【LTspice学习笔记】：三线制 Pt100 测温电路

本文是一个大三自动化专业本科生就恒流源三线制 Pt100 测温电路相关仿真设计的实验学习与记录过程，并对 Pt100 电阻的一些原理特性以及电位计的导入做简单介绍。

一、PT100介绍

PT100电阻是指在0°C时，PT100温度传感器的电阻值为100欧姆，随着温度的升高，其电阻值也随之变大。它基于铂金（Pt）材料的特性其变化规律在一定范围内被视为线性，有着温度每变化 1℃，阻值变化约为 0.385欧姆的说法，有着高精度、稳定性强、抗干扰能力强的优点，因此常用铂金的电阻随温度变化的线性关系来进行温度测量。

在0~800摄氏度温度范围内，铂热电阻的阻值为

$R_{t}=R_{0}(1+At+Bt^{2} )$

公式中的 $R_{t}$ 为t℃时候的电阻值， $R_{0}$ 为温度为0℃时的电阻值，其中 $A=3.90802\times 10^{-3}$ ， $B=-5.80195\times 10^{-7}$ , $C=4.22\times 10^{-12}$ 。

具体温度阻值对应关系可查看：PT100热电阻温度阻值对应表。

二、电路设计目标

基于LTspice仿真工具，设计三线制PT100测温电路，要求测量范围0~500℃，分辨率0.5℃。分别展现出0℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃的输出。

三、电路设计与搭建

在设计电路初首先需要考虑一下PT100的LTspice模型，由于在LTspice的元件库中并没有直接的PT100模型，在这里选择使用滑动变阻器来代替，滑动变阻器的导入根据我以下操作进行导入。首先访问适于LTspice的电位计模型

下划后找到

经过自己的导入过程一共有三个文件需要用到，potentiometer_test.asc、potentiometer.asy、potentiometer.lib。创建三个txt文件，分别将网站中所给的三个文件复制到三个txt文件中，然后将文件名以及后缀文件格式直接写在txt文件属性里，可以得到如下：

然后打开LTspice创建一个文件后点击component,查看你的LTspice元件库的具体地址

将 .asy 放到 lib 下面的sym里面，.lib放到lib下面的sub里面，.asc文件放入LTspice\examples\Applications路径中。之后再打开component元件库就可以看到potentiometer元件，如果打开左侧后没有如下图标，需要将.asy文件原txt文件中每一句之前的空格删除，再替换之前的.asy文件即可。

温度每变化 1℃，阻值变化约为 0.385欧姆，那么要实现测温分辨率0.5℃，阻值变化量应该为0.1925欧姆。

三、电路设计

1、恒流源电路

$U_{o2}=U_{P2}$

$U_{P2} =\frac{R_{7} }{R_{2}+R_{7} } +U_{i } \cdot\frac{R_{2} }{R_{2}+R_{7} }\cdot U_{P2}$

$U_{o1}=2U_{P1}$

得出 $i_{o} =2U_{P1}$ （虚短虚断原则）

恒流源输出结果测试如下，可以看出输出结果基本保持恒定且其值为1.02mA

2、差分放大电路

差分放大电路的搭建可以用于抑制共模信号、放大差模信号、提高共模抑制比，确保测量过程的准确性；并加入电容进行简单滤波

3、A/D转换电路

AD4010 是一款模数转换器（ADC）。其主要作用是将模拟输入信号转换为数字输出信号。在实际的电子系统中，许多传感器（如温度传感器、压力传感器等）输出的是模拟信号，这些模拟信号需要经过模数转换才能被数字处理器（如微控制器、FPGA 等）进行处理。AD4010 具有较高的分辨率。分辨率决定了模数转换器能够分辨的最小模拟信号变化量。高分辨率意味着它可以对微小的模拟信号变化进行精确的数字化。

在本次测温电路中选择用AD4010模块进行数模转换实现。

具体仿真电路

四、测温电路仿真结果

在测温电路中，通过PT100的阻值与温度对应的关系，可以将设计目标中的0℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃时对应的PT100阻值列出，并计算出滑动变阻器的WIPER,依次将对应阻值手动输入后仿真得到输出值Vout,结果如下

温度	PT100阻值(Ω)	wiper	输出电压Vout
0	100	0.3333	931.52
0.5	100.1925
1	100.38	0.3346	931.53
50	119.4	0.3980	931.84
100	138.51	0.4617	933.31
200	175.86	0.5862	1055.29
300	212.05	0.7068	1202.64
400	247.09	0.8236	1342.60
500	280.98	0.9366	1475.37

以500摄氏度时的wiper值代入后Vout仿真结果为例：

0摄氏度：

0.5摄氏度：

那么后续就可以根据输出电压值来反推PT100阻值，进而查表获得所对应的温度，完成测温功能，并且根据对间隔0.5摄氏度的仿真结果可以得到分辨率能够达到0.5摄氏度的分辨率要求。

五、学习总结

在本次实验中，学会了一些PT100测温的原理，以及在LTspice中不存在该模型的情况下，可以从外导入到元件库中进行调用并且对实验参定值可以手动调节，很方便；一开始对电路的搭建毫无头绪，慢慢学习同学们的搭建原理、构造了解了差分放大电路的工作特性和数模转换模块的作用，进一步加深了对实验的理解。

学习的同时也让我意识到，自身的基础知识还是不太牢固，对电路基本知识的融会贯通还是差一些，要加强这部分意识。

标签：Pt100,PT100,测温,LTspice,阻值,电路,温度
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