PT100温度电压转换电路的工作原理分析

1、 工作原理分析

本节利用PT100铂电阻实现温度—电压转换，首先对电路工作原理和参数计算进行详细分析，并进行瞬态和直流仿真分析，验证分析和计算的正确性；然后利用高级仿真分析对设计实例进行参数计算，殊途同归；最后进行实际PT100温度—电压转换电路测试，包括电路图、电路板、元器件表和测试步骤及数据。通过本节学习，读者应该能够对PT100温度—电压转换电路进行独立设计和实际制作。

5.3.1工作原理分析

图5.46为温度—电压转换电路图，首先进行电路工作原理分析：温度每变化一度PT100电阻增加约0.385欧姆，利用1mA恒流源对其进行激励，然后将电压变化量进行放大输出。电阻RZ负责输出电压零位调节，电阻RF负责输出满度调节，两者互相独立，使得设计更加灵活。实际使用时PT100存在非线性，通过微调Reg1和Reg2阻值进行非线性补偿。

图5.46 温度—电压转换电路

电压源V3提供基准电压，电阻R1和R2阻值均为2.5k，正常工作时电压V1=V2=0，所以通过电阻R1和R2的电流均为1mA，从而通过PT100的电流也为1mA。为与PT100匹配，电阻R3=R4=100欧姆。

根据电路工作原理可得输出电压：

当PT100=RZ时输出电压为零，所以首先通过调节RZ阻值使得输出为0V；当RZ确定之后，PT100变化时输出电压线性变化，所以通过改变电阻RF阻值调节输出满度。

图5.46所示电路指标如下：-50度—150度对应电压0.5V—4.5V；设T0度对应输出0V，则，求得，即-75度对应0V，此时PT100=100-0.38575=71.125欧姆，即RZ=71.125欧姆；150度时PT100=100+0.385150=157.75欧姆，输出电压VOUT=4.5V，根据上式计算得RF=8.89k。

运算放大器U1A负责输出零位调节，U1B负责输出满度调节，运放输入偏置电压和电流对电路影响非常严重，实际应用时需要选择精密运放。电阻R5、R6和R7为过流保护电阻，以避免运放过流或输出短路时损坏器件。

第1步：瞬态仿真分析，验证电路功能。图5.47和图5.48分别为瞬态和参数仿真设置，图5.49和图5.40分别为仿真波形和仿真数据。由仿真结果可得，当温度为-50度时输出压为499.13mV，当温度为150度时输出电压为4.4988V。误差主要由运放和补偿电路产生，实际测试时PT100的非线性特性将会更加明显，所以补偿电路以及后期数据处理将会更加重要。

图5.47 瞬态仿真设置

图5.48 温度仿真设置

图5.49 输出电压波形

图5.50 输出电压数据

第2步：直流仿真分析——温度与输出电压传输特性。图5.51、图5.52和图5.53分别为直流分析仿真设置、仿真波形和数据，整体线性误差优于万分之一。

图5.51 直流仿真设置

图5.52 输出电压波形

图5.53 仿真数据

2、附录——关键仿真器件模型