【導讀】KWIK（技術訣竅與綜合知識）電dian路lu應ying用yong筆bi記ji提ti供gong應ying對dui特te定ding設she計ji挑tiao戰zhan的de分fen步bu指zhi南nan。對dui於yu給gei定ding的de一yi組zu應ying用yong電dian路lu要yao求qiu
，本ben文wen說shuo明ming了le如ru何he利li用yong通tong用yong公gong式shi應ying對dui這zhe些xie要yao求qiu，並bing使shi它ta們men輕qing鬆song擴kuo展zhan到dao其qi他ta類lei似si的de應ying用yong規gui格ge。該gai傳chuan感gan器qi模mo型xing支zhi持chi對dui電dian阻zu溫wen度du檢jian測ce器qi(RTD)的電氣和物理特性進行SPICE仿真。SPICE模型使用了描述RTD（其將溫度轉化為電阻）物理行為特性的參數。它還提供了一個典型的激勵和信號調理電路
，利用該電路可演示RTD模型的行為。

RTD概述

RTD是阻性元件
，其電阻隨溫度變化而變化。RTD的行為已為人所熟知
，可用於進行精密溫度測量，精度可達0.1°C以下。RTD通(tong)常(chang)由(you)一(yi)段(duan)纏(chan)繞(rao)在(zai)陶(tao)瓷(ci)或(huo)玻(bo)璃(li)芯(xin)周(zhou)圍(wei)的(de)導(dao)線(xian)構(gou)成(cheng)，但(dan)也(ye)可(ke)以(yi)由(you)鍍(du)在(zai)襯(chen)底(di)上(shang)的(de)厚(hou)膜(mo)電(dian)阻(zu)構(gou)成(cheng)。使(shi)用(yong)的(de)電(dian)阻(zu)絲(si)通(tong)常(chang)是(shi)鉑(bo)，但(dan)也(ye)可(ke)以(yi)是(shi)鎳(nie)或(huo)銅(tong)。PT100是一種常見的RTD，由鉑製成，在0°C時電阻為100 Ω。另外還有在0°C時電阻為200
、500、1000和2000 Ω的RTD元件。鉑RTD電阻與溫度的關係由Callendar-Van Dusen (CVD)方程來描述。方程1描述了PT100 RTD在0°C以下的RTD電阻，方程2描述了其在0°C以上的RTD電阻。

對於T < 0：

對於T > 0：

Callendar-Van Dusen方程中的係數由IEC-60751標準定義。R0是RTD在0°C時的電阻。對於PT100 RTD，R0為100 Ω。對於IEC 60751標準PT100 RTD，係數為：

從-200°C到850°C，PT100 RTD的電阻變化如圖1所示。

圖1.從–200°C到850°C的PT100 RTD電阻

設計描述

此RTD模型（圖2）使用LTSPICE進行仿真
，但也與PSPICE兼容。利用該模型
，用戶可以模擬參考激勵電流的傳感器負載，並將信號調理電路連接到RTD。這樣就可以對所有共模

、差分和源阻抗效應進行仿真。該模型假設RTD電阻隨溫度而變化。僅對標稱傳感器規格進行建模。T1是模型使用的參數，表示描述RTD行為的方程中的溫度。這與SPICE中使用的表示全局溫度的變量temp不同。這種方法使模型能夠僅演示RTD的行為，而不會影響電路中其他元器件的性能。

設計技巧/注意事項

1.使用一個電流源激勵傳感器模型，電流源的作用是讓RTD電阻可以作為電壓來測量。

2.將RTD傳感器輸出連接到用於共模、差分、滿量程和精度仿真的任意高輸入阻抗信號調理電路。

3.將SPICE參數步進(.step param)與直流分析(.op)結合使用，從作用於傳感器模型的最小溫度掃描到最大溫度。

設計步驟

1.運行SPICE仿真（使用掃描參數），確認RTD輸出電壓與給定溫度的預期輸出一致。請注意，Vrtd = (Vrtd+) – (Vrtd-)

2.將傳感器模型連接到激勵電流和信號調理電路以模擬完整應用。

設計仿真

仿真使用1mA激勵電流進行-200°C至850°C的RTD溫度掃描。表1顯示了RTD輸出電壓的仿真值與計算值示例（使用Callendar-Van Dusen方程）。

表1.仿真結果與理想結果

圖2.顯示RTD模型和仿真參數的原理圖

圖3.使用PT100 SPICE RTD傳感器模型和1mA激勵電流的仿真電壓與溫度的關係圖

傳感器模型的典型應用電路如圖4所示。Vc由對4.096V基準電壓進行分壓而生成
，所選的Vc值應在AD8538運算放大器的直流共模範圍內
，當將其作用於高精度(0.1%) 3.01kΩ電阻時，產生大約1mA的RTD激勵電流。AD8538設置的高環路增益迫使通過RTD模型的激勵電流為：

兩個499Ω電阻為AD8538的輸入和輸出引腳提供ESD保護
，1nF電容用於EMI和RFI濾波
，2.2nF電容用於確保環路穩定性。RTD輸出電壓由AD8422儀表放大器進行調理，在該儀表放大器的RG端子之間放置一個2.21kΩ電阻，以將其增益設置為9.959。選擇該增益值是為了將AD8422的輸出電壓保持在同樣使用4.096V基準電壓的ADC的輸入範圍內。AD8422輸入端的電阻和電容的作用是在實際應用中對注入線纜的噪聲進行差分和共模濾波。用於增益和濾波的電阻和電容值根據AD8422的數據手冊進行選擇。圖5顯示了應用電路的仿真輸出電壓與溫度的關係圖。雖然此應用電路使用2線RTD模型，但它可以輕鬆調整為3線或4線RTD模型，如圖6所示。V1rtd和V4rtd是0V電壓源，原理圖將其包括在內，這樣節點標簽不會衝突（SPICE仿真工具不支持兩個不同節點名稱指示相同節點）。0V電壓源對仿真結果沒有影響（表現為短路），而且有助於使RTD模型更好地模擬RTD傳感器在實際應用中的物理接線方式。同樣

，這些模型可針對PT200
、PT500、PT1000和PT2000 RTD進行調整
，隻需將原理圖中的R0值設置為所需RTD的相應值（0°C時的電阻）即可。表2顯示，在整個溫度範圍內
，RTD電壓都位於AD8422線性運行所需的輸入範圍內
，並且應用電路的總輸出電壓位於使用4.096V基準電壓的ADC的輸入範圍內。請注意，LT1461可用於提供此基準電壓，但出於簡化原理圖的原因，圖中未將其包括在內。

表2.仿真結果與理想結果

圖4.顯示激勵和信號調理電路的PT100 2線RTD應用電路

圖5. 2線RTD應用電路的仿真輸出電壓與溫度的關係圖

圖6.調整2線RTD模型以適應3線和4線RTD應用

設計器件

表3.串聯基準電壓源

表4.儀表放大器

表5.運算放大器（根據需要用於基準電壓源和DAC輸出緩衝器）

參考資料

“傳感器信號調理實用設計技術”

由Walt Kester編輯，ADI公司
，1999年，ISBN-0-916550-20-6。

Education-library/practical-design-techniques-sensor- signal-conditioning.html

儀表放大器鑽石圖工具

鑽石圖工具是一個網絡應用程序
，可生成特定配置的輸出電壓範圍與輸入共模電壓關係圖
，也被稱為鑽石圖，適用於ADI儀表放大器

LTSpice®是一款高性能SPICE III仿真軟件、原理圖采集工具和波形查看器
，集成增強功能和模型，簡化了開關穩壓器、線性穩壓器和信號鏈電路的仿真。

致謝

ADI公司主要顧問：

Tim Green
，精密技術與平台部線性產品小組高級應用工程師

關於ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力於在現實世界與數字世界之間架起橋梁

，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，並建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元
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