铂电阻测温说明书

1、一设计说明：设计思路:Pt1000铂电阻测温系统是以铂电阻为敏感元件,其电阻值的变化可反映外界温度变化。通过信号调理电路测量铂电阻上的电信号,即可得到该温度下的铂电阻阻值,再根据铂电阻的分度表即可知道当前的测量温度。设计温度测量调理电路时可将Pt1000铂电阻作为负载元件，通过测量其两端电压即可得到不同温度下对应的电压信号的关系。再经过后续A/D转换电路和显示而得到相应温度显示。而本文只着重讨论基于铂电阻的温度测量调理电路设计，其他后续处理显示电路不再赘述。二.电路总体设计 铂电阻的温度测量调理电路设计主要完成信号的采集与转化工作。当外界温度变化铂电阻值随之而改变，为测得相应精确的电压信号的变

2、化值，则需要一个稳定的恒流源来供电和一个相应的信号调理电路。利用恒流源驱动铂电阻，即可将温度变化转换成铂电阻的电压变化，而信号调理电路则用来精确测量铂电阻上的电压变化。其结构框图如下所示：图（1）调理电路整体框图三.电路各部分环节设计 1.恒流源设计恒流源是输出电流保持不变的电流源，而理想的恒流源为： a)不因负载(输出电压)变化而改变。 b)不因环境温度变化而改变。 c)内阻为无限大。 因此设计恒流源最关键的是满足上述三点要求。常用设计恒流源的方法为：1) MOSFET管设计镜像电流源。2)运算放大器和MOS管集成设计恒流源。3)运算放大器设计恒流源。

3、(1)MOS管设计镜像电流源选用参数尽可能相同的三个特性相同的MOSFET构成以下电路：由于特性相同，且工作在放大区，当MOSFET的时，输出电流为：有上式可知电流源的表达式需要确定的三个参数即：本证导电因子，栅源电压，开启电压。而栅源电压确定相对繁琐。电流输出与负载无关，且输出电阻。（2）运算放大器和MOSFET管集成设计恒流源。在运算放大器和MOSFET集成设计电路中避免的BJT的基电极分流影响而，采用的MOSFET管的栅极电流。这种电流源电路具有低噪声的特性,多用于要求低噪声的场合。具体电路图设计如下图所示：上图运算放大器为电压跟随器，因此电流输出的表达式为： （）只需确定好电压基准后，

4、通过改变的值即可得到需要的电流输出。 3）运算放大器设计恒流源 由于集成运放参数受温度影响相对于晶体管和场效应管较小，因此在温度波动较大的场合用集成放大器比较容易满足设计要求。并且由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好、恒流性能更高的优点，采用双运放设计恒流源如下图所示：其中双运放采用OP07AZ型低噪声、低失调、高精度运算放大器,输入电压范围大,共模抑制比高.能保持极好的线性和增益精度. 为同相放大器，为反相器；为 的输出，为的输入。其中匹配电阻满足：时有以下关系：因此可通过调整电阻的阻值来调整需要的电流的大小。该电路需要注意以下问题：其中肯定会随负载的变化而变化，从而就会影响恒流源的稳定性。

5、为确保不随负载变化，R1，R2，R3，R4这4个电阻的选取原则是失配要尽量的小，且每对电阻的失配大小方向要一致。实际中，可以对大量同一批次的精密电阻进行筛选，选出其中阻值接近的4个电阻。 综述：由于集成运放构成的恒流源具有稳定性更好、恒流性能更高的优点，因此选用方案3运算放大器设计恒流源。2.信号调理电路设计 信号处理电路环节要求可以精确的测量铂电阻的随温度变化而引起的电信号的变化，选用上述恒流源作为驱动电流，因此设计调理电路来精确测量铂电阻的电压信号即可满足要求。 常用的信号调理电路可用：1）恒流源电桥 2）运算放大器。现在分析两种方案的特点。（1） 恒流源电桥调理电路设计：电桥电路可以用来

6、测量微弱信号的变化，这里采用恒流源单臂电桥来设计电路如下图所示：图（5）恒流源电桥信号调理电路 供电电流源可用上述图（5）恒流源来供电，供电电源为，通过各臂的电流为、。当时有如下关系：规定初始时刻为平衡状态，而且令，（其中为的铂的电阻值，可以通过分度表得到）。此时输出，当铂电阻变化为时，电桥输出为：由上式可知存在非线性误差，但与恒压源相比非线性减少了。（2）集成运放调理电路设计：图（6）集成电路调理电路集成运放信号调理电路上图（6）所示，放大器UA3对参考电阻的端电压进行电压跟随得到差分放大器的反响输入端电压信号： 而放大器UA4对温度传感器Rt(Pt1000)的端电压同相放大2倍后得到差分放

7、大器的正向输入端电压信号：对两端电压信号采集得到调理电路输出电压为：当初始状态时，令参考电阻，即可确保差分输出。当铂电阻随温度变化为时，则此时电压输出为：由此可知差分输出是关于的线性函数，不存在线性误差。其中，电阻和的选择原则与之前恒流源分析中的比例电阻选择原则相同，通过对同大量同一批次的普通标称电阻进行筛选，从中选取阻值最接近的。综述：集成运放设计的调理电路的线性特性比电桥电路好，不存在线性误差，而且选用的运算放大器OP07是一种OP07AZ型低噪声、低失调、高精度运算放大器，因此选用在此选用集成运放调理电路设计。四整体电路仿真与分析1.调理电路与器件参数的确定由前面分析可知选用集成运放设计

8、恒流源和信号调理电路构成最后的调理电路为最佳方案，整体电路图如下图所示:图（7）调理电路整体设计从同一批次中选取选取电阻, 且每对电阻的失配大小方向要一致。选取供电电源，基准电阻，以确保恒流源输出的电流为2.155mA,基准电阻 。以便确保电压的输出范围为02.5V。恒流源输出为：2.仿真电路设计选取上述元件参数，用Multisim进行电路仿真，实际的仿真电路如下图所示：图（8）仿真电路设计用Multisim仿真过程中铂电阻选用分度表中每个温度对应的电阻值，用示波器进行观察波形，并记录电压信号。3.仿真数据记录考虑到仿真精度与实际操作，本文选取Pt1000铂电阻分度表的部分数据进行仿真。选取每

9、隔5取一温度值，同时改变相应的铂电阻值，进行仿真获得了63组仿真数据如下表所示：温度电压输出V 电阻值温度电压输出V电阻值温度电压输出V电阻值-100.000 960.859 950.874 1366.077 2001.720 1758.560 -50.042 980.444 1000.914 1385.055 2051.759 1776.932 00.084 1000.000 1050.955 1404.005 2101.799 1795.275 50.127 1019.527 1100.996 1422.925 2151.838 1813.590 100.169 1039.025 1151

10、.037 1441.817 2201.878 1831.875 150.211 1058.495 1201.078 1460.680 2251.917 1850.132 200.252 1077.935 1251.118 1479.514 2301.956 1868.359 250.294 1097.347 1301.159 1498.319 2351.996 1886.558 300.336 1116.729 1351.199 1517.096 2402.035 1904.728 350.378 1136.083 1401.240 1535.843 2452.074 1922.869 400

11、.419 1155.408 1451.280 1554.562 2502.113 1940.981 450.461 1174.704 1501.320 1573.251 2552.152 1959.065 500.503 1193.971 1551.360 1591.912 2602.191 1977.119 550.544 1213.210 1601.401 1610.544 2652.230 1995.145 600.585 1232.419 1651.441 1629.147 2702.269 2013.141 650.627 1251.600 1701.481 1647.721 275

12、2.307 2031.109 700.668 1270.751 1751.521 1666.267 2802.346 2049.048 750.709 1289.874 1801.561 1684.783 2852.385 2066.958 800.750 1308.968 1851.601 1703.271 2902.423 2084.839 850.792 1328.033 1901.640 1721.729 2952.462 2102.692 900.833 1347.069 1951.680 1740.159 3002.500 2120.515 表一：调理电路不同温度对应电压统计表4.

13、图形绘制(1)电压电阻随温度的变化的曲线图:为进一步分析电压信号随温度的变化关系与铂电阻阻值随温度变化关系两者之间的联系，下面对上述实验数据进行线性拟合，来具体形象的分析上述结论。运用Matlab对以上数据进行曲线拟合得到如下曲线图形： 图（9）电压电阻随温度变化的函数 从图（9）分析可知电压输出、铂电阻阻值随温度变化近似为线性关系。为进一步分析两者之间的关系，将上面的曲线建立到一个坐标中若下图所示： 图（10）不同电压电阻对应的曲线图由图（10）分析可知仿真曲线可知电压输出和铂电阻阻值随温度变化成较好的线性关系(2)电压变化量U、电阻变化量R随温度变化的曲线图：图（11）电压变化量U、电阻变

14、化量R随温度变化的曲线图由图（11）分析可知电压变化量和电流变量近似为平行关系，由此可知函数关系式成立，实验仿真达到精度要求。为量化分析电压和电阻与温度的关系，下面将具体分析一下电压和电阻与温度的函数关系。5.线性函数拟合（1）电阻输出随温度变化的曲线线性拟合 General model:R(t) = a*t*t+b*t+cCoefficients (with 95% confidence bounds):a = -0.0005775b = 3.908c = 1000Goodness of fit:SSE: 3.877e-006 和方差、误差平方和R-square: 1 确定系数由上述拟合结果

15、可知电阻阻值函数是随温度变化的二阶函数，但是其二阶项系数a = -0.0005775相对于一阶系数b和常数项c较小，可近似为线性函数。 因此电阻变化随温度变化的函数为：而其Pt1000铂电阻温度电阻特性是：从上述分析可知铂电阻并非为绝对的线性关系。（2）电压输出随温度变化的曲线线性拟合 Linear model Poly1: U(t) = a*t+ bCoefficients (with 95% confidence bounds):a = 0.008065 b = 0.1003 Goodness of fit:SSE: 0.005333 和方差、误差平方和R-square: 0.9998 确

16、定系数 由拟合结果可知：SSE=0.005333，其值越接近于0说明模型选择和拟合更好，数据预测也越成功。R-square=0.9998，其实“确定系数”是通过数据的变化来表征一个拟合的好坏。 “确定系数”的正常取值范围为0 1，越接近1，表明方程U(t)对t的解释能力越强，这个模型对数据拟合的也较好。因此电压随温度变化的函数关系为：进而可知道根据电压输出可求出温度:当测得电压以后可根据上式求出对应的温度值。五误差分析 通过上述仿真分析可知，铂电阻的阻值随温度变化并非为线性关系，因此造成电压与温度同样并非完全的线性关系。从而在U(t)线性拟合的结果发现确定系数R-square=0.9998并不

17、为1。说明上式存在一定的线性误差。若在高精度的要求场合下，可对铂电阻传感器进行线性补偿，从而确保电压输出与温度为完全的线性关系。实际上在匹配电阻时，参数不可能完全一样，而电阻式适配的影响在一些场合下会大于线性误差。而运算放大器的性能受到封装和工艺的影响因此其并非理想的运放。而上述的公式的推导是在电阻匹配和运放假设为理想条件下完成的。因此实际的仿真结果中也会存在一定的误差。六结论 本文电路设计分析了三种恒流源设计方案，两种信号调理电路设计方案。从中选取运算放大器设计恒流源和信号调理电路，通过电压与电阻匹配很好的满足了电压信号为0-2.5V的设计要求。后续电路无需考虑信号的放大电路的设计，电路设计简单可靠，保障了设计的精度。七总结为期一周的电路设计实验，在这一周忙碌而又充实的学习中,深刻体会到在课堂上学习的理论知识与实际的工程实践相差甚远。实践运用的过程中考虑的实际因素是课堂知识所缺乏的。例如运算放大器各种型号的选用，其工艺与封装的性能要求，需要根据不同的场合选用不同型号。这些工程知识只有在实践运用于设计电路的过程中才会考虑到。再者工程实践中，例如恒流源的设计方案，往往面临多个选择。怎样选