鉑電阻測(cè)溫說(shuō)明書

1、一設(shè)計(jì)說(shuō)明：設(shè)計(jì)思路:Pt1000鉑電阻測(cè)溫系統(tǒng)是以鉑電阻為敏感元件,其電阻值的變化可反映外界溫度變化。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路測(cè)量鉑電阻上的電信號(hào),即可得到該溫度下的鉑電阻阻值,再根據(jù)鉑電阻的分度表即可知道當(dāng)前的測(cè)量溫度。設(shè)計(jì)溫度測(cè)量調(diào)理電路時(shí)可將Pt1000鉑電阻作為負(fù)載元件，通過(guò)測(cè)量其兩端電壓即可得到不同溫度下對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)的關(guān)系。再經(jīng)過(guò)后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示而得到相應(yīng)溫度顯示。而本文只著重討論基于鉑電阻的溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì)，其他后續(xù)處理顯示電路不再贅述。二.電路總體設(shè)計(jì)鉑電阻的溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì)主要完成信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)化工作。當(dāng)外界溫度變化鉑電阻值隨之而改變，為測(cè)得相應(yīng)精確的電壓信號(hào)的變化

2、值，則需要一個(gè)穩(wěn)定的恒流源來(lái)供電和一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。利用恒流源驅(qū)動(dòng)鉑電阻，即可將溫度變化轉(zhuǎn)換成鉑電阻的電壓變化，而信號(hào)調(diào)理電路則用來(lái)精確測(cè)量鉑電阻上的電壓變化。其結(jié)構(gòu)框圖如下所示：圖（1）調(diào)理電路整體框圖三.電路各部分環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)1.恒流源設(shè)計(jì)恒流源是輸出電流保持不變的電流源，而理想的恒流源為： a)不因負(fù)載(輸出電壓)變化而改變。 b)不因環(huán)境溫度變化而改變。 c)內(nèi)阻為無(wú)限大。 因此設(shè)計(jì)恒流源最關(guān)鍵的是滿足上述三點(diǎn)要求。常用設(shè)計(jì)恒流源的方法為：1) MOSFET管設(shè)計(jì)鏡像電流源。2)運(yùn)算放大器和MOS管集成設(shè)計(jì)恒流源。3)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)恒流源。(1

3、)MOS管設(shè)計(jì)鏡像電流源選用參數(shù)盡可能相同的三個(gè)特性相同的MOSFET構(gòu)成以下電路：由于特性相同，且工作在放大區(qū)，當(dāng)MOSFET的時(shí)，輸出電流為：有上式可知電流源的表達(dá)式需要確定的三個(gè)參數(shù)即：本證導(dǎo)電因子，柵源電壓，開啟電壓。而柵源電壓確定相對(duì)繁瑣。電流輸出與負(fù)載無(wú)關(guān)，且輸出電阻。（2）運(yùn)算放大器和MOSFET管集成設(shè)計(jì)恒流源。在運(yùn)算放大器和MOSFET集成設(shè)計(jì)電路中避免的BJT的基電極分流影響而，采用的MOSFET管的柵極電流。這種電流源電路具有低噪聲的特性,多用于要求低噪聲的場(chǎng)合。具體電路圖設(shè)計(jì)如下圖所示：上圖運(yùn)算放大器為電壓跟隨器，因此電流輸出的表達(dá)式為： （）只需確定好電壓基準(zhǔn)后，通過(guò)

4、改變的值即可得到需要的電流輸出。 3）運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)恒流源 由于集成運(yùn)放參數(shù)受溫度影響相對(duì)于晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管較小，因此在溫度波動(dòng)較大的場(chǎng)合用集成放大器比較容易滿足設(shè)計(jì)要求。并且由集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點(diǎn)，采用雙運(yùn)放設(shè)計(jì)恒流源如下圖所示：其中雙運(yùn)放采用OP07AZ型低噪聲、低失調(diào)、高精度運(yùn)算放大器,輸入電壓范圍大,共模抑制比高.能保持極好的線性和增益精度. 為同相放大器，為反相器；為的輸出，為的輸入。其中匹配電阻滿足：時(shí)有以下關(guān)系：因此可通過(guò)調(diào)整電阻的阻值來(lái)調(diào)整需要的電流的大小。該電路需要注意以下問(wèn)題：其中肯定會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，從而就會(huì)影響恒流源的穩(wěn)定性。為確保

5、不隨負(fù)載變化，R1，R2，R3，R4這4個(gè)電阻的選取原則是失配要盡量的小，且每對(duì)電阻的失配大小方向要一致。實(shí)際中，可以對(duì)大量同一批次的精密電阻進(jìn)行篩選，選出其中阻值接近的4個(gè)電阻。綜述：由于集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點(diǎn)，因此選用方案3運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)恒流源。2.信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 信號(hào)處理電路環(huán)節(jié)要求可以精確的測(cè)量鉑電阻的隨溫度變化而引起的電信號(hào)的變化，選用上述恒流源作為驅(qū)動(dòng)電流，因此設(shè)計(jì)調(diào)理電路來(lái)精確測(cè)量鉑電阻的電壓信號(hào)即可滿足要求。 常用的信號(hào)調(diào)理電路可用：1）恒流源電橋 2）運(yùn)算放大器?，F(xiàn)在分析兩種方案的特點(diǎn)。（1） 恒流源電橋調(diào)理電路設(shè)計(jì)：電橋電路可以用來(lái)測(cè)量微弱

6、信號(hào)的變化，這里采用恒流源單臂電橋來(lái)設(shè)計(jì)電路如下圖所示：圖（5）恒流源電橋信號(hào)調(diào)理電路供電電流源可用上述圖（5）恒流源來(lái)供電，供電電源為，通過(guò)各臂的電流為、。當(dāng)時(shí)有如下關(guān)系：規(guī)定初始時(shí)刻為平衡狀態(tài)，而且令，（其中為的鉑的電阻值，可以通過(guò)分度表得到）。此時(shí)輸出，當(dāng)鉑電阻變化為時(shí)，電橋輸出為：由上式可知存在非線性誤差，但與恒壓源相比非線性減少了。（2）集成運(yùn)放調(diào)理電路設(shè)計(jì)：圖（6）集成電路調(diào)理電路集成運(yùn)放信號(hào)調(diào)理電路上圖（6）所示，放大器UA3對(duì)參考電阻的端電壓進(jìn)行電壓跟隨得到差分放大器的反響輸入端電壓信號(hào)：而放大器UA4對(duì)溫度傳感器Rt(Pt1000)的端電壓同相放大2倍后得到差分放大器的正向輸

7、入端電壓信號(hào)：對(duì)兩端電壓信號(hào)采集得到調(diào)理電路輸出電壓為：當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，令參考電阻，即可確保差分輸出。當(dāng)鉑電阻隨溫度變化為時(shí)，則此時(shí)電壓輸出為：由此可知差分輸出是關(guān)于的線性函數(shù)，不存在線性誤差。其中，電阻和的選擇原則與之前恒流源分析中的比例電阻選擇原則相同，通過(guò)對(duì)同大量同一批次的普通標(biāo)稱電阻進(jìn)行篩選，從中選取阻值最接近的。綜述：集成運(yùn)放設(shè)計(jì)的調(diào)理電路的線性特性比電橋電路好，不存在線性誤差，而且選用的運(yùn)算放大器OP07是一種OP07AZ型低噪聲、低失調(diào)、高精度運(yùn)算放大器，因此選用在此選用集成運(yùn)放調(diào)理電路設(shè)計(jì)。四整體電路仿真與分析1.調(diào)理電路與器件參數(shù)的確定由前面分析可知選用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)恒流源和信號(hào)

8、調(diào)理電路構(gòu)成最后的調(diào)理電路為最佳方案，整體電路圖如下圖所示:圖（7）調(diào)理電路整體設(shè)計(jì)從同一批次中選取選取電阻,且每對(duì)電阻的失配大小方向要一致。選取供電電源，基準(zhǔn)電阻，以確保恒流源輸出的電流為2.155mA,基準(zhǔn)電阻。以便確保電壓的輸出范圍為02.5V。恒流源輸出為：2.仿真電路設(shè)計(jì)選取上述元件參數(shù)，用Multisim進(jìn)行電路仿真，實(shí)際的仿真電路如下圖所示：圖（8）仿真電路設(shè)計(jì)用Multisim仿真過(guò)程中鉑電阻選用分度表中每個(gè)溫度對(duì)應(yīng)的電阻值，用示波器進(jìn)行觀察波形，并記錄電壓信號(hào)。3.仿真數(shù)據(jù)記錄考慮到仿真精度與實(shí)際操作，本文選取Pt1000鉑電阻分度表的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行仿真。選取每隔5取一溫度值，

9、同時(shí)改變相應(yīng)的鉑電阻值，進(jìn)行仿真獲得了63組仿真數(shù)據(jù)如下表所示：溫度電壓輸出V 電阻值溫度電壓輸出V電阻值溫度電壓輸出V電阻值-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 1151.037 144

10、1.817 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 1922.869 400.419 115

11、5.408 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 2752.307 20

12、31.109 700.668 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：調(diào)理電路不同溫度對(duì)應(yīng)電壓統(tǒng)計(jì)表4.圖形繪制(1)電

13、壓電阻隨溫度的變化的曲線圖:為進(jìn)一步分析電壓信號(hào)隨溫度的變化關(guān)系與鉑電阻阻值隨溫度變化關(guān)系兩者之間的聯(lián)系，下面對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，來(lái)具體形象的分析上述結(jié)論。運(yùn)用Matlab對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到如下曲線圖形：圖（9）電壓電阻隨溫度變化的函數(shù) 從圖（9）分析可知電壓輸出、鉑電阻阻值隨溫度變化近似為線性關(guān)系。為進(jìn)一步分析兩者之間的關(guān)系，將上面的曲線建立到一個(gè)坐標(biāo)中若下圖所示： 圖（10）不同電壓電阻對(duì)應(yīng)的曲線圖由圖（10）分析可知仿真曲線可知電壓輸出和鉑電阻阻值隨溫度變化成較好的線性關(guān)系(2)電壓變化量U、電阻變化量R隨溫度變化的曲線圖：圖（11）電壓變化量U、電阻變化量R隨溫度變化的

14、曲線圖由圖（11）分析可知電壓變化量和電流變量近似為平行關(guān)系，由此可知函數(shù)關(guān)系式成立，實(shí)驗(yàn)仿真達(dá)到精度要求。為量化分析電壓和電阻與溫度的關(guān)系，下面將具體分析一下電壓和電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系。5.線性函數(shù)擬合（1）電阻輸出隨溫度變化的曲線線性擬合 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、誤差平方和R-square: 1確定系數(shù)由上述擬合結(jié)果可知電阻阻值函數(shù)是隨溫

15、度變化的二階函數(shù)，但是其二階項(xiàng)系數(shù)a = -0.0005775相對(duì)于一階系數(shù)b和常數(shù)項(xiàng)c較小，可近似為線性函數(shù)。因此電阻變化隨溫度變化的函數(shù)為：而其Pt1000鉑電阻溫度電阻特性是：從上述分析可知鉑電阻并非為絕對(duì)的線性關(guān)系。（2）電壓輸出隨溫度變化的曲線線性擬合 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、誤差平方和R-square: 0.9998確定系數(shù) 由擬合結(jié)果可知：SSE

16、=0.005333，其值越接近于0說(shuō)明模型選擇和擬合更好，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)也越成功。R-square=0.9998，其實(shí)“確定系數(shù)”是通過(guò)數(shù)據(jù)的變化來(lái)表征一個(gè)擬合的好壞。 “確定系數(shù)”的正常取值范圍為0 1，越接近1，表明方程U(t)對(duì)t的解釋能力越強(qiáng)，這個(gè)模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合的也較好。因此電壓隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系為：進(jìn)而可知道根據(jù)電壓輸出可求出溫度:當(dāng)測(cè)得電壓以后可根據(jù)上式求出對(duì)應(yīng)的溫度值。五誤差分析 通過(guò)上述仿真分析可知，鉑電阻的阻值隨溫度變化并非為線性關(guān)系，因此造成電壓與溫度同樣并非完全的線性關(guān)系。從而在U(t)線性擬合的結(jié)果發(fā)現(xiàn)確定系數(shù)R-square=0.9998并不為1。說(shuō)明上式存在一定的線性誤

17、差。若在高精度的要求場(chǎng)合下，可對(duì)鉑電阻傳感器進(jìn)行線性補(bǔ)償，從而確保電壓輸出與溫度為完全的線性關(guān)系。實(shí)際上在匹配電阻時(shí)，參數(shù)不可能完全一樣，而電阻式適配的影響在一些場(chǎng)合下會(huì)大于線性誤差。而運(yùn)算放大器的性能受到封裝和工藝的影響因此其并非理想的運(yùn)放。而上述的公式的推導(dǎo)是在電阻匹配和運(yùn)放假設(shè)為理想條件下完成的。因此實(shí)際的仿真結(jié)果中也會(huì)存在一定的誤差。六結(jié)論 本文電路設(shè)計(jì)分析了三種恒流源設(shè)計(jì)方案，兩種信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案。從中選取運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)恒流源和信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)電壓與電阻匹配很好的滿足了電壓信號(hào)為0-2.5V的設(shè)計(jì)要求。后續(xù)電路無(wú)需考慮信號(hào)的放大電路的設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，保障了設(shè)計(jì)的精度。七總結(jié)為期一周的電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在這一周忙碌而又充實(shí)的學(xué)習(xí)中,深刻體會(huì)到在課堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際的工程實(shí)踐相差甚遠(yuǎn)。實(shí)踐運(yùn)用的過(guò)程中考慮的實(shí)際因素是課堂知識(shí)所缺乏的。例如運(yùn)算放大器各種型號(hào)的選用，其工藝與封裝的性能要求，需要根據(jù)不同的場(chǎng)合選用不同型號(hào)。這些工程知識(shí)只有在實(shí)踐運(yùn)用于設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中才會(huì)考慮到。再者工程實(shí)踐中，例如恒流源的設(shè)計(jì)方案，往往面臨多個(gè)選擇。