LTspice仿真——使用PT100的温度传感器模拟前端电路设计
LTspice仿真——使用PT100的温度传感器模拟前端电路设计
本文将详细介绍如何使用LTspice仿真软件设计一个基于PT100温度传感器的模拟前端电路。该电路能够实现0°C-500°C的温度测量，分辨率达到0.5°C。文章将从电桥读取设计、信号放大设计、ADC读取部分设计等方面进行详细讲解。
LTspice仿真——使用PT100的温度传感器模拟前端电路设计
在上次利用LTspice设计稳压滤波电路后，在这里我们利用一个温度传感器的模拟前端电路设计进一步学习软件应用与其他相关内容。
设计目标：三线制测量、使用PT100温度传感器实现0°C-500°C的读取，要求读取分辨率达到0.5°C且尽可能提高精度
在这里我们将全部任务分为以下几个部分
1.电桥读取设计
2.信号放大设计
3.ADC读取部分设计
在LTspice中使用PT100
PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于LTspice中并没有PT100的元件可以直接使用，对于原装库中没有的元件，我们可以用以下导入第三方库方法进行模拟与替换：
对于PT100，是一个正温度系数的PTC传感元件，可以在网上找到可以用的相对应传感器模型加到LTspice中使用。在这里我们偷个懒，使用滑动变阻器代替。
但是本身LTspice中并没有可以直接使用的滑动变阻器元件。在这里我们参考Is there a potentiometer model for LTspice? - Electrical Engineering Stack Exchange的内容，在其中添加直接复制相关代码文件添加入库后使用滑动电阻元件。主要的步骤就是将其中代码复制到新建的.asy文件和.lib文件（可以在.txt文件中直接修改后缀）后将其放在对于元件的地址中。
在后期使用的过程中，可以使用PT100对应的温度和阻值表[PT100热电阻温度阻值对应表_pt100温度阻值换算查表csdn-CSDN博客]进行系统仿真。
温度 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 100.00 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51
100 138.51 138.88 139.26 139.64 140.02 140.40 140.78 141.16 141.54 141.91
200 175.86 176.22 176.59 176.96 177.33 177.69 178.06 178.43 178.79 179.16
300 212.05 212.41 212.76 213.12 213.48 213.83 214.19 214.54 214.90 215.25
400 247.09 247.44 247.78 248.13 248.47 248.81 249.16 249.50 245.85 250.19
500 280.98 281.31 281.64 281.98 282.31 282.64 282.97 283.31 283.64 283.97
在0-500°C温度区间，其阻值可以近似为线性。PT100 的阻值变化大约为 0.385 Ω/°C。在这里需要实现温度分辨率达到 0.5°C，那么单位电阻变化量应该是 0.1925Ω。
电桥选择
在这里我们可以选择的电桥电路方式有普通的惠通斯电桥和三线制电桥。在这里为了贴切实际运用我们使用三线制电桥，其基本介绍如下：
三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的电桥臂上，使得导线电阻得以消除，使得测量误差减小。摆放后如图所示：
通过调整滑动变阻器的wiper值可以改变接入电路的阻值，其阻值计算公示为:
Ri = R × wiper
传感器的初步测量结果可以由U1与U2之间的电压差值得到。其仿真观测结果如下：
电源方式选择
在一般的电桥供电方式中，比较直接的放大有恒流源和恒压源供电两种方式。在这里为克服铂电阻引线与环境温度变化带来的影响使用不平衡电桥电路无法满足高精度测温需求。在相同三线制电桥的框架下，经过测量，使用电压源的比使用电流源的效果会出众一点，利于电路的整体分辨率提升。
电压源 10mA电流源
100.1925 2.3801327mV 961.54213µV
100.390 4.8174858mV 1.9481182mV
138.51 400.29526mV 192.3188mV
信号放大电路设计
1.运放的选型
选择放大器必须要考虑几个因素：最大电压和最小电压、静态电流、运放要为负载提供的电流，以及它使用的所有其它电流。在这里对信号放大的要求是：
①一般温度变化并不会太快，故对放大器的带宽要求不高。
②测量电路输出的信号一般并不会太强，要求放大电路有一定的放大能力，并要求有较小的偏置。
故在这里我们选择低偏置电流，高精的输入。常用的低偏置运放有AD549、MAX4238等等。以下为两个运放的数据参数：
我们最后选择MAX4238作为最终选择的运算放大器。
2.放大器的选择
首先明确的是在此使用三线制测量，输出是两个点位的电压插值，所以在这里我们需要做到尽量减小放大共模信号，放大差模型号。在智能仪表的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控放大器以及隔离放大器等。仪用放大器的主要特点是采用差分输入、具有很高的输入阻抗和共模抑制比，能够有效放大在共模电压干扰下的信号。此部分参考《仪表放大器放大倍数分析》文章的内容。
在这里我们使用仪用放大器，电路图如下：
对于第一级放大电路分析：
A1 = RG+R2+R3RG
同时还有如下结论：
（1）输入端的两个同相比例运算电路可以提高整个电路的输入阻抗；
（2）差模增益可调，共模增益始终为1，提高差模增益可以提高共模抑制比。
对于第二级放大电路放大倍数为：
A2 = R7R5
放大器的差分放大倍数为：
A = A1×A2 = (1+R3+R2RG)×R7R5
我们使用输入一个两个正弦型号输入，经过测量得到最后得到差模信号的波形
对于共模信号的波形观察如下，可以发现并没有变化（共模增益为1不变）。即可以通过增大差模信号增益以提高共模抑制比。
数据读取部分
温度传感器（如热电偶、RTD、热敏电阻等）通常输出模拟信号（如电压或电流）。这些模拟信号需要通过一个模拟到数字转换器（ADC）进行数字化处理，以便计算机或微控制器能够读取并处理。对于ADC芯片的选取，首先需要考虑的是电路要求的最小温度分辨率。
ADC的精度（即位数）直接决定了数字信号的分辨率。当为了实现0.1925Ω的电阻变化需要至少检测到的电压变化与电阻变化成正比。因此，ADC的分辨率必须能够处理这种微小的电压变化。我们需要确定ADC的分辨率应该达到多高。关于分辨率的计算关系与公式如下：
分辨率 = 信号范围2位数
12位ADC分辨率 =5V212 = 0.00122V (1.22mV)
16位ADC分辨率 =5V216 = 0.0000763V (0.0763mV)
18位ADC分辨率 =5V218 =5V262144 ≈ 0.0000190735V (19.0735μV)
为了在PT100测温电路中实现0.5°C的温度分辨率，建议使用至少16位的ADC。这将确保温度变化小于0.5°C时，系统能够准确地捕捉到足够精细的电阻变化。在一些实际应用中，可能还需要考虑电路的增益、噪声、以及其他精度误差。在这里我们使用18位AD4010的精密伪差分SAR ADC进行模拟变量数据读取。其产品参数、示范电路、输入输出波形仿真图如下：
方案呈现
1.差分放大器方案
我们选取使用5V恒压源、仪表放大器的方案。可以通过下列数据表可以发现每0.5°C的变化，可以实现输出电压1mv级别的电压变化，都可以由ADC芯片读取出不同数据实现达到分辨率的要求。
温度 PT100阻值 wiper Vo1-Vo2（mv） Vout1
0 100 0.3333 116.30583mV 2.3261614V
0.5 100.1925 0.3340 116.46271mV 2.3293018V
1 100.39 0.3346 116.59908mV 2.3320296V
100 138.51 0.4617 142.70401mV 2.8541269V
200 175.86 0.5862 161.30495mV 3.2261448V
300 212.05 0.7068 175.10104mV 3.50207V
400 247.09 0.8236 185.72974mV 3.7146394V
500 280.98 0.9366 194.15665mV 3.8831825V
- 仪用放大器方案
我们选取使用5V恒压源、仪表放大器、AD4010芯片完成整体的电路设计安排，其电路图如下：
对于电路由恒流源、测量电桥、仪用放大器、ADC转换电路构成。其内部的拆解分析如下图：
实验验证：
1.仪表放大器的放大差模放大表现
温度 PT100阻值 wiper Vo1-Vo2（mv） Vout1
0 100 0.3333 0 1.6666929V
0.5 100.1925 0.3340 2.3682117mV 1.6248591V
1 100.39 0.3346 4.7931671mV 1.5820218V
100 138.51 0.4617 398.75007mV 9.9972286V
200 175.86 0.5862 680.67765mV 9.9974403V
300 212.05 0.7068 889.86278mV 9.9975977V
400 247.09 0.8236 1.0510628V 9.9977188V
500 280.98 0.9366 1.1789045V 9.9978151V
2.电路分辨率
由上表可以发现，本电路可以做到0.5°C偏差下，实现0.0002V也就是0.2mv的变化区间，使用18位ADC芯片可以在这个电压变化范围内实现读取的变化。
目前的不足与困惑
在目前的信号放大电路安排下，更换许多的运放无法满足高分辨率的设计要求，出现在极小的PT100电压变化的情况下，输出电压依旧没有很明显的变化。在本设计中，信号放大电路的输出是可以实现，但是后续再进行单路的信号放大变化后，其总输出电压并没有明显的变化甚至分辨率会出现变差的情况。
在仿真中放大电路的表现效果与预期设想的效果有较大差距，可能与运放的选型、相关特性有关。但在尝试更换运放元件后，此问题并没有得到很好的解决。特别在使用仪用放大器的时候，其输出电压的表现形式有点类似于不在运放的线性工作区的特性，好像并不利传感器的读取，且十分微小的电压差也十分容易被噪声和元件误差等混淆无法达到实际的应用需求。
在仿真中，使用ADC芯片后，可能会使得仿真过程变得很慢的情况。