1、 工作原理分析

本節(jié)利用PT100鉑電阻實現(xiàn)溫度—電壓轉(zhuǎn)換，首先對電路工作原理和參數(shù)計算進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)行瞬態(tài)和直流仿真分析，驗證分析和計算的正確性；然后利用高級仿真分析對設(shè)計實例進(jìn)行參數(shù)計算，殊途同歸；最后進(jìn)行實際PT100溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路測試，包括電路圖、電路板、元器件表和測試步驟及數(shù)據(jù)。通過本節(jié)學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)該能夠?qū)T100溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行獨立設(shè)計和實際制作。

5.3.1工作原理分析

圖5.46為溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路圖，首先進(jìn)行電路工作原理分析：溫度每變化一度PT100電阻增加約0.385歐姆，利用1mA恒流源對其進(jìn)行激勵，然后將電壓變化量進(jìn)行放大輸出。電阻RZ負(fù)責(zé)輸出電壓零位調(diào)節(jié)，電阻RF負(fù)責(zé)輸出滿度調(diào)節(jié)，兩者互相獨立，使得設(shè)計更加靈活。實際使用時PT100存在非線性，通過微調(diào)Reg1和Reg2阻值進(jìn)行非線性補(bǔ)償。

圖5.46 溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路

電壓源V3提供基準(zhǔn)電壓，電阻R1和R2阻值均為2.5k，正常工作時電壓V1=V2=0，所以通過電阻R1和R2的電流均為1mA，從而通過PT100的電流也為1mA。為與PT100匹配，電阻R3=R4=100歐姆。

根據(jù)電路工作原理可得輸出電壓：

當(dāng)PT100=RZ時輸出電壓為零，所以首先通過調(diào)節(jié)RZ阻值使得輸出為0V；當(dāng)RZ確定之后，PT100變化時輸出電壓線性變化，所以通過改變電阻RF阻值調(diào)節(jié)輸出滿度。

圖5.46所示電路指標(biāo)如下：-50度—150度對應(yīng)電壓0.5V—4.5V；設(shè)T0度對應(yīng)輸出0V，則，求得，即-75度對應(yīng)0V，此時PT100=100-0.38575=71.125歐姆，即RZ=71.125歐姆；150度時PT100=100+0.385150=157.75歐姆，輸出電壓VOUT=4.5V，根據(jù)上式計算得RF=8.89k。

運(yùn)算放大器U1A負(fù)責(zé)輸出零位調(diào)節(jié)，U1B負(fù)責(zé)輸出滿度調(diào)節(jié)，運(yùn)放輸入偏置電壓和電流對電路影響非常嚴(yán)重，實際應(yīng)用時需要選擇精密運(yùn)放。電阻R5、R6和R7為過流保護(hù)電阻，以避免運(yùn)放過流或輸出短路時損壞器件。

第1步：瞬態(tài)仿真分析，驗證電路功能。圖5.47和圖5.48分別為瞬態(tài)和參數(shù)仿真設(shè)置，圖5.49和圖5.40分別為仿真波形和仿真數(shù)據(jù)。由仿真結(jié)果可得，當(dāng)溫度為-50度時輸出壓為499.13mV，當(dāng)溫度為150度時輸出電壓為4.4988V。誤差主要由運(yùn)放和補(bǔ)償電路產(chǎn)生，實際測試時PT100的非線性特性將會更加明顯，所以補(bǔ)償電路以及后期數(shù)據(jù)處理將會更加重要。

圖5.47 瞬態(tài)仿真設(shè)置

圖5.48 溫度仿真設(shè)置

圖5.49 輸出電壓波形

圖5.50 輸出電壓數(shù)據(jù)

第2步：直流仿真分析——溫度與輸出電壓傳輸特性。圖5.51、圖5.52和圖5.53分別為直流分析仿真設(shè)置、仿真波形和數(shù)據(jù)，整體線性誤差優(yōu)于萬分之一。

圖5.51 直流仿真設(shè)置

圖5.52 輸出電壓波形

圖5.53 仿真數(shù)據(jù)

2、附錄——關(guān)鍵仿真器件模型