铂电阻测温元件测温解析

1、模拟电子技术课程设计报告书信息工程学院设计题目：模拟电子技术课程设计指导书（ 2007版）95页 题目 23 铂电阻测温元件测温 性能指标：若铂测温电阻元件作为电桥的一个桥臂，当测温范围为0200时，需要放大电路输出 05V 电压，试设计该放大电路。该测温电桥采用 1mA的电流源供电。一、 电路结构及原理说明 本铂电阻测温电路由四部分组成：基准电压源电路、恒流源电路、测温桥及放大电路 电路的框图如下：2. 恒流源电路：用于产生 -1mA的恒定电流，为测温桥供电。3. 测温桥及放大电路：铂电阻在 0200时的阻值发生变化，测温桥用于将阻值的变 化转化为电压的变化（即 V ）；放大电路用于将测温桥

2、输出的微小电压变化（ V） 放大，使其满足性能要求。放大电路采用两个同相电压跟随器（作为输入缓冲器）与 两级放大器组成， 其中第一级放大器为差动放大器， 第二级放大器为可以方便调节的 反相比例运算电路。图一1. 基准电压源的计算电路如图一所示，输出电压 Vout=5V，稳压管选择 Uz=3.3V 的 1N5913B，取稳定电流约为 1 2mA，选取 Vs=12V。根据同相比例电路，有：Vout=(1+R2/R1)VzVz=3.3V ，故有 R2/R1=0.515，选取 R1=33k，得 R2=17k令 R4=1.0k，则 I R4=(Vout-Vz )/R4=1.7mA设 I R3=I D=0

3、.2mA，则 I R5=0.4mA，且 R3/(R5+R4)Vs VD+Vz=0.7+3.3=4V选择 R5=R3=20k，满足稳压管工作的条件。2. 恒流源的计算电路如图二所示，经分析可知， Iout=-(R3+R4)V1/R1/R5 ，由于基准电压源 Vout=5V，故+ V选取 R1=R2=10k ，R3=R4=20k，得 Iout=-1mA 。3. 测温电桥的计算如图三可知，V=R 2 + R wI R 1 - R 1 + P t 1 00 I R2R1+R2+Pt100+Rw R1+R2+Pt100+RwI R1(Rw-Pt100)R1+R2+Pt100+Rw选 R1=R2=100k

4、 ，依据 Pt100=0.1(1+at-bt 2-ct 3(t-100)(k)其中a=3.90802e-3，b=5.80195e-7，c=0，t 为摄氏温度得出 t=0 时， Pt100=0.100k t=100时， Pt100=0.13851k 图三t=200时， Pt100=0.17584k 当 t=0 时，令 Rw=0.100k，使得 V=0V；t=200时，计算得 V=-0.037868V4. 放大电路的计算电路如图四所示，由于性能要求 t=200 时， Vout=5V，又V=-0.037868V， 故放大电路的电压放大倍数为： Au=Vout/ V=-132.04 选取第一级差动放大

5、器的电压放大倍数为 Au1=33，令 R1=R2=10k，得 R3=R4=330k 故第二级放大器的电压放大倍数为 Au2=Au/Au1=4.02，令 R5=10k，得 R7=40.2k ，平 衡电阻 R6=R5 R7=8k。5. 由于 OP07芯片的温度漂移较小，性能较好，故集成运放选用 OP07。四、电路仿真1. 基准电压源的单独仿真：由理论计算可知， R2=17k ，但仿真时放大倍数达不到要求，仅能输出 4.56V，需要增大R2来增大输出电压，经过反复调试，最终选择 R2=21.6k，此时输出电压 Vout=5.002V ， 误差为 E=(Vout-V)/V 100%=0.002/510

6、0%=0.04%，精确度较高。2. 恒流源的单独仿真：当单独仿真恒流源时，输出电流 Iout 满足性能要求。3. 放大电路的单独仿真：当放大电路接 t=200 ，V=-0.037868V 时，由理论计算， R6=40.2k时，Vout=5.022V ， 精度稍有不足，经过调试，选择R6=40.0k，此时 Vout=4.997V ，误差 E=(V-Vout)/V 100%=0.003/5100%=0.06%，精度较高。4. 整体电路仿真：如图，仿真时，对 R3 的阻值进行调整，使恒流源输出电流尽可能接近 -1mA，最终确定 R3=22.7k，此时 I=-1.002mA ；对 Rw进行调整，使 P

7、t100=100时， Vout 尽量输出为零， 最终确定 Rw=100，同时确定 R21=40.2k，使得 Pt=175.84 时， Vout=5.000V。令温度变 化时,Pt100 电阻阻值为线性变化 , 可得下表一，由计算可知， t=200 时，误差为 0%，符合性 能要求。近似可得每升高 (5-0)/200=0.025V 温度升高一摄氏度。5. 误差产生的分析：本次仿真产生误差的主要原因为： 1. 集成运放采用实际运放 OP07AH，而理论分析采用实际运放的性能参数，实际运放的输入电阻，输出电组，失调电流，失调电压等会造成误差；2. 没有对运放进行调零设计，仅通过电阻值的调整来调整电路

8、性能，仍有误差存在； 3. 稳压 管使用 1N5913B，是实际稳压管，对基准稳压电路的性能会有影响； 4. 恒流源设计并不精确， 对输出电流的精度产生影响，最终造成输出电压的误差。表一：仿真情况温度 t( )Pt100 阻值( )仿真参数 Vout理想输出(V)误差(%)0100-1.800mV0/100138.512.539V2.51.56200175.845.000V5.00图六： Pt=175.84 时的仿真情况五、主要元件参数和元件列表基准电压源恒流源测温电桥放大电路运放OP07AH运放OP07AH运放OP07AH运放OP07AHV112VR510kRw100R1610kR120kR

9、610kR11100kR1710kR2330kR710kR13100kR18330kR322.7k R810kPt100铂电阻R19330kR41.0kR910kR2010kR1220kR1010kR2140.2k D1虚拟二极管R228k稳压管1N5913B六、总结1. 通过本次模拟电子技术课程设计，巩固了模拟电子技术课程中学习的理论知识，例 如同相比例电路反相比例电路实际运放稳压管等知识；2. 通过在网络中寻找实际元件参数，锻炼了自己阅读技术资料的能力；3. 初步掌握了 Multisim2001 用于模拟电子技术的仿真方法，初步了解了计算机辅助设 计的方法；4. 通过参阅参考文献，了解了更多关于铂电阻测温传感器的知识；5. 本次课程设计还有相当多的不足和缺点，例如：仿真设计时没有考虑稳定对其他元 件的影响；仿真是没有具体对实际运放进行失调电压和失调电流的调零；选取某些 电阻时使用的虚拟电阻，没有采用实际电阻，缺乏实用性；对误差的分析比较简单， 希望通过本次课程设计，进一步掌握计算机辅助设计的能力，对本试验题目做进一 步改进。七 参考文献1 . 太原理工大学信