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PT100电路设计的思考

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wwj851011|  楼主 | 2007-8-18 15:46 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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)
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。

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 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。

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沙发
wwj851011|  楼主 | 2007-8-18 15:48 | 只看该作者

图一

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板凳
陈定一| | 2007-8-20 08:33 | 只看该作者

值得探讨

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地板
mohanwei| | 2007-8-20 10:30 | 只看该作者

为什么不用四线制接法呢?

电路比三线制简单多了……

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5
lds514| | 2007-8-20 13:19 | 只看该作者

仪表放大器

仪表放大器?

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wwj851011|  楼主 | 2007-8-23 09:44 | 只看该作者

图二仿真结果

电路误差分析
    在电路取值分别为:R=25k; Rw1=Rw2=Rw3=2; R1=R2=100k; R3=7.34k; R4=2.24k; R5=9.09k; 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:
温度    电阻值(欧姆)    运放A3输出(mV)    运放A4输出(V)    A3与渴望值的误差(mV)
-51    79.909    87.51    1.073    7.601
-50    80.306    87.82    1.077    7.514
-49    80.703    88.14    1.081    7.437
-1    99.609    103.9    1.274    4.289
0    100    104.3    1.278    4.3
1    100.391    104.6    1.282    4.209
49    119.012    121.5    1.489    2.488
50    119.397    121.9    1.493    2.503
51    119.782    122.2    1.498    2.418
99    138.126    139.7    1.711    1.574
100    138.506    140.1    1.715    1.594
101    138.885    140.4    1.720    1.515
149    156.952    158.1    1.935    1.148
150    157.325    158.4    1.940    1.075
151    157.699    158.8    1.944    1.101
199    175.488    176.4    2.159    0.912
200    175.856    176.7    2.163    0.844
201    176.224    177.1    2.168    0.876
                
    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。

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pengjianxue| | 2007-8-23 15:54 | 只看该作者

问题很简单

 问题很简单:
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, 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。
解决办法:
1。采用+、-6V到7.5V双电源
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.
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%

彭建学  上海  2008-8-23
 
 

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陈定一| | 2007-8-23 16:10 | 只看该作者

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。

此电路设计者是Bonnie 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。

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。
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。

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。

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。

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pengjianxue| | 2007-8-23 16:35 | 只看该作者

人家老外没错

人家老外没错,你自己错了。
1。MCP604最小摆幅0.1V, 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。
2。人家没说此电路精度是多少。

只能参考,要自己弄透

彭建学  上海  2007-8-23

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10
gundamggg| | 2007-8-23 22:09 | 只看该作者

有点看不懂

请问为啥A3的输出就是Vrtd啊? 1mA电流流过Rw1也应该会产生压降的吧?? 
请解释下原理谢谢,我很菜,想学习学习。。。。。。。

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11
wwj851011|  楼主 | 2007-8-25 09:58 | 只看该作者

回复10楼

关于10楼的问题,这就是他设计的优越之一了,VoutA3=(Vin-Vw1)(1+R2/R1)-Vin(R2/R1).式中Vin=Vw1+Vrtd+Vw3。当R1=R2,Rw1=Rw3时,带入即可得到VoutA3=Vrtd(pt100两端的电压)。他的另一个优越之处是后面A4既是一个二阶Chebyshev低通滤波器又实现了放大的功能。另外,A1,A2一起实现了一个精准的1mA浮空电流源.

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12
wwj851011|  楼主 | 2007-8-31 10:20 | 只看该作者

真心求教

大家难道就没有一点其他的办法吗?
急用,请各位大侠帮帮忙啊!

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13
meansee| | 2007-9-5 01:36 | 只看该作者

LZ结果怎么样?

一直在关注这个问题,楼主已经解决了?
感觉彭先生说的“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”不太成立,因为书上说到了负温度域的测量。
其实书上也提到了要保证线电阻电流要小,LZ怎么解决的?
还有,楼主使用的电阻精度怎么?相关电阻的精度比例?参考电压精度等?

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