铂电阻测温说明书.docx
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铂电阻测温说明书
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。
（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，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。
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0~2.5V。
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
-10
0.000
960.859
95
0.874
1366.077
200
1.720
1758.560
-5
0.042
980.444
100
0.914
1385.055
205
1.759
1776.932
0
0.084
1000.000
105
0.955
1404.005
210
1.799
1795.275
5
0.127
1019.527
110
0.996
1422.925
215
1.838
1813.590
10
0.169
1039.025
115
1.037
1441.817
220
1.878
1831.875
15
0.211
1058.495
120
1.078
1460.680
225
1.917
1850.132
20
0.252
1077.935
125
1.118
1479.514
230
1.956
1868.359
25
0.294
1097.347
130
1.159
1498.319
235
1.996
1886.558
30
0.336
1116.729
135
1.199
1517.096
240
2.035
1904.728
35
0.378
1136.083
140
1.240
1535.843
245
2.074
1922.869
40
0.419
1155.408
145
1.280
1554.562
250
2.113
1940.981
45
0.461
1174.704
150
1.320
1573.251
255
2.152
1959.065
50
0.503
1193.971
155
1.360
1591.912
260
2.191
1977.119
55
0.544
1213.210
160
1.401
1610.544
265
2.230
1995.145
60
0.585
1232.419
165
1.441
1629.147
270
2.269
2013.141
65
0.627
1251.600
170
1.481
1647.721
275
2.307
2031.109
70
0.668
1270.751
175
1.521
1666.267
280
2.346
2049.048
75
0.709
1289.874
180
1.561
1684.783
285
2.385
2066.958
80
0.750
1308.968
185
1.601
1703.271
290
2.423
2084.839
85
0.792
1328.033
190
1.640
1721.729
295
2.462
2102.692
90
0.833
1347.069
195
1.680
1740.159
300
2.500
2120.515
表一：
调理电路不同温度对应电压统计表
4.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ΔU、电阻变化量ΔR随温度变化的曲线图：
图（11）电压变化量ΔU、电阻变化量ΔR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
Generalmodel:
R（t）=a*t*t+b*t+c
Coefficients（with95%confidencebounds）:
a=-0.0005775
b=3.908
c=1000
Goodnessoffit:
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
LinearmodelPoly1:
U（t）=a*t+b
Coefficients（with95%confidencebounds）:
a=0.008065
b=0.1003
Goodnessoffit:
SSE:
0.005333和方差、误差平方和
R-square:
0.9998确定系数
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[01]，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。
怎样选择最佳的方案；来满足设计要求需要很渊博的理论知识和丰富的实践经验。
从这次课程设计中我再次发现自己的理论知识和实践经验的匮乏。
今后自己会不断加强自己的实践能力，主动抓住和把握各种实践机会。
在本次的电路设计中得到老师的耐心的指导，他工作认真的工作态度和对待科学严谨作风让我深受鼓舞，在此表示感谢！
八．参考文献
1.阎石主编.《数字电子技术基础》.（第五版）.高等教育出版社
2.塞尔吉欧·弗朗哥.《基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计》西安交通大学出版社
3.康华光.《模拟电子技术》.（第五版）.高等教育出版社
4.邱关源.《电路原理》.（第四版）.高等教育出版社
（注：
本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。
请预览后才下载，期待你的好评与关注！
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