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1、一设计说明：设计思路:PtlOOO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PtlOOO 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
2、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。(l)MOS管设计镜像电流源选用
3、参数尽可能相同的Qi Q3三个特性相同的MOSFET构成以下电路:I图(2) MOS镜像电流源ID1= 1 out由于Q3特性相同且工乍在放大区当MOSFET的“ 0时输出电流为:I 二(W / L) K (V - V )2 二 K (V - V )2D11 n1 GS1 T1n1 GS1T1有上式可知电流源的表达式需要确定的Q三个参数即：本证导电因子K，栅源电 1n1压V ，开启电压V。而栅源电压V 确定相对繁琐。电流输出与负载R无关，GS1T1GS1L且输出电阻r二r二gods1(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
4、影响而，采用 的MOSFET管的栅极电流【g - 0。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：图（3）运算放大器和MOSFET构成电流源上图运算放大器为电压跟随器，因此电流输出I的表达式为:outI = I +1 沁 I = V / R （ I 沁 0）out s G s REF sG只需确定好电压基准V 后，通过改变R的值即可得到需要的电流输出。REFs3）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
5、点，采用双运放设计恒流源如下图所示：其中双运放采用0P07AZ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 U为同相放大器，U为反相器；V为 A1A21U的输出，V为U 的输入。其中匹配电阻满足：R R ,R R时有以下关系： A12A21234V -(V + V )32 REF 2RV (1+ -2)V V + V13 -EF 21V - V VI 12 EF-out refref因此可通过调整电阻彳的阻值来调整需要的电流I的大小。该电路需要注意以refout下问题：其中V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I2out不随
6、负载变化，Rl, 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
7、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I，通过各臂的电流为I、I。当AR二0时有如下关系:1 2, R + R ,I =34 I1 R + R + R + R1234T R +R 7I =12 I2 R + R + R + R1234“TRR -RRU = IR I R =+ 42 3 -112 3 R + R + R + R1234规定初始时刻为平衡状态，而且令R广R2 - R3 - R4 - Rto，（其中Rto为T = 1O0C的铂的电阻值，可以通过分度表得到）。此时输出U =0，当铂电阻
8、R变 1化为R +AR时，电桥输出为：1“RAR r IAR 4 R + AR41 + （AR/4R）由上式可知存在非线性误差AR /4R，但与恒压源相比非线性减少了 1/ 2。(2)集成运放调理电路设计:Uo=VoVo2图 集成运放调电路调路电路集成运放信号调理电路上图所示放大器UA3对参考电阻爲的端电压进行电 压跟随得到差分放大器的反响输入端电压信号Voi ：V 二 I (R + R )o1reft而放大器UA4对温度传感器Rt (Ptl000)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Vo 2：V 二 2IRo 2t对两端电压信号采集得到调理电路输出电压U为：oU 二 V
9、 - V 二 I (R - R )oo 2o1tref当初始状态T = -10OC时，令参考电阻R = R，即可确保差分输出U = 0。当 refto铂电阻随温度变化为R +AR时，则此时电压输出为：tU = I (R +AR R ) = U +1ARotrefoAU = I AR由此可知差分输出AU是关于AR的线性函数，不存在线性误差。o其中，电阻R和R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56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0P07是一种0P07AZ型低
10、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Ri R6 - 10k ，且每对电阻的失配大小方向要一致。选取供电电源V二5V ,基准电阻R二2.32kQ ,以确保恒流源输出的电流REFref 1为2.155mA,基准电阻R二9610。以便确保电压的输出范围为02.5V。ref 2恒流源输出为：I = ref - 2.155mAout Rref 12.仿真电路设计选取上述元
11、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R选用分度表中每个温度对应的电阻值,用示波t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PtlOOO铂电阻分度表的部分数据进行仿真。选取每隔5C取一温度值，同时改变相应的铂电阻值Rt，进行仿真获得了 63组 仿真数据如下表所示：表一：调理电路不同温度对应电压统计表温度C电压输出V电阻值Q温度C电压输出V电阻值Q温度C电压输出V电阻值Q-100.000960.859950.8741366.0772001.7201758.560-50.04
12、2980.4441000.9141385.0552051.7591776.93200.0841000.0001050.9551404.0052101.7991795.27550.1271019.5271100.9961422.9252151.8381813.590100.1691039.0251151.0371441.8172201.8781831.875150.2111058.4951201.0781460.6802251.9171850.132200.2521077.9351251.1181479.5142301.9561868.359250.2941097.3471301.1591498
13、.3192351.9961886.558300.3361116.7291351.1991517.0962402.0351904.728350.3781136.0831401.2401535.8432452.0741922.869400.4191155.4081451.2801554.5622502.1131940.981450.4611174.7041501.3201573.2512552.1521959.065500.5031193.9711551.3601591.9122602.1911977.119550.5441213.2101601.4011610.5442652.2301995.145600.5851232.4191651.4411629.1472702.2692013.141650.6271251.6001701.4811647.7212752.3072031.109700.6681270.7511751.5211666.2672802.3462049.048750.7091289.8741801.5611684.7832852.3852066.958800.7501308.9681851.6011703.2712902.4232084.839850.7921328.0331901.6401721.7292952.4622102.6929
