片的無源晶振采用12MHz；
[0018]作為優(yōu)選的，所述指令輸入模塊由串口、按鍵與上拉電阻組成。
[0019]作為優(yōu)選的，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用16位高速可編程的AD7706芯片，其中AD7706的工作模式為無緩沖、1倍增益、自校正、采樣頻率為2.4576M和輸入方式為單端輸入；AD7706具有三路ADC轉(zhuǎn)換，第一路轉(zhuǎn)換的電壓為基準(zhǔn)電壓輸出值，第二路和第三路的轉(zhuǎn)換電壓為被測電阻兩端的電壓值，通過第二路和第三路的數(shù)字量可以求出被測電阻兩端的電壓差。
[0020]作為優(yōu)選的，所述電流換向模塊采用ISL84684低導(dǎo)通電阻的單刀雙擲模擬開關(guān)。[0021 ]作為優(yōu)選的，所述選檔模塊由低導(dǎo)通電阻的模擬開關(guān)TS5A3166和Welwyn高精度采樣電阻組成;所述采樣電阻有八檔，分別為100Ω、1ΚΩ、5ΚΩ、10ΚΩ、51.1ΚΩ、100ΚΩ、510ΚΩ與1ΜΩ，采樣電阻的精度誤差為0.5%以內(nèi)。
[0022]作為優(yōu)選的，所述基準(zhǔn)電壓輸出模塊采用16位高精度的AD8411，以SPI方式與核心控制模塊相連，用于產(chǎn)生高精度基準(zhǔn)電壓，逼近用戶輸入的設(shè)定參數(shù)，基準(zhǔn)電壓的精度為
0.0lVo
[0023]作為優(yōu)選的，所述參考電壓模塊采用高精度的REF5050芯片，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)5V的參考電壓，保證電壓采集模塊采樣數(shù)據(jù)的精度。
[0024]作為優(yōu)選的，所述運(yùn)算放大器U1的正極接基準(zhǔn)電壓，運(yùn)算放大器U1的輸出端接被測電阻RX的一端，而運(yùn)算放大器U1的負(fù)極接被測電阻RX的另一端與采樣電阻R0的一端，采樣電阻R0另一端接地。
[0025]作為優(yōu)選的，所述電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊的運(yùn)算放大器U1采用高精度、低溫漂的0P07o
[0026]作為優(yōu)選的，所述顯示模塊采用0LED，采用1?與核心控制電路相連。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0028]為熱電材料電阻率的測量提供了一個(gè)體積小、低功耗、安全、穩(wěn)定和高精度的測量電路，可以實(shí)現(xiàn)寬量程的電阻率測量，測量跨度可以從歐姆級到兆歐級，同時(shí)通過電流換向控制能夠減少塞貝克與珀?duì)栙N效應(yīng)對熱電材料電阻率測量的影響;此外，還可與上位機(jī)相連，接受指令或發(fā)送數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)存儲、顯示與計(jì)算，同時(shí)代碼具有很強(qiáng)的可移植性。
【附圖說明】
[0029]圖1為一種熱電材料電阻率測量電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖2為電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊電路圖。
[0031 ]圖3為一種熱電材料電阻率測量電路的總電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0033]實(shí)施例
[0034]如圖1所示，熱電材料電阻率測量電路包括核心控制模塊、指令輸入模塊、電壓采集模塊、電流換向模塊、基準(zhǔn)電壓輸出模塊、參考電壓模塊、電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊、選檔模塊、顯示模塊、自動測量模塊和電阻率計(jì)算模塊。
[0035 ]所述熱電材料電阻率測量電路除電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊采用+18 V電源外，其他均采用+5V的電源。
[0036]所述核心控制模塊具有通訊功能和控制功能;所述通訊功能包括接受指令和數(shù)據(jù)發(fā)送;所述接受指令用于參數(shù)與指令的輸入，并根據(jù)參數(shù)與指令的輸入，提取相應(yīng)有效的數(shù)據(jù)，為接下來的具體操作做好準(zhǔn)備;所述數(shù)據(jù)發(fā)送用于將采集的電壓數(shù)據(jù)、選檔數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)和電阻率計(jì)算值傳輸至上位機(jī);所述控制功能用于控制電壓采集模塊、電流換向模塊、基準(zhǔn)電壓輸出模塊、顯示模塊、自動測量模塊和選檔模塊。
[0037]如圖1所示，所述指令輸入模塊采用串口和按鍵與核心控制模塊相連;所述電壓采集模塊采用SPI的方式與核心控制電路相連;所述電流換向模塊與基準(zhǔn)電壓輸出模塊、電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊相連;所述基準(zhǔn)電壓輸出模塊以SPI的方式與核心控制模塊相連;所述參考電壓模塊直接與電壓采集模塊相連;所述電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊與電流換向模塊、電壓采集模塊、選檔模塊和基準(zhǔn)電壓輸出模塊相連;所述選檔模塊與電流串聯(lián)負(fù)反饋模塊和核心控制模塊相連;所述顯示模塊以I2c的方式與核心控制模塊相連;所述自動測量模塊和電阻率計(jì)算模塊內(nèi)嵌于核心控制模塊。
[0038]本實(shí)施例的一種熱電材料電阻率測量電路的具體電路圖如圖3所示:
[0039]所述核心控制模塊采用ATMEGA328P-AU芯片，結(jié)合復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和USB轉(zhuǎn)串口電路，時(shí)鐘電路由晶振和陶瓷電容組成，晶振為16MHz的無源晶振