铂电阻测温元件测温.doc

模拟电子技术课程 设计报告书 信息工程学院 设计题目： 模拟电子技术课程设计指导书（2007版）95页 题目23 铂电阻测温元件测温 性能指标：若铂测温电阻元件作为电桥的一个桥臂，当测温范围为0～200℃时，需要放大电路输出0～5V电压，试设计该放大电路。该测温电桥采用1mA的电流源供电。 电路结构及原理说明 Vout=5V 本铂电阻测温电路由四部分组成：基准电压源电路、恒流源电路、测温桥及放大电路。电路的框图如下： V=5V Vs 恒流源 基准电压源 Vout ΔV 放大器 Iout=-1mA 测温桥 基准电压源：为恒流源提供一定精度要求的5V基准电压，采用3.3V稳压管与同相比例运算电路结合实现。 恒流源电路：用于产生-1mA的恒定电流，为测温桥供电。 测温桥及放大电路：铂电阻在0～200℃时的阻值发生变化，测温桥用于将阻值的变化转化为电压的变化（即ΔV）；放大电路用于将测温桥输出的微小电压变化（ΔV）放大，使其满足性能要求。放大电路采用两个同相电压跟随器（作为输入缓冲器）与两级放大器组成，其中第一级放大器为差动放大器，第二级放大器为可以方便调节的反相比例运算电路。 IR3 IR5 IR4 参数计算及元件选择 图一 基准电压源的计算 电路如图一所示，输出电压Vout=5V，稳压管选择Uz=3.3V的1N5913B，取稳定电流约为1～2mA，选取Vs=12V。根据同相比例电路，有： Vout=（1+R2/R1）Vz Vz=3.3V，故有R2/R1=0.515，选取R1=33kΩ，得R2=17kΩ 令R4=1.0kΩ，则IR4=（Vout-Vz）/R4=1.7mA 设IR3=ID=0.2mA，则IR5=0.4mA，且R3/(R5+R4)Vs＞VD+Vz=0.7+3.3=4V 选择R5=R3=20kΩ，满足稳压管工作的条件。 Iout 恒流源的计算 图二 电路如图二所示，经分析可知，Iout=-(R3+R4)V1/R1/R5，由于基准电压源Vout=5V，故选取R1=R2=10kΩ，R3=R4=20kΩ，得Iout=-1mA。 + ΔV _ I=1mA 测温电桥的计算 如图三可知， ΔV= 图三 选R1=R2=100kΩ， 依据Pt100=0.1(1+at-bt2-ct3(t-100)) （kΩ） 其中a=3.90802e-3，b=5.80195e-7，c=0，t为摄氏温度 得出t=0℃时，Pt100=0.100kΩ t=100℃时，Pt100=0.13851kΩ t=200℃时，Pt100=0.17584kΩ 当t=0℃时，令Rw=0.100kΩ，使得ΔV=0V；t=200℃时，计算得ΔV=-0.037868V 放大电路??计算 + ΔV _ Vout 图四 电路如图四所示，由于性能要求t=200℃时，Vout=5V，又ΔV=-0.037868V， 故放大电路的电压放大倍数为：Au=Vout/ΔV=-132.04 选取第一级差动放大器的电压放大倍数为Au1=33，令R1=R2=10kΩ，得R3=R4=330kΩ 故第二级放大器的电压放大倍数为Au2=Au/Au1=4.02，令R5=10kΩ，得R7=40.2kΩ，平衡电阻R6=R5∥R7=8kΩ。 由于OP07芯片的温度漂移较小，性能较好，故集成运放选用OP07。 电路仿真 基准电压源的单独仿真： 由理论计算可知，R2=17kΩ，但仿真时放大倍数达不到要求，仅能输出4.56V，需要增大R2来增大输出电压，经过反复调试，最终选择R2=21.6kΩ，此时输出电压Vout=5.002V，误差为E=(Vout-V)/V×100%=0.002/5×100%=0.04%，精确度较高。 恒流源的单独仿真： 当单独仿真恒流源时，输出电流Iout满足性能要求。 放大电路的单独仿真： 当放大电路接t=200℃，ΔV=-0.037868V时，由理论计算，R6=40.2kΩ时，Vout=5.022V，精度稍有不足，经过调试，选择R6=40.0kΩ，此时Vout=4.997V，误差E=(V-Vout)/V×100%=0.003/5×100%=0.06%，精度较高。 整体电路仿真： 如图，仿真时，对R3的阻值进行调整，使恒流源输出电流尽可能接近-1mA，最终确定R3=22.7kΩ，此时I=-1.002mA；对Rw进行调整，使Pt100=100Ω时，Vout尽量输出为零，最终确定Rw=100Ω，同时确定R21=40.2kΩ，使得Pt=175.84Ω时，Vout=5.000V。令温度变化时,Pt100电阻阻值为线性变化,可得下表一，由计算可知，t=200℃时，误差为0%