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[技术讨论] PT100采样电路设计

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 楼主| DVzhang 发表于 2021-7-13 14:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
电路设计, PT100, 采样电路, AC, 滤波, 运放
本帖最后由 DVzhang 于 2021-7-13 14:52 编辑

#申请原创# @21小跑堂
本来不论PT100还是PT1000，他们的采样电路网上都很多，而且之前直接用的是现成的MAX31865方案，奈何领导说太贵，用集成运放搭吧！
领导动动嘴，属下跑断腿！于是各方论坛+度娘！终于整了个有希望的方案，仅以此文记述这段硬件方案设计的经历！
本来想等PCB打板测试后再发出来的，可是后来想想应该先发出来给论坛的大神们看看，到时候哪里要是有问题还可以及时修改，毕竟打板费再少也是肉啊！所以如果方案有问题，拜托各位大佬指正下！
一、目标背景和难点
本次采用的为三线制的PT100，因为嫌弃原有的集成采样驱动芯片贵，这一这次的方案是全部用集成运放来做，然后直接给MCU，哪怕是ADC采样芯片也不允许出现，不过好在精度不高，温度在1度就可以！
在分析下输入输出范围：
（1）MCU的常规采样精度 3300mV/4096=0.8mV；
（2）PT100温度变化一度，阻值变化约0.38Ω；
因此有以下几个难点
（1）阻值变化较小，则对温度或者电压波动比较敏感；
（2）PT100的共性问题，线阻的影响；
（3）阻值变化较小，则前级电压变化较小，容易有杂波信号干扰；
（4）阻值变化较小，即电压变化小，且不可提供较大的电流，否则会给DCDC或LDO造成较大的压力，且后期的低功耗也没法处理，这样的话MCU采样难度增大；
二、大概方案
针对以上难点，在网上也查了不少方案；主流的就是恒流源+滤波电路，所以决定也采用这种电路；原因很简单：1、大家都说好，才是真的好；2、毕竟资料丰富容易找，后面出了问题，也知道从哪里查起！虽然主流框架确定了，但是很多细节还是值得琢磨的，这个后面说，先说方案！
如上图：
（1）U38A和U38B构成的是1mA的恒流源电路，使PT100的变化更加的线性化！其输入端采用电压基准产生2.5V的电压，输出电流的大小取决于R62，即I=2.5/R62；
（2）U49A作为PT100采样信号的输入级！PS：这个电路是网上查到的，说是能消除PT100的线阻影响，具体原理还没整明白，只是先拿来用；
（3）U49B是一个二阶的滤波电路，截止频率在20Hz以下；
（4）U58A就是一个同相的比例运放，作为输出放大，将滤波后的信号放大11倍给MCU；
三、细节处理，尽量避坑
关于运放，一般简单应用场景下，一旦运放型号选定了，需要注意的其实就是那么几点。其中主要的大概就是阻容的配比了，这个计算太复杂了。PS：除了知道虚短虚断其他的都不清楚
不过好在有multisim，一个大概的方案框架确定了，接下来就是将电路搬到multisim中仿真就是了！包括上图中元器件的参数都是仿真之后调整过的，而且最开始连输出的那个比例运放都没有，但是仿真过程中发现有问题！前两天针对这个问题还发过帖子，还好有大神 KING5555的指导！废话少说，上图：
如图对整个采样电路进行仿真，其中探针1的参数可以看到，直流电流是恒定的1mA，虽然有些交流的信号成分在里面，但是幅值太低对输出没啥太大的影响。
R7模拟PT100，R13，R14，R15模拟线阻，虽然有点大了！
U1A组成二阶低通滤波电路，本来开始想着直接修改滤波电路的增益，即R10和R11的比值的，但是修改后发现探针1上的交流信号幅值很大，严重影响了后面的输出，除非修改输入滤波电容的值，但是修改后的截止频率太高，达不到滤波效果！如下图：

后来在论坛发帖经KING大神的解释，然后去网上搜了下，才知道由于这种正相的滤波器，增益本来就没法设置过高，不然就会因为自激振荡由滤波器变为振荡器了！所以随后就开始考虑使用反向输入的低通滤波框架！

本来确实是有效的，实现了增益和滤波并存，但是他也有自己的特点，比如说：因为是反相输入，那么输出应该是负的，如果是轨到轨的运放，那么我需要一个负电源，且给MCU之前还需要反相一下！光这一点就给他PASS掉了！
所以最终决定还是用正相输入的滤波电路然后后面加个普通运放做放大处理！剩下的就是看是否满足使用场景需求了！



如图，这三个图分别为PT100，在100Ω，100.38Ω，138Ω三种阻值下对应的输出电压，可以看出变化一度即0.38Ω时，ΔU=2.1933-2.1849=0.0084V，即8.4mV，换算成ADC的采样精度，大概在10个单位，针对温度一度的精度要求，给MCU所留余量基本足够！而且温度100度时，对应的电压为 3.0196V，也没有超出运放的输出和MCU的输入阈值！！！
最后在看滤波电路的滤波效果！如下图，截止频率在10Hz左右，也满足了目标要求！！！

-------------------万能分割线之动动嘴和跑断腿-----------------
PS：正在画板中，有不足的地方，各位大佬快来拍砖，多多益善，可以都预留上，总比后面实物做出来飞线来的清爽！！！



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21小跑堂 打赏了 30.00 元 2021-07-14
理由：恭喜通过原创文章审核！请多多加油哦！

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DVzhang
话说大家伙儿有好的方案赶紧上图啊，现在改还来的及，我也不想整这么多复杂，但是暂时没想到其他的简单方法啊！不知道是不是思想走到死胡同了  发表于 2021-7-14 08:47

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相关帖子
R2D2 发表于 2021-7-13 19:33 | 显示全部楼层
你犯了模拟电路最严重的问题——简单问题复杂化。元件越多性能越差！
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DVzhang
那么应该咋测呢？我也想整个最简单的，请明示  发表于 2021-7-14 08:22
coody 发表于 2021-7-13 23:04 | 显示全部楼层
我都是串联10K 0.1%电阻分别进ADC和VREF，比例测量，跟万用表测量电阻一样，简单可靠稳定准确！
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DVzhang
方便发下大概的原理图吗？我最开始也想用分压和比例来做，可是MCU精度不一定能达到啊  发表于 2021-7-14 08:24
aaa2742 发表于 2021-7-14 08:30 | 显示全部楼层
coody 发表于 2021-7-13 23:04
我都是串联10K 0.1%电阻分别进ADC和VREF，比例测量，跟万用表测量电阻一样，简单可靠稳定准确！ ...

鄙人也是，用PT100测温好像用不到特别要求高的场合吧
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DVzhang
咋都不上图呢，我最开始想的就跟测普通NTC电阻的测试方法那样，但是感觉阻值太小了，不好配比啊！配的电阻大了，电流小了，MCU监测不出来，配的电阻小了，功耗又大了  发表于 2021-7-14 08:45
xujihu 发表于 2021-7-14 08:31 | 显示全部楼层
精度1C，直接用1个精密电阻+几块钱的国产ADC测就可以了，运放最后也得进adc吧
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DVzhang
@fzyuan ：我意思是不加ADC转换芯片，直接进MCU的ADC，但是ADC的分辨率12位，3.3V电压下就1mV  发表于 2021-7-14 14:10
fzyuan
@DVzhang ：MCU没有内置ADC？那怎么转换？  发表于 2021-7-14 12:37
DVzhang
这个运放最后直接进MCU了，如果加ADC的话我肯定不弄这么麻烦  发表于 2021-7-14 08:44
Prry 发表于 2021-7-14 09:13 | 显示全部楼层
分立元件搭起来估计跟集成芯片差不多的成本，但性能和精度比不上集成芯片。我之前直接用AD7793，简单方便。
https://acuity.blog.csdn.net/article/details/114448459
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DVzhang
老哥，我刚刚去某宝上查了下，AD7793现在的价格20-40RMB不等，这个的话我准备用LM358之类的通用运放！  发表于 2021-7-14 09:16
YDCMAN 发表于 2021-7-14 09:49 | 显示全部楼层
R2D2 发表于 2021-7-13 19:33
你犯了模拟电路最严重的问题——简单问题复杂化。元件越多性能越差！

简单就是美，符合要求的运放价格不便宜
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DVzhang
我也知道电路越简单越好，也想直接整个集成的仪表放大器或者专门的PT100采样芯片，如MAX31865，关键是觉得太贵了，想一两块钱搞定  发表于 2021-7-14 10:04
YDCMAN 发表于 2021-7-14 10:13 | 显示全部楼层
YDCMAN 发表于 2021-7-14 09:49
简单就是美，符合要求的运放价格不便宜

低配：电桥+358，中配：恒流源+运放
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DVzhang
@dxpaccount ：关键是这个压降太小了啊，1mA得话变化一度才0.38mV，MCU分辨率不够吧  发表于 2021-7-14 14:05
dxpaccount
@DVzhang ：乍一看差点没看懂，测个电阻上的压降这个复杂！TL431恒流源电路不好吗，你还要和运放搭配一个恒流源，就一个电阻上的压降，能有什么波要滤？不说电路板的尺寸要求，就说你这么复杂的电路，PCB多打两个过孔，说不定被你滤掉的波又引进来了  发表于 2021-7-14 12:50
DVzhang
@YDCMAN ：搜了啊，都是说需要恒流源+仪表运放，有的有滤波有的没滤波，然后直接进ADC芯片，然后我这个是不准备用仪表运放，也不准备用ADC芯片，就用普通运放到MCU  发表于 2021-7-14 11:22
YDCMAN
@DVzhang ：在各个论坛中搜关键字“PT100”的帖子，可以对比以前人做过的，少走很多弯路，也节省了时间  发表于 2021-7-14 10:42
DVzhang
@YDCMAN ：嗯嗯嗯，那我样板上预留个0R电阻，直接接到输出到MCU的那个运放上面！这样的话样板上就是两种方案了！其中一种就是两个运放构成恒流源，一个运放做输入前级，一个运放做放大输出！  发表于 2021-7-14 10:25
YDCMAN
@DVzhang ：温度动态响应很慢的，有无硬件滤波根据需要吧，软件中也可以做处理  发表于 2021-7-14 10:19
DVzhang
我这个不是恒流源+运放吗？意思是不用要滤波吗  发表于 2021-7-14 10:16
fzyuan 发表于 2021-7-14 12:42 | 显示全部楼层
最大的问题设计了一个很复杂的电路，却连最基本的误差分析都没有。
当然，楼主也没有提出正经的需求：
1. 测量范围；
2. 允许误差；
3. 工作的环境温度范围；
4. 分辨率；
5. 响应；
6. 测量结果的呈现形式；
7. 其他技术条件。
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DVzhang
MCU，分辨率12位，3.3V参考电压  发表于 2021-7-14 14:15
DVzhang
但是想的是不用ADC采样芯片和仪表运放，直接给到MCU的ADC  发表于 2021-7-14 14:14
DVzhang
要求不高，0-100度得测量范围，精确到1度就行了  发表于 2021-7-14 14:05
hjl2832 发表于 2021-7-14 12:50 | 显示全部楼层
一个好的仪表运放也不便宜，PT100的变化太小了，358的偏移和漂移不能满足要求的
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DVzhang
就是说不用仪表运放和ADC芯片  发表于 2021-7-14 14:03
R2D2 发表于 2021-7-14 13:11 | 显示全部楼层
https://bbs.21ic.com/icview-2621384-1-1.html
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DVzhang
如果不用ADC芯片咋做呢  发表于 2021-7-14 14:07
cjseng 发表于 2021-7-14 13:32 | 显示全部楼层
我都是弄个电阻和PT100串联，然后用单片机自带AD采样，精度马马虎虎，在我需要的测量范围内，跟DS18B20对比，误差在0.5℃之内。
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刷个怪
@cjseng ：大佬，这个op07的这个电路怎么搭建的，有偿  发表于 2025-2-5 11:16
cjseng
@cjseng ：不好意思，弄错了，我说的串联分压是NTC测温电路，不是PT100，PT100测温，我弄了个OP07放大的  发表于 2021-7-14 16:11
cjseng
@DVzhang ：对的，我用的电阻是3.3K  发表于 2021-7-14 16:05
DVzhang
请问你是和测NTC电阻那样，直接用个上拉电阻分压，然后在串一个到MCU的ADC的吗？  发表于 2021-7-14 14:18
DVzhang
那你的电阻阻值是多少？  发表于 2021-7-14 14:03
laocuo1142 发表于 2021-7-14 14:20 | 显示全部楼层
很实用，PT100电压变化较小，确实需要好好处理
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fzyuan 发表于 2021-7-14 16:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 fzyuan 于 2021-7-14 17:01 编辑

这个简单的电路在一定条件下可以满足楼主要求，已经基本完成硬件线性化，只要校准0度和100度：
单电源运放，如果运放也采用3.3V供电，则需满足R-R输出。

外接热电阻的线路电阻范围0～3欧姆应该是没问题的。

基本的滤波可以在1.5M电阻上并联适当电容。
成本：MCU+运放+LDO+精密电阻+PCB，应该在￥3.00左右吧。




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wuha
@DVzhang ：3peak的TP5552，润石也有对标的器件更便宜。但是我想说的是，就你用PT100测个精度1度的应用，358绰绰有余。  发表于 2021-7-15 10:42
DVzhang
@wuha ：求推荐，有成本低又好用的运放，甚至ADC芯片，谁还折腾这些有的没的  发表于 2021-7-15 10:00
wuha
@DVzhang ：国产精密运放已经做到1、2块钱了，而且已经大规模使用好几年了。  发表于 2021-7-15 09:15
fzyuan
@DVzhang ： 画这个电路只需要几分钟时间，但是跟你说清楚“一定条件”大概花几个小时，但等你理解“一定条件”可能要到几个月之后了。就像9楼的那几个问题你都不清楚，那就是还没有入门啊。  发表于 2021-7-15 08:37
DVzhang
@fzyuan ：这个一定条件具体受哪些因素影响呢  发表于 2021-7-14 18:38
fzyuan
@DVzhang ： 没有有效的进行误差分析，额外增加电压基准就是浪费。  发表于 2021-7-14 18:01
fzyuan
@DVzhang ： 9.1k用来做线性化的，是不是需要精密运放我也不知道，但是在“一定条件”下LM321（LM358）这种两三毛钱的肯定是可以满足“精确到1度”要求。  发表于 2021-7-14 17:59
DVzhang
请教一下，这个是不是得用精密运放啊，我看有的光运放就七八块，通用运放能实现吗  发表于 2021-7-14 17:38
DVzhang
嗯嗯嗯，准备做一版这种的，不过就是把3V3的驱动下面在加个电压基准，不过最上面那个9.1K是干嘛的，求解惑  发表于 2021-7-14 17:31
xujihu 发表于 2021-7-14 17:31 | 显示全部楼层
用的是这个方案吧，运放会飘

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DVzhang
某宝上好像买不到这个芯片啊，是不是可贵  发表于 2021-7-14 17:35
R2D2 发表于 2021-7-14 18:00 | 显示全部楼层
为什么不能用ADC？国产24位Sigma-Delta ADC才两三块钱，性能比单片机自带的ADC不知道好到哪里去了。
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R2D2
@DVzhang ：你那个破电路比2块钱的ADC贵多了。  发表于 2021-7-14 19:00
DVzhang
我也想知道，估计是因为有5路PT100吧，通用运放几毛钱，这个差距在乘以5  发表于 2021-7-14 18:37
R2D2 发表于 2021-7-14 18:44 | 显示全部楼层
早说5路啊！看这个帖子：
https://bbs.21ic.com/icview-569905-1-1.html
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R2D2
@DVzhang ：你觉得哪里不对就勇敢地说出来，我给你解释。  发表于 2021-7-14 19:09
DVzhang
看过这个，你有没有试过？不知道为啥总感觉哪里不对  发表于 2021-7-14 19:02
linnjing 发表于 2021-7-15 09:47 | 显示全部楼层
本帖最后由 linnjing 于 2021-7-15 09:49 编辑

如果精度误差要求不高，能有个温度就行，那前面的大部分电路都是没什么意义的
电阻分压后直接一级同向放大就行了。温度补偿，线阻补偿那些是有较高精度要求才需要的。

查表看下100℃的对应电阻值，可能是139R左右，稍微留点余量，取150R。
R172取150R，R173和R1取同样的值比如15K，Rt到R150的时候，运放电路输出到VCC。
电路差不多就这样，剩下用程序去做个校准就行。100℃分辨率1℃，何必给自己找那么多麻烦。

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DVzhang
@linnjing ：运放能不能准确识别出0.12mV就不考虑了吗？  发表于 2021-7-15 15:20
linnjing
@DVzhang ：0.12mV放大100倍后到ADC这都12mV了，还要怎样？  发表于 2021-7-15 13:21
DVzhang
@wuha ：我知道那个电桥差分输入的形式，就是想用358来做，只是没做过，不知道精度咋样，所以去加了附属电路  发表于 2021-7-15 12:26
wuha
@DVzhang ：所以用上面14楼那个电桥，相当于把比如0度时，100欧给减掉再放大，后面ADC就完全没压力了。14楼那个电路校准后别说1度。更高精度都完全没压力。  发表于 2021-7-15 11:01
DVzhang
最开始是这样想的啊，不过上拉15K，5V供电的时候，电流0.33mA，变化一度的情况下，电压变化0.33*0.38=0.12mV，这么小的压差，后面压力很大啊  发表于 2021-7-15 09:58
Gavin3389 发表于 2021-7-15 13:46 | 显示全部楼层
讨论的挺热烈，其实个人觉得，电路不要太复杂。
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R2D2 发表于 2021-7-15 14:40 | 显示全部楼层
14楼电路还是太复杂了，运算放大器倒是不用什么太好的，我算了下标定后运放的漂移基本可以忽略不计。关键是9个电阻影响精度，标定完毕环境温度变化一定会飘的让人醉生梦死。14楼电路要想做到稳定，这9个电阻怎么也要花100多块才能买到，实在是太贵了。

我在11楼和17楼引用的两个旧帖子，都非常巧妙的把影响精度的原件压缩到1只电阻上面，别的零件都不影响精度，可惜这个论坛水平太差，没人能看懂。
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R2D2
@wuha ：别做梦了，20k和1.5M电阻温漂能一样？桥臂里面有一个是PT100，跟其他电阻能一致？别说梦话了。  发表于 2021-7-15 18:55
wuha
@R2D2 ：如果理想的情况，上下桥臂电阻一起温漂一致，那分压比例相当于没有改变。  发表于 2021-7-15 18:50
wuha
@R2D2 ：你这样单独算一只电阻的温漂引起的误差确实大。但那个电路巧妙的就是利用了电阻桥式，以及后端的差分放大也是要求电阻比例要成对。这样如果温漂，所有电阻都一起向一个方向温漂，电阻桥和差分放大的形式是可以抵消很大一部分这种同向漂移的。所以满足楼主的应用完全没有问题。  发表于 2021-7-15 18:48
fzyuan
@R2D2 ：所以我强调了“一定条件下”满足1度精度，楼主说不清需求有啥办法。  发表于 2021-7-15 18:30
fzyuan
在没有说明的情况下能看明白那两个电路的人，是不会提出楼主这样的问题的。  发表于 2021-7-15 18:29
R2D2
@wuha ：普通电阻温度系数300~700ppm，就按300算，环境温度变化10度，阻值就会漂移千分之三，14楼电路用了太多影响精度的电阻了，非常不稳定，标定完毕后没法适应工作环境。  发表于 2021-7-15 17:04
wuha
我看了你推荐的两个电路。如果将来生产不想用标准温度来标定PT100的话，那这两个电路非常好，温度的精度就依赖于那个精密电阻的温度。如果生产要标定传感器的话，14楼的电路也完全没问题，虽然用了很多电阻存在参数不一致的情况，但是只要标定之后，满足楼主这种低级精度需求就完全没问题了。甚至直接用一个电阻跟PT100串联，用ADC直接采样都能满足。  发表于 2021-7-15 15:14
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