一种热电材料电阻率测量电路的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及测量技术、电子电路技术、热电材料性能测试领域，特别涉及一种热电材料电阻率测量电路。
【背景技术】
[0002 ]提高热电转换效率是热电材料研究的关键问题，而热电材料的热电转换效率是由热导率、电阻率和塞贝克系数组合而得，因此电阻率的准确测量，直接影响到热电材料性能的测量，进而影响到热电材料的研究。热电材料电阻率对温度十分敏感，其随温度变化的规律呈非线性，且其电阻率随温度的变化很大，甚至可达六个数量级，宽量程的变动对电阻率的准确测量产生较大影响。此外，热电材料在工作时，因材料内阻的存在，产生额外的焦耳热，焦耳热不但会提高温度，而且会与加热源或珀尔贴热叠加，同时也会产生额外的塞贝克效应，从而影响热电材料性能测量的精度。本发明为热电材料电阻率的测量提供了一个体积小、低功耗、安全、稳定和高精度的测量电路，可以实现宽量程的电阻率测量，测量跨度可以从欧姆级到兆欧级，克服珀尔贴效应与额外的塞贝克效应，完成热电材料高精度的测量工作。
【发明内容】
[0003]为了解决热电材料电阻率测量精度不足的问题，本发明提供一种热电材料电阻率测量的电路，能够实现宽量程的电阻率测量，并减少塞贝克与珀尔贴效应对热电材料测量的影响，具有高精度、低功耗和稳定测量的特征。
[0004]为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0005]本发明提供一种热电材料电阻率测量电路，包括核心控制模块、指令输入模块、基准电压输出模块、选档模块、电流换向模块、电流串联负反馈模块、电压集采模块、参考电压模块以及显示模块;所述核心控制模块包括电阻率计算模块和自动测量模块;所述指令输入模块采用串口和按键与核心控制模块相连;所述电压采集模块采用SPI的方式与核心控制电路相连;所述电流换向模块与基准电压输出模块、电流串联负反馈模块相连;所述基准电压输出模块以SPI的方式与核心控制模块相连;所述参考电压模块直接与电压采集模块相连;所述电流串联负反馈模块与电流换向模块、电压采集模块、选档模块和基准电压输出模块相连;所述选档模块与电流串联负反馈模块和核心控制模块相连;所述显示模块以I2C的方式与核心控制模块相连;所述自动测量模块和电阻率计算模块内嵌于核心控制模块；
[0006]所述核心控制模块具有通讯功能和控制功能;所述通讯功能包括接受指令和数据发送;所述接受指令用于参数与指令的输入，并根据参数与指令的输入，提取相应有效的数值，然后根据指令查找操作列表，找出下一步需要完成的操作;所述数据发送用于将采集的电压数据、选档数据、基准电压数据和电阻率计算值等以串口的形式传输至上位机;所述控制功能用于控制电压采集模块、电流换向模块、基准电压输出模块、显示模块、自动测量模块和选档模块，使系统按操作顺序执行任务，保持系统的高效性与稳定性；
[0007]所述指令输入模块采用串口和按键与核心控制模块相连，实现人机交互功能；
[0008]所述基准电压输出模块用于输出基准电压值，并逼近设定输入的基准电压值，将基准电压值输出至电流串联负反馈模块中，作为运算放大器正输入端的参考电压；
[0009]所述选档模块用于电路在电阻率测量过程中采样电阻的自动选择或手动选择，需要低导通电阻的数字开关完成操作，减少因导通电阻引起的额外损耗，提高测量精度；
[0010]所述电流换向模块用于判断电路是否符合电流换向时间，若符合要求，则改变流经被测电阻的电流方向；若不符合，则保持原电流方向；另外，改变电流方向的频率是可控的，可通过指令输入改变频率；
[0011]所述电流串联负反馈模块包括运算放大器U1、被测电阻RX和采样电阻R0，U1的正输入端接基准电压输出模块的电压输出，U1的输出端接被测电阻RX的其中一端，被测电阻RX的另一端米样电阻R0的一端和U1的负输入端，而米样电阻R0的另一端接地；电流串联负反馈模块用于向被测电阻提供计算的恒定电流值，恒定过程是阶段性的，并非恒定一直不变；
[0012]所述电压采集模块利用模/数转换芯片完成，采集输出的基准电压值和被测电阻两端的电压值，并将电压模拟量转换成数字量，并反馈至核心控制模块；
[0013]所述参考电压模块用于提供电压采集模块当中模/数转换芯片的参考电压，保证电压采集模块转换电压的精度与可靠性；
[0014]所述电阻率计算模块通过采集被测电阻两端的电压值与基准电压的输出值，利用基准电压的输出值，并根据If = UDAC/R0计算电流串联负反馈模块提供的电流值;再根据欧姆定律RX = Ua/If，利用被测电阻两端的电压差计算热电材料的电阻率，电阻率计算模块的数据来源是电压采集模块的数字信号；
[0015]所述自动测量模块通过判断输入的指令，执行手动测量或自动测量的操作，无论是手动测量还是自动测量，都需要通过控制基准电压输出模块产生可靠的基准电压和需要选档模块来实现采样电阻的切换;在自动测量过程中，基准电压输出模块的调节与选档模块的调节是不统一的，即对于相同阻值的材料，基准电压和采样电阻的值不是固定的，两者存在着多种组合，无论是那种组合，材料所测量到的电阻率符合误差要求即可；
[0016]作为优选的，所述核心控制模块采用ATMEGA328P-AU芯片，结合复位电路、时钟电路和USB转串口电路，时钟电路由晶振和陶瓷电容组成，晶振为16MHz的无源晶振；
[0017]作为优选的，所述USB转串口电路采用PL2303芯片，PL2303芯片的无源晶振采用12MHz；
[0018]作为优选的，所述指令输入模块由串口、按键与上拉电阻组成。
[0019]作为优选的，所述模/数转换芯片采用16位高速可编程的AD7706芯片，其中AD7706的工作模式为无缓冲、1倍增益、自校正、采样频率为2.4576M和输入方式为单端输入；AD7706具有三路ADC转换，第一路转换的电压为基准电压输出值，第二路和第三路的转换电压为被测电阻两端的电压值，通过第二路和第三路的数字量可以求出被测电阻两端的电压差。
[0020]作为优选的，所述电流换向模块采用ISL84684低导通电阻的单刀双掷模拟开关。[0021 ]作为优选的，所述选档模块由低导通电阻的模拟开关TS5A3166和Welwyn高精度采样电阻组成;所述采样电阻有八档，分别为100Ω、1ΚΩ、5ΚΩ、10ΚΩ、51.1ΚΩ、100ΚΩ、510ΚΩ与1ΜΩ，采样电阻的精度误差为0.5%以内。
[0022]作为优选的，所述基准电压输出模块采用16位高精度的AD8411，以SPI方式与核心控制模块相连，用于产生高精度基准电压，逼近用户输入的设定参数，基准电压的精度为
0.0lVo
[0023]作为优选的，所述参考电压模块采用高精度的REF5050芯片，提供一个标准5V的参考电压，保证电压采集模块采样数据的精度。
[0024]作为优选的，所述运算放大器U1的正极接基准电压，运算放大器U1的输出端接被测电阻RX的一端，而运算放大器U1的负极接被测电阻RX的另一端与采样电阻R0的一端，采样电阻R0另一端接地。
[0025]作为优选的，所述电流串联负反馈模块的运算放大器U1采用高精度、低温漂的0P07o
[0026]作为优选的，所述显示模块采用0LED，采用1?与核心控制电路相连。
[0027]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0028]为热电材料电阻率的测量提供了一个体积小、低功耗、安全、稳定和高精度的测量电路，可以实现宽量程的电阻率测量，测量跨度可以从欧姆级到兆欧级，同时通过电流换向控制能够减少塞贝克与珀尔贴效应对热电材料电阻率测量的影响;此外，还可与上位机相连，接受指令或发送数据，方便数据存储、显示与计算，同时代码具有很强的可移植性。
【附图说明】
[0029]图1为一种热电材料电阻率测量电路的系统结构图。
[0030]图2为电流串联负反馈模块电路图。
[0031 ]图3为一种热电材料电阻率测量电路的总电路图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0033]实施例
[0034]如图1所示，热电材料电阻率测量电路包括核心控制模块、指令输入模块、电压采集模块、电流换向模块、基准电压输出模块、参考电压模块、电流串联负反馈模块、选档模块、显示模块、自动测量模块和电阻率计算模块。
[0035 ]所述热电材料电阻率测量电路除电流串联负反馈模块采用+18 V电源外，其他均采用+5V的电源。
[0036]所述核心控制模块具有通讯功能和控制功能;所述通讯功能包括接受指令和数据发送;所述接受指令用于参数与指令的输入，并根据参数与指令的输入，提取相应有效的数据，为接下来的具体操作做好准备;所述数据发送用于将采集的电压数据、选档数据、基准电压数据和电阻率计算值传输至上位机;所述控制功能用于控制电压采集模块、电流换向模块、基准电压输出模块、显示模块、自动测量模块和选档模块。
[0037]如图1所示，所述指令输入模块采用串口和按键与核心控制模块相连;所述电压采集模块采用SPI的方式与核心控制电路相连;所述电流换向模块与基准电压输出模块、电流串联负反馈模块相连;所述基准电压输出模块以SPI的方式与核心控制模块相连;所述参考电压模块直接与电压采集模块相连;所述电流串联负反馈模块与电流换向模块、电压采集模块、选档模块和基准电压输出模块相连;所述选档模块与电流串联负反馈模块和核心控制模块相连;所述显示模块以I2c的方式与核心控制模块相连;所述自动测量模块和电阻率计算模块内嵌于核心控制模块。
[0038]本实施例的一种热电材料电阻率测量电路的具体电路图如图3所示:
[0039]所述核心控制模块采用ATMEGA328P-AU芯片，结合复位电路、时钟电路和USB转串口电路，时钟电路由晶振和陶瓷电容组成，晶振为16MHz的无源晶振