铂电阻测温说明书

一．设计说明：

设计思路:Pt1000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Pt1000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。 (1)MOS 管设计镜像电流源

选用参数尽可能相同的13~Q Q 三个特性相同的MOSFET 构成以下电路：

I

REF

I D1=I out

VSS

VCC

图（2）MOS 镜像电流源

由于13~Q Q 特性相同，且工作在放大区，当MOSFET 的0λ=时，输出电流为：

'2211111111(/)()()D n GS T n GS T I W L K V V K V V =-=-

有上式可知电流源的表达式需要确定的1Q 三个参数即：本证导电因子1n K ，栅源电压1GS V ，开启电压1T V 。而栅源电压1GS V 确定相对繁琐。电流输出与负载L R 无关，且输出电阻1o ds r r ==∞。

（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 的基电极分流影响而，采用的MOSFET 管的栅极电流0G I ≈。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：

VREF

图（3）运算放大器和MOSFET 构成电

流源

Is

上图运算放大器为电压跟随器，因此电流输出out I 的表达式为：

/out s G s REF s I I I I V R =+≈= （0G I ≈）

只需确定好电压基准REF V 后，通过改变s R 的值即可得到需要的电流输出。 3）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、恒流性能更高的优点，采用双运放设计恒流源如下图所示：

1

2

图（4）运算放大器恒流源

out

其中双运放采用OP07AZ 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. A1U 为同相放大器，

A 2U 为反相器；1V 为 A1U 的输出，2V 为A 2U 的输入。其中匹配电阻满足：1234,R R R R ==时有以下关系：

321

()2REF V V V =+

2

1321

(1)REF R V V V V R =+

=+ 12REF

out ref ref

V V V I R R -=

= 因此可通过调整电阻ref R 的阻值来调整需要的电流out I 的大小。该电路需要注意以下问题：其中2V 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out I 不随负载变化，R1，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

1I 、2I 。当0R ∆=时有如下关系：

34

1123412

21234

1423

11231234

o R R I I

R R R R R R I I

R R R R R R R R U I R I R I

R R R R +=++++=

+++-=-=

+++

规定初始时刻为平衡状态，而且令12340t R R R R R ====，（其中0t R 为

010T C =-的铂的电阻值，可以通过分度表得到）。此时输出0o U =，当铂电阻1R 变

化为1R R +∆时，电桥输出为：

441(/4)

o R R I R

U I R R R R ∆∆=

=+∆+∆

由上式可知存在非线性误差/4R R ∆，但与恒压源相比非线性减少了1/2。