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1、燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：仪器科学与工程系学 号学生姓名专业（班级）设计题目基于铂电阻的温度测量调理电路设计设计技术参数采用 Pt1000 作为温度敏感元件和电桥电路，当温度在 -10 到 300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为0-2.5V 。设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；3：完成电路的multisim仿真；工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；工作计划周一上午到周二上午，教室内做理论设计；周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做mult
2、isim仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；周五下午，教室内整理设计材料、准备撰写设计说明书参考资料1: 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；3：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2012 年 6 月 28 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 2 页
3、共 19 页目录摘要 . 4 第一章 引言 . 5 第二章 题目及原理分析. 5 2.1 题目分析 . . 5 2.2 原理分析 . . 6 第三章 设计过程 . 8 3.1 方案一 . . 9 3.1.1 恒流源模块设计. . 9 3.1.2 电桥测量电路 . . 9 3.1.3 放大电路 . . 10 3.2 方案二 . . 11 3.2.1 恒流源模块设计. . 113.2.2 信号调理电路 . . 12 第四章 整体设计 . 13 第五章 仿真结果 . 14 第六章 心得体会. 18 参考文献资料 . 18 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -
4、- - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 3 页 共 19 页摘要温度是过程检测与控制中的重要参量, 在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器, 它具有体积小、 准确度高、 测温范围宽、 稳定性好、正的温度系数等特点, 但它同时也存在非线性的缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时 , 除要克服测量电路自身的噪声干扰外, 还要对铂热电阻的非线性进行矫正. 本文根据铂电阻( Pt1000) 国际分度表函数的非线性特点,
5、 提出了一种在 0 300 范围内补偿其非线性的方法, 设计了专用的非线性补偿电路,并对电路补偿原理及效果进行理论分析和计算机模拟仿真。关键字：温度传感器 Pt1000 温度调理电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 4 页 共 19 页第一章 引言运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器件。温度传感器充分应用这些模拟器件的一类传感器。在工业测量与自动控制
6、中, 往往需要温度测量与控制,铂热电阻由于测量准确度高, 稳定性好 , 特别在中温区 (150 、650), 它具有耐高温 , 抗氧化等优点 , 因而铂热电阻测量仪表应用十分广泛, 鉴于其发展速度之快，以及其应用之广并且还有很大潜力，为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、生产温度监控系统等等。本课题主要任务是完成铂电阻环境温度检测的电路设计，当温度在-10 到 300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为02.5V 。此次设计共得到两
7、种可用的方案，文中将分别进行介绍。第二章 题目及原理分析2.1 题目分析热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、 物理性能稳定、 良好的线性输出特性等，常用的热电阻如 PT100、PT1000 等热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑- 铂、铱铑 -铱、镍铁 - 镍铜、 铜- 康铜等， 各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分
8、度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。本次设计题目为基于铂电阻的温度测量调理电路设计，要求测量的范围为 -10 300， 采用线性度相对较好的 PT1000 作为本课题的温度传感器，具体的型号为 WZP 型名师资料总结 -
9、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 5 页 共 19 页铂电阻，该传感器的测温范围从-200 650。金属铂 (Pt) 的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性。温度测量模拟电路是把当前 PT1000 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，即通过采用Pt1000 作为温度敏感元件，经过三线制恒流源电路、运算放大电路等环节，使当前温度在-10 到 300 摄氏度变化时
10、，输出信号的幅值为02.5V 。2.2 原理分析铂电阻的温度电阻特性为：当-200 t0 时Rt=R01+At+Bt2 +C(t-100)t3 ; 当 0t850 时 Rt=R0（1+At+Bt2 ） 。Rt 为在 t 时的电阻值，R0为在 0时的电阻值。TCR=0.003851时的系数值为：A=3.9083 10-3-1B=-5.775 10-7-2C=-4.183 10-12 -4 温度是过程检测与控制中的重要参量, 在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器, 它具有体积小、 准确度高、 测温范围宽、 稳定性好、正的温度系数等特点, 但它同时也存在非线性的
11、缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时 , 除要克服测量电路自身的噪声干扰外, 还要对铂热电阻的非线性进行矫正。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 6 页 共 19 页表 2.1 铂电阻 Pt1000 阻值对照表名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
12、第 6 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 7 页 共 19 页第三章 模块设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 8 页 共 19 页3.1 方案一此方案采用桥电路进行测量，恒流源作为驱动电路，最后通过三运放仪用放大器进行信号放大并输出。3.1.1 恒流源驱动电路图 3.1 恒流源驱动电路此部分主要用于解
13、决非线性的问题，以下为输出电流的计算公式：161/IR3.1.2 电桥测量电路本设计采用直流电桥作为信号测量电路，直流电桥电路结构简单，可以实现微小阻值变化的转换。电桥后边需要接运算放大器，由于运算放大器的输入阻抗很高，比电桥的内阻大很多，因此可以把电桥输出端看成开路，四臂直流电桥的示意图如图2-2a所示，其平衡条件为：1234RRR R此时电桥的输出电压为：142301234()()iR RR RUURRRR名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 19 页 -
14、- - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 9 页 共 19 页当gR1234RRRR，由式得00U；当模拟 Pt1000 的滑动变阻器有输出R时，如图2-2b 所示，此时电桥不再平衡，两输出端有一定的电压差34()IUI RR1344243443()22()2aaUIURRRUUIRRRIURR由式（ 2-4 ）所示，当温度变化时，4R发生变化，使得从输出电压发生变化，通过对输出信号的放大测量，即可得出电阻变化，再根据表2-1 中的铂电阻 Pt1000温度阻值对照表即可得出所测量的温度。 a b 图 3.2 电桥测量电路3.1.3 放大电路经过理论分析和实验
15、验证，选用 100K的电阻组成全桥电路，当采用正负15V 电源名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 10 页 共 19 页供电时，输出的电压约为毫伏级别, 是非常微弱的电压信号。要想使AD能够不失真的转换此信号，需要对该微弱信号进行进一步的处理。本电路选用三运放构成仪用放大器对信号进行放大，通过调节R8 的阻值来改变放大倍数。图 3.3 放大电路桥电路输出的两路电压分别从
16、U1 和 U2 输入放大电路，则输出电压为：7586043(1 2)10*(1 2)()2refgRRARRkIUAUURRR由上式可以看出输出电压值和阻值变化成线性关系，可以通过改变gR和 I 的值来调整输出电压的范围。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 11 页 共 19 页3.2 方案二此方案采用恒流源作为驱动电路，差动式放大电路进行信号检测和放大最后输出。3.
17、2.1 恒流源驱动电路本电路中温度传感器Pt1000 由恒流源驱动电路负责驱动，将其感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号。由于相比于温度对晶体管或场效应管参数的影响，温度对集成运算放大器参数的影响较小，并且由集成运算放大器构成的恒流源具有稳定性更好、 恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需要接地的场合，获得了广泛应用。所以本设计采用了图2 所示的双运放恒流源。其中放大器U1构成加法器， U2构成电压跟随器， U1、U2均选用低噪声、低失调、高开环增益双极性运算放大器OP07AZ 。图 3.4 恒流源驱动电路其中aV和bV分别为参考电阻0refR(R5)上下两端的电位，2V和3V分别为
18、 U1 两相输b 2 3 a 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 12 页 共 19 页入端电位，aV为同相加法器U1 的输出，bV为电压跟随器的输入。当取电阻1R=2R，34RR时，可得出2122233334(0) /() /() /() /arefbVRVVRVVVVRVVR故恒流源的输出电流为：00() /abrefrefrefIVVRVR3.2.2信号调理电路
19、图 3.5 信号调理电路信号调理电路上图所示, 其中 I 为电流输入， V1 为 U4正相输入端电压，Rt（R7）为铂电阻 ,INNV为差分放大器反向输入端电压值，INPV为差分放大器的正向输入端信号。I V1 INNVINPV名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 13 页 共 19 页电流 I 输入后，放大器U4对参考电阻R6的端电压进行单位放大后得到差分放大器反向输
20、入端信号，其值为：61INNVIRV1tVIR从而得到6()INNtVI RR放大器 U4 对温度传感器Rt（Pt1000）的端电压放大2 倍后得到差分放大器的正向输入端信号，其值为: 1819(0) /() /INPVRVVR其中89RR, 从而得到2INPtVIR最终我们可以得到6()INPINNtVVVI RR由此可见，此种信号调理电路输出的电压差与铂电阻的阻值成正比，这样便很好地解决了非线性的问题。第四章整体设计4.1 方案一参数计算令16R为 2k，则可以计算得到恒流源的输出电流值为：161/IR=1/2K =0.5mA 04310*(1 2)()2refgkIUAUURRR由上式可
21、以得出当0U为 2.5V 时，gR=2.639k 以下为温度调理电路整体示意图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 14 页 共 19 页图 4.1 方案一铂电阻温度调理电路4.2 方案二参数计算图 4.1 基于铂电阻的温度调理电路参数设计计算：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整
22、理 - - - - - - - 第 14 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 15 页 共 19 页当温度在 -10 到 300 摄氏度变化时将会引起R7的变化， 从而得到V，通过调节refV和5R达到调节电流I 的目的，配以6R的调节，使V 在 0-2.5V 之间变化。在 恒 流 源 驱 动 电 路 中 ，设123410RRRRK， 信号 调 理 电 路 中， 设8910RRK。为此，当温度为-10时，V 为 0 因此6tRR（t=-10） ，可得6R=961当温度为300时，V 为 2.5V 此时 I=V/（6tRR）=2.5
23、/（2121-961）=2.155mA 又由于 I=（abVV）/5R=refV/5R,设refV=5V，得5R=2.32K 由以上分析可得本调理电路的个参数值为：5R=2.32K 6R=961refV=5V 第五章 仿真结果5.1 方案一仿真结果本调理电路中，R4代表的是铂电阻的阻值，其随温度升高逐渐增大，以下为仿真测量结果：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 16
24、 页 共 19 页表 5.1 方案一 Pt1000 温度与输出电压对照表温度/ 电阻 / 输出电压温度 / 电阻 / 输出电压 /V -10 960.859 -58.445uV 150 1573.251 1.32V 0 1000.000 97.024 mV 160 1610.544 1.4V 10 1039.025 180.624mV 170 1647.721 1.48V 20 1077.935 261.974mV 180 1684.783 1.562V 30 1116.729 347.08mV 190 1721.729 1.64V 40 1155.408 429.061mV 200 1758
25、.560 1.721V 50 1193.971 512.389mV 210 1795.275 1.8V 60 1232.419 594.983mV 220 1831.875 1.877V 70 1270.751 675.399mV 230 1868.359 1.956V 80 1308.968 756.796mV 240 1904.728 2.034V 90 1347.069 840.333mV 250 1940.981 2.112V 100 1385.055 921.727mV 260 1977.119 2.19V 110 1422.925 1.001V 270 2013.141 2.268
26、V 120 1460.680 1.082V 280 2049.048 2.345V 130 1498.319 1.164V 290 2084.839 2.422V 140 1535.843 1.245V 300 2120.515 2.498V 通过分析上表中的数据可知，输出电压值随温度的升高基本呈线性变化，当温度为-10 时，输出电压为-58.445uV ，接近 0V，当温度为 300时，输出电压为2.498V ，接近于 2.5V，基本满足课题要求。5.1 方案一仿真结果本调理电路中，R7代表的是铂电阻的阻值，其随温度升高逐渐增大，应当用滑动变阻器代表较为合适，但由于各个温度下的阻值不是整数，
27、不能通过改变滑动变阻器的阻值全部测出，因而，此处用普通电阻表示，通过手动改变其阻值来实现各种不同温度下名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 17 页 共 19 页调理电路输出电压的测量。以下为仿真测量结果：表 5.2 方案二 Pt1000 温度与输出电压对照表温度/ 电阻 / 输出电压温度 / 电阻 / 输出电压 /V -10 960.859 28.517uV 150
28、1573.251 1.32V 0 1000.000 84.08Mv 160 1610.544 1.4V 10 1039.025 168.186mV 170 1647.721 1.48V 20 1077.935 252.044mV 180 1684.783 1.56V 30 1116.729 335.651mV 190 1721.729 1.64V 40 1155.408 419.011mV 200 1758.560 1.719V 50 1193.971 502.121mV 210 1795.275 1.798V 60 1232.419 584.983mV 220 1831.875 1.877V
29、 70 1270.751 667.595mV 230 1868.359 1.956V 80 1308.968 749.959mV 240 1904.728 2.034V 90 1347.069 832.073mV 250 1940.981 2.112V 100 1385.055 913.939mV 260 1977.119 2.19V 110 1422.925 995.556mV 270 2013.141 2.268V 120 1460.680 1.077V 280 2049.048 2.345V 130 1498.319 1.158V 290 2084.839 2.422V 140 1535
30、.843 1.239V 300 2120.515 2.499V 通过分析上表中的数据可知，输出电压值随温度的升高基本呈线性变化，当温度为-10 时，输出电压为28.517uV，接近 0V，当温度为300时，输出电压为2.499V，接近于 2.5V，基本满足课题要求。通过比较以上两种方案可以看出，两种方案都可以实现课题要求的内容。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 18
31、 页 共 19 页心得体会本次课程设计为期一周，主要任务是完成铂电阻温度测量调理电路的设计，设计过程中，我首先对铂电阻测温的机理进行了学习，了解到此种测温方法有体积小，测量范围广，精确度高等优点，也知道了它的线性特性不是很好，因而在调理电路的设计中主要解决的是非线性的问题。接着结合所学电路的相关知识，我设计出这种加入恒流源的调理电路很好地解决了这一问题，再通过调整其他相关参数，就实现了题目所要求的设计内容。通过一周的学习及设计，让我更加熟悉了multisim的使用， 对铂电阻测温有了一定的了解，也对铂电阻测温调理电路有更深的认识，另外，将所学知识应用于实践，使我更加加深了对本学期所学理论知识的
32、理解。在课程设计的过程中，我深深的感受到我们所学的东西太少了，需要学习的东西太多了，平时的实践也远远不够。学习的过程是艰辛的，但是同时也是快乐的，让我们大家朝着自己各自的目标努力奋斗。最后感谢老师给我们这次学习的机会，让我发现自己的不足，让我知道以后该在实践方面更多地锻炼自己，提高自己的动手能力。参考文献1 塞尔吉欧佛朗哥著. 刘树棠朱茂林荣玫译 . 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计西安交通大学出版社2009 年 3 版2 康华光 . 模拟电子技术高等教育出版社2005 年 5 版3 邱关源 . 电路理论高等教育出版社1999 年 4 版4 阎石 . 数字电子技术高等教育出版社2005
33、年 5 版名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 19 页 - - - - - - - - - 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 19 页 共 19 页燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩：指导教师：年月日答辩小组评语：成绩：评阅人：年月日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年月日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 19 页 - - - - - - - - -