1 项目题目

Pt铂电阻温度检测系统。

2 电路系统总体方案介绍

2.1 电路总框架

如图2-1所示，总体电路主要由传感器-接口电路-加法运算电路-放大电路-低通滤波电路组成。

2.2 总体信号处理流程

如图2-1所示，将Pt100铂电阻串入电桥电路的一个桥臂，随着温度变化，铂电阻阻值发生变化，电桥输出差分信号。将该差分信号与波形发生器产生的高频噪声（预设为1000Hz）通过加法运算电路的两个输入端叠加，模拟真实应用场景下环境中产生的高频噪声信号。随后信号进入差分放大电路或三运放差分放大电路，将信号放大到0~5V区间变化。最后通过一阶有源低通滤波电路滤除高频噪声信号，仅保留电桥输出后放大了的信号。最终信号完成处理，输出到后级电路。

图2-2展示了整个信号处理电路过程中对信号每个阶段的信号输出结果进行的预估情况。

3 个人电路设计部分——PT100接口电路与部分差分放大电路调试

3.1 设计原理

3.1.1 Pt100简介与特性

利用金属铂的电阻值随温度变化而变化的物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器。

Pt100是一种较常用的热电阻传感器。它是一种铜热电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。在0度时，PT100的阻值为100Ω，并且其属于正电阻系数，其电阻和温度变化的关系式如下：

$$R=R_0(1+\alpha T)$$

其测量范围可达-200℃~850℃，热响应时间＜30s，以及其他参数可见表2-7-1。

另外，Pt电阻温度传感器具有精度高，稳定性好，可靠性强，寿命长的优点。

3.1.2 Pt100信号线介绍

Pt100铂电阻的测量电路主要分为两线制、三线制和四线式三种方式。

1. 两线式测量

传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值﹐由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高,用于测量精度要求不高的场合,并且导线的长度不宜过长。如图3-1所示，与普通电阻原理相似。

2. 三线式测量

要求引出的三根导线截面积和长度均相同,测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥,铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻。将一根导线接到电桥的电源端,其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,当桥路平衡时(压差为0)，通过计算可知

$$R_1 = R_1 \times \frac{R_3}{R_2}+R_1 \times \frac{r}{R_2}-r $$

当R1=R2时,导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。如图3-2所示。

3. 四线式测量

当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引人明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降,通过计算得出电阻值。这种方式的测量方法，铂电阻的连线可以达到十几米，而不受分布式电阻的影响，如图3-3所示,采用同质等长导线。

=

本次实践中采用了三线制的PT100铂电阻传感器。

如图3-4所示，PT100铂电阻传感器有三根引线，可用A、B、C（对应黑、红、黄）来代表三根线。

三根线之间有如下规律：A与B或C之间的阻值常温下在110Ω左右，B与C之间为0Ω，B与C在内部是直通的，原则上B与C可视为同一接口。

3.1.3 预估信号输出情况

如图3-5所示，PT100的电阻值随着温度的升高而升高。常温下，PT100铂电阻的阻值为100Ω，另外三个桥臂阻值常采用100Ω的标准电阻，因此有：

$$u_0 - = \frac{5}{2} = 2.5V; u_o + = \frac{110}{210} \times 5 = 2.619V; u_o = u_o + - u_o - = 119mV$$

因此在大多数的应用场景下，该接口电路的输出电压范围为0 ~ 500mV，从而差动放大电路放大倍数取5 ~ 10倍，此处没有高温环境，因此取放大10倍即可。

3.2 设计方案与实物搭建

按照前文提及并验证后的设计原理，将PT100铂电阻接入电桥电路的一个桥臂，详细接法见图3-6。铂电阻引线A接恒压源的负极输出，引线B接桥臂一端，引线C接桥臂另一端。此处由于没有插孔，故只能采用绕线式接法。此接法（三线式）的优点已于前文提及。

由于提供的标准电阻没有$110Ω$的，故取$R1=R2=R3=100Ω$，此时在常温下铂电阻传感器有最小的信号输出。

图3-7展示了该接口电路在不同温度下的Multisim仿真情况，与前文中对预估信号的计算一致。

图3-7 PT100接口电路Multisim仿真

实物连接图如图3-8所示。

图中需要接入面包板的接口均采用导线绕线的方式完成连接，不同引线的连接口信息已在图中用红字标注出来。

图3-9展示了传感器连线与稳压源连线的示意图，并旋转旋钮调整至输出电压为5.0V。

图3-10展示了电路板的设计实物图。其中，中间两块$30\times 5$的孔阵每一行是导通的，可视作一个点；两边两块$2\times 25$的孔阵每一列是导通的，可视作一个点。电桥上三个标准电阻从上至下分别为R1、R2、R3，Pt100有1-a和10-a两个孔接入B和C。信号输出端两端口分别为1-e和7-e，通向后级差分放大电路。

如图3-11所示，将图2-7-10的接口与稳压源与后级电路连接后，接口电路的设计基本完成。其中，特别需要注意，要将整个电路板上的接地处接入统一的公共接地端，如孔10-d连接到右电路板中的“-”列中，并将该列接入稳压源的负极输出端。

3.3 电路调试

1. 电路连接

按照接口电路原理图2-7-6，连接相应器件于导线，连接好的电路板如图3-10，带信号输入的电路板如图3-11所示。

2. 连接信号源后的现象

如图3-12所示，将万用表调节到200mV挡位，红表笔连接万用表上“VΩ”端，黑表笔连接“COM”端。红色笔头和黑色笔头分别插入常温下$Uo+$和$Uo-$两个信号输出端口。示数稳定后大约波动在175mV左右。实验过程中，不同的万用表测量获得的电压值有所区别，因此该测量结果可能会存在一定的误差。

3. 温度变化后的现象

将PT100插入到盛有热水的水杯中，观察万用表200mV下的变化。

可以观察到，随时间增加，电压表示数以大约每2s增加1mV的速率增加。过程中对万用表示数变化的记录如图3-13所示。

3.4 出现问题与解决办法

1. 电阻误差导致输出信号误差

与理论计算输出相比，电阻存在一定误差，从图2-7-14中可以看出，用电阻档“2K”测量标准100Ω电阻仅测得88Ω。不同电阻的不同误差导致在常温下电压理论输出119mV变为175mV，属于合理的情况。

解决办法：使用精度更高的温度计对不同电压输出值进行标定，但同样可能会因为电阻通电后温度升高阻值改变造成，从而又会产生误差。故换用精度更高、热稳定性更好的电阻可能会是更好的解决方案。

2. 稳压源输出误差

如图2-7-15所示，稳压电源的输出显示面板上显示为“5.0V”，显示到小数点后一位，再对输出引脚进行电压测量，可以发现电压表的示数为“5.07V”，显示到小数点后两位，这样的情况会造成小数点后两位上存在一定的误差。

另外，在实验过程中，还有另外一台稳压源机器，输出设置为“5.0V”，但测量输出结果仅有“4.3V”，因此误差达到了0.7V，并且随时间变化，误差还会发生变化，这也会对传感器的输出信号产生影响。

解决办法：换用稳定精度高的稳压电源；将标准5V信号接入电桥电路前先用万用表对输出信号进行测量，待其稳定到5.00V的时候，再接入电路。

3. 600℃极限输出没法进行信号测量

在实验过程中，由于实验室没有高温加热炉对PT100进行升温，只能采用沸水对电路进行变温测试。因此很难对＞100℃情况下的电桥输出信号进行测量。

解决办法：使用高温加热炉进行加热。

4. 信号输出不稳定

实验过程中，出现了信号不稳定甚至丢失的情况，在对众多原因进行排查后，我对所有导线进行了重新绕线，保证其紧密接触，从而解决了信号输出丢失和不稳定的问题。

3.5 个人分工任务完成情况

对于我负责的电路接口电路部分，我以较高的完成度实现了所有预先要求的步骤，包括：电路原理的解释，电路仿真情况，电路的实物搭建，电路的调试工作。

电路原理上设计合理，采用了工程常用的三线式设计，减小了导线误差对电路输出结果的影响。原理上还对预期获得的输出信号进行了理论计算，并因此给出了后级差分放大电路的设计要求。电路仿真中给出的仿真结果与前期理论设计中的计算结果完美契合，验证了设计的合理性。实物搭建合理，电路板元件放置位置合理清晰，并在报告中对接口功能进行了标注。最终的电路调试工作在误差允许范围内验证了电路设计的正确性，整个过程完成情况良好，并且耗时较短。

4 电路联调

4.1 整体联调过程

图2-8-1展示了整体联调电路的实物图。

各个电路模块的名称已经在图中进行标注。电路的联调最终没能完成四个模块的信号流通，但我完成了与差分放大电路的联调工作，具体完成情况如下所述。

图2-8-2展示了与差分放大电路的联调电路。

该电路差分电路输出信号测量点为a-4。分别测量接口电路输出信号与差分放大电路输出信号，理论上应该放大10倍。

测量结果如图2-8-3所示。

图4-3 测量结果

从图中可以观察到：PT100接口电路输出电压为0.25V，经差分放大电路后输出信号电压值达到2.43V，$放大倍数 = \frac{2.43}{0.25} = 9.72$，与预期设计的10倍基本匹配。考虑到电路中的各类误差，可以认为设计成功，并且联调成功。

4.2 联调中出现的问题与解决办法

4.2.1 信号输出值不正确

实验过程中，出现了电压值差值太多，如已经在接口电路输出点达到几伏的电压量级。经过问题排查后，通过统一接入系统地线的方法解决了该问题。从图2-8-2中可以看出，统一地线从左往右第三列蓝线的顶端接入，每个模块电路板中都将地接入到蓝线的一列中。

4.2.2信号输出不稳定

实验过程中，某些时刻会出现信号输出不稳定的情况。经过问题排查，发现是因为联调过程中线变多，特别是没有绝缘包层的裸露导线。当某些线互相触碰时，会发生短接，导致信号输出异常。

解决办法为重新选用长度恰好合适的导线，并且将电路板周边的线材有序摆放。

4.2.3 滤波单独可调，联调失败

至今未找到原因。整体联调也调至此部分。主要对发生故障的原因做一下猜测：

1. 芯片发生问题。但在调试过程中已经更换过芯片，但问题仍未解决；

2. 部分导线导通问题。但在调试过程中，我们也利用了万用表的导通档进行了导通测试，并未发现断路情况；

3. 由于布线交错，特别是垂直交错，可能出现电磁干扰的情况，解决办法是重新布线，避免交错与直角走线。

4.3系统总体完成情况

各个模块单独调通，PT100接口电路与差分放大电路的联调成功。