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PT100电路设计

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 楼主| wwj851011 发表于 2007-8-18 15:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
PT100, 电路设计, 电压, 电阻, 放大器
我在设计PT100电路时，采用三线制的PT100进行设计，主要采取以下两种参考电路进行设计（如下图一所示）<br />&nbsp;<br />对于该电路，参考的是来在网上所得电路，经过修改放大器放大倍数，经输出、单片机10位采样，并计算所得。但经过实验后发现，当线电阻Rw1、Rw2、Rw3在0~10欧姆的范围变化时，计算所得误差可以达到十几摄氏度，可以说就是基本上没有消除线电阻，测量时发现放大器输入两端电压稍有不同尤其是在U101B的变化尤为明显，再对电路进行仿真后，可以看出每个放大器的两输入端电压值都不完全相同，同时我们还发现，在放大倍数很大，或是输入电压差较大时，该误差可以基本消除，但在放大倍数较小，且输入电压较小时，其放大倍数会严重的失真，从而导致了输出结果存在较大的误差。我分析原因是假设在线电阻较小的时候，放大后产生的结果误差会较大；在线电阻变大或是PT100电阻变大时，产生的结果会更接近于理论值，即该误差不是固定的，他随输入电压及放大倍数的增大而减小，甚至可以被消除。因此，没有一个较好的方法来消除这个误差。因此，希望各位大侠帮我再分析分析，看看还有什么改进之处，可以消除该误差。<br /><br />&nbsp;<br />在上面所说的电路没办法消除误差的时候，同学向我推荐了一本国外翻译教材书名为《嵌入式系统中的模拟设计》作者是美国的Bonnie&nbsp;Baker。书中介绍了一种如图二所示的电路，该电路前一部分是一个产生1mA恒流源的设计电路，接通PT100之后，获得的电压完全可以和PT100的阻值呈线性变化。然后，将PT100的A端和B端接入放大器U3C中，按照理论设计，可以完全的消除线电阻，输出仅为PT100（Rx）两端的电压值，然后再经过U3D进行放大和二次滤波后输出。这样的电路可以说设计的相当完美，考虑了消除线电阻和外界干扰所造成的影响，设计结果应当是正确合理的。但实际上，在我对该电路进行仿真的时候，去发现和上面相同的问题，就是经U3C后，输出的电压很高（比PT100电阻两端的电压高很多，大概多3~6mV）。这样经过后面的放大电路后，产生的结果便存在了较大的误差，导致计算结果很不准确。我试图改变了U3C前置电阻的大小来改变误差，发现都很难消除，测试发现U3C两端的电压不相等（存在2~5mV的误差），估计就是这个原因导致了输出结果的不正确，并且想了很多的办法都没有消除这个误差带来的影响，所有，在这里我向各位高手提出这个问题，希望各位大侠能关注一下，帮小弟解决这个难题。<br />
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 楼主| wwj851011 发表于 2007-8-18 15:51 | 显示全部楼层

图二

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陈定一 发表于 2007-8-18 16:03 | 显示全部楼层

确实存在疑问

在MICOCHIP的网站也看过此PT100电路,但通过PSPICE放真发现运放U3C(LMC6084的9脚和十脚)的电压存在不相等,特别是在PT100电阻较小时这种不相等,造成的误差.建议楼主将误差较大时的仿真结果贴出来,给大家讨论.<br />
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 楼主| wwj851011 发表于 2007-8-23 09:48 | 显示全部楼层

误差分析

图二电路误差分析<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;在电路取值分别为：R=25k;&nbsp;Rw1=Rw2=Rw3=2;&nbsp;R1=R2=100k;&nbsp;R3=7.34k;&nbsp;R4=2.24k;&nbsp;R5=9.09k;&nbsp;R6=102k时，对PT100输入1mA恒流源后，对电路进行了仿真模拟，仿真结果如下：<br />温度&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;电阻值(欧姆)&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;运放A3输出（mV）&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;运放A4输出（V）&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;A3与渴望值的误差（mV）<br />-51&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;79.909&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;87.51&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.073&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;7.601<br />-50&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;80.306&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;87.82&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.077&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;7.514<br />-49&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;80.703&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;88.14&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.081&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;7.437<br />-1&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;99.609&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;103.9&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.274&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;4.289<br />0&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;100&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;104.3&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.278&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;4.3<br />1&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;100.391&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;104.6&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.282&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;4.209<br />49&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;119.012&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;121.5&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.489&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2.488<br />50&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;119.397&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;121.9&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.493&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2.503<br />51&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;119.782&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;122.2&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.498&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2.418<br />99&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;138.126&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;139.7&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.711&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.574<br />100&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;138.506&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;140.1&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.715&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.594<br />101&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;138.885&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;140.4&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.720&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.515<br />149&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;156.952&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;158.1&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.935&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.148<br />150&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;157.325&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;158.4&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.940&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.075<br />151&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;157.699&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;158.8&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.944&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.101<br />199&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;175.488&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;176.4&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2.159&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;0.912<br />200&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;175.856&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;176.7&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2.163&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;0.844<br />201&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;176.224&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;177.1&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2.168&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;0.876<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;按照设计电路时的设想，运放A3输出应该为：Pt100电阻值*1mA，即数值上应该与电阻值相等，但由于运放两输入端阻值不相等，导致输出有很大的误差存在，即与渴望值有很大的误差，并且他随Pt100电阻的增大而在减小（但不是线性递减的）。这样的话，后续电路再精确，也无法消除误差了。，特把数据列出来，供大家参考，看看有没有什么解决办法来消除运放自身产生的误差。<br />
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pengjianxue 发表于 2007-8-23 14:58 | 显示全部楼层

问题很简单

问题很简单：<br />LMC6084是轨到轨运放，可单电源工作，输入信号可摆到地，工作电源确定后，输出摆幅取决于输出负载电阻大小。一般空载时，下摆最低为0＋0.1V左右，上下摆最低为VCC－0.1V左右，具体看所用运放。超出摆幅范围，进入饱和非线性。你的电路，U3A带载为2.5K,&nbsp;5V供电，线性范围为0.1V－2.5V，U3A输出已进入上限；在PT100＝100欧时，U3C输出才0.1V，已进入空载下限；在PT100＝100欧时，U3B输出才0.1V，也已进入空载下限。U3A,U3B,U3C都进入非线性区，当然误差很大。<br />解决办法：<br />1。采用＋、－6V到7.5V双电源<br />2。如当温度为200度，对应输出5V满度，－50度时，对应约2.25V，AD输入利用范围2.25到5V,0到5V输入AD分辩率降低一半。分辩率误差增大一倍。建议调零，－50度对应0V.<br />3.LMC6084输入失调电压0.15到1.3毫伏，即使只计U3D，U3D输出失调可为1.8到15.6毫伏，如果AD输入利用范围2.25到5V，失调误差为1.8/2750到15.6/2750，即0.065%到0.57%<br /><br />彭建学&nbsp;&nbsp;上海&nbsp;&nbsp;2008－8－23
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陈定一 发表于 2007-8-23 16:15 | 显示全部楼层

探讨Bonnie Baker设计的电路

楼主的图不是很清楚，我帖的图和楼主完全一样，大家可以参考我的图，再看上面的仿真结果。<br /><br />此电路设计者是Bonnie&nbsp;Baker，是microchip的高级工程师（在她公司的网站可以搜索到许多她的**，是一个很有实力的工程师）。最初感觉此电路应该是能实际应用的，但通过仿真却发现误差的存在。<br /><br />可喜的是楼主通过努力已经找到一个解决方法（我和他同一个教研室）。但我们还是认为有必要对这种大师设计的电路进行讨论，这个电路是否能使用？所以我建议楼主把他的仿真结果贴出来。<br />大概描述下电路：上方虚线方框内是产生1mA的恒流源。运放A3旨在消除线电阻，理想中VoutA3=Vrtd。后面是Chebyshev滤波器。<br /><br />其实问题集中在运放A3上。理论中A3输出电压应该等于去掉线电阻的PT100电压。但事实上在PT100阻值较小时，运放A3同相输入端和反相输入端电压不相等。（因为运放不是理想的，他们间有pA级的电流流过）这就造成了A3电压输出与PT100实际电压的偏差。且偏差挺大的。随着PT100阻值的增加，A3同相输入端和反相输入端电压电压偏差减小，测量精度提高。<br /><br />我们希望设计电路是三线的（不能考虑四线），精度+/-2度，显然这个电路是存在问题的。<br />我也认为应该换运放。<br />
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pengjianxue 发表于 2007-8-23 16:40 | 显示全部楼层

家老外没错

<br /><br />人家老外没错，你自己错了。<br />1。MCP604最小摆幅0.1V,&nbsp;人家电路用于0度以上测量，0度100欧，最小电压0.1V,正好处于保证下限。<br />2。人家没说此电路精度是多少。<br /><br />只能参考，要自己弄透<br /><br />彭建学&nbsp;&nbsp;上海&nbsp;&nbsp;2007－8－23<br /><br />&nbsp;<br />&nbsp;<br />
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pengjianxue 发表于 2007-8-23 16:50 | 显示全部楼层

家老外没错

<br /><br />人家老外没错，你自己错了。<br />1。MCP604线性输出最低0.1V,&nbsp;人家电路用于0度以上测量，0度100欧，输出最低电压0.1V,正好处于保证下限。要注意运放输出线性摆幅。看清看懂DATASHEET.<br />2。人家有没有说此电路精度是多少。<br /><br />不要生搬，只能参考，要自己弄透<br /><br />彭建学&nbsp;&nbsp;上海&nbsp;&nbsp;2007－8－23<br />&nbsp;<br />&nbsp;<br />
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兰天白云 发表于 2007-8-25 16:01 | 显示全部楼层

老外用的AD是MCP3201，此东西是12位分辩率

精度是10位<br />如果测量到100度，100/1024=0.1度<br />0度时，电压=1ma*100=0.1v<br /><br />VIN端应加一级跟随器
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deng_1976 发表于 2007-8-30 16:14 | 显示全部楼层

学习了。。

学习了。。
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lhkjg 发表于 2007-8-30 17:11 | 显示全部楼层

恩，分析的有一定的道理，帮忙顶一个。

VIN端应加一级跟随器，我认为没有必要，因为IN的输入阻抗很高的，所以可以省略
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jhqianyuping 发表于 2010-1-6 10:50 | 显示全部楼层
看不到图片啊
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qe123 发表于 2010-1-6 13:22 | 显示全部楼层
我也看不到图片
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lhkjg 发表于 2010-1-7 18:29 | 显示全部楼层
我也看不到图片，郁闷。
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r766432 发表于 2010-1-11 11:28 | 显示全部楼层
是啊 图怎么看不了啊
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ljch868 发表于 2010-7-29 20:09 | 显示全部楼层
看不到圖片呀
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胡来一刀 发表于 2010-11-17 11:11 | 显示全部楼层
看不到图片！
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lifenganhui 发表于 2011-3-30 16:30 | 显示全部楼层
你们的图都是X啊
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today_lucky 发表于 2011-11-21 10:40 | 显示全部楼层
Mark
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SampsonKong 发表于 2011-11-22 21:16 | 显示全部楼层
mark
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