1、 工作原理分析

本節利用PT100鉑電阻實現溫度—電壓轉換，首先對電路工作原理和參數計算進行詳細分析，并進行瞬態和直流仿真分析，驗證分析和計算的正確性；然后利用高級仿真分析對設計實例進行參數計算，殊途同歸；最后進行實際PT100溫度—電壓轉換電路測試，包括電路圖、電路板、元器件表和測試步驟及數據。通過本節學習，讀者應該能夠對PT100溫度—電壓轉換電路進行獨立設計和實際制作。

5.3.1工作原理分析

圖5.46為溫度—電壓轉換電路圖，首先進行電路工作原理分析：溫度每變化一度PT100電阻增加約0.385歐姆，利用1mA恒流源對其進行激勵，然后將電壓變化量進行放大輸出。電阻RZ負責輸出電壓零位調節，電阻RF負責輸出滿度調節，兩者互相獨立，使得設計更加靈活。實際使用時PT100存在非線性，通過微調Reg1和Reg2阻值進行非線性補償。

圖5.46 溫度—電壓轉換電路

電壓源V3提供基準電壓，電阻R1和R2阻值均為2.5k，正常工作時電壓V1=V2=0，所以通過電阻R1和R2的電流均為1mA，從而通過PT100的電流也為1mA。為與PT100匹配，電阻R3=R4=100歐姆。

根據電路工作原理可得輸出電壓：

當PT100=RZ時輸出電壓為零，所以首先通過調節RZ阻值使得輸出為0V；當RZ確定之后，PT100變化時輸出電壓線性變化，所以通過改變電阻RF阻值調節輸出滿度。

圖5.46所示電路指標如下：-50度—150度對應電壓0.5V—4.5V；設T0度對應輸出0V，則，求得，即-75度對應0V，此時PT100=100-0.38575=71.125歐姆，即RZ=71.125歐姆；150度時PT100=100+0.385150=157.75歐姆，輸出電壓VOUT=4.5V，根據上式計算得RF=8.89k。

運算放大器U1A負責輸出零位調節，U1B負責輸出滿度調節，運放輸入偏置電壓和電流對電路影響非常嚴重，實際應用時需要選擇精密運放。電阻R5、R6和R7為過流保護電阻，以避免運放過流或輸出短路時損壞器件。

第1步：瞬態仿真分析，驗證電路功能。圖5.47和圖5.48分別為瞬態和參數仿真設置，圖5.49和圖5.40分別為仿真波形和仿真數據。由仿真結果可得，當溫度為-50度時輸出壓為499.13mV，當溫度為150度時輸出電壓為4.4988V。誤差主要由運放和補償電路產生，實際測試時PT100的非線性特性將會更加明顯，所以補償電路以及后期數據處理將會更加重要。

圖5.47 瞬態仿真設置

圖5.48 溫度仿真設置

圖5.49 輸出電壓波形

圖5.50 輸出電壓數據

第2步：直流仿真分析——溫度與輸出電壓傳輸特性。圖5.51、圖5.52和圖5.53分別為直流分析仿真設置、仿真波形和數據，整體線性誤差優于萬分之一。

圖5.51 直流仿真設置

圖5.52 輸出電壓波形

圖5.53 仿真數據

2、附錄——關鍵仿真器件模型