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常見問題解答：如何在SPICE中構(gòu)建鉑RTD傳感器模型

本文作者：Michael Jackson 點擊： 2023-09-18 11:25

前言：

簡介/概述

KWIK（技術(shù)訣竅與綜合知識）電路應(yīng)用筆記提供應(yīng)對特定設(shè)計挑戰(zhàn)的分步指南。對于給定的一組應(yīng)用電路要求，本文說明了如何利用通用公式應(yīng)對這些要求，并使它們輕松擴展到其他類似的應(yīng)用規(guī)格。該傳感器模型支持對電阻溫度檢測器(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(zhuǎn)化為電阻）物理行為特性的參數(shù)。它還提供了一個典型的激勵和信號調(diào)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，可用于進行精密溫度測量，精度可達0.1°C以下。RTD通常由一段纏繞在陶瓷或玻璃芯周圍的導(dǎo)線構(gòu)成，但也可以由鍍在襯底上的厚膜電阻構(gòu)成。使用的電阻絲通常是鉑，但也可以是鎳或銅。PT100是一種常見的RTD，由鉑制成，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(guān)系由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。

對于T < 0：

對于T > 0：

Callendar-Van Dusen方程中的系數(shù)由IEC-60751標準定義。R0是RTD在0°C時的電阻。對于PT100 RTD，R0為100 Ω。對于IEC 60751標準PT100 RTD，系數(shù)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(shè)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，并將信號調(diào)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(yīng)進行仿真。該模型假設(shè)RTD電阻隨溫度而變化。僅對標稱傳感器規(guī)格進行建模。T1是模型使用的參數(shù)，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(shè)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于共模、差分、滿量程和精度仿真的任意高輸入阻抗信號調(diào)理電路。

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

設(shè)計步驟

1.運行SPICE仿真（使用掃描參數(shù)），確認RTD輸出電壓與給定溫度的預(yù)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(diào)理電路以模擬完整應(yīng)用。

設(shè)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(jié)果與理想結(jié)果

溫度(℃)	RTD輸出電壓(mV)	溫度(℃)
-200	18.520080	18.520080
0	100.000000	100.000000
850	390.481125	390.481125

圖2.顯示RTD模型和仿真參數(shù)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(guān)系圖

傳感器模型的典型應(yīng)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(yīng)在AD8538運算放大器的直流共模范圍內(nèi)，當將其作用于高精度(0.1%) 3.01kΩ電阻時，產(chǎn)生大約1mA的RTD激勵電流。AD8538設(shè)置的高環(huán)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電容用于EMI和RFI濾波，2.2nF電容用于確保環(huán)路穩(wěn)定性。RTD輸出電壓由AD8422儀表放大器進行調(diào)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(shè)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的輸入范圍內(nèi)。AD8422輸入端的電阻和電容的作用是在實際應(yīng)用中對注入線纜的噪聲進行差分和共模濾波。用于增益和濾波的電阻和電容值根據(jù)AD8422的數(shù)據(jù)手冊進行選擇。圖5顯示了應(yīng)用電路的仿真輸出電壓與溫度的關(guān)系圖。雖然此應(yīng)用電路使用2線RTD模型，但它可以輕松調(diào)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(nèi)，這樣節(jié)點標簽不會沖突（SPICE仿真工具不支持兩個不同節(jié)點名稱指示相同節(jié)點）。0V電壓源對仿真結(jié)果沒有影響（表現(xiàn)為短路），而且有助于使RTD模型更好地模擬RTD傳感器在實際應(yīng)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(diào)整，只需將原理圖中的R0值設(shè)置為所需RTD的相應(yīng)值（0°C時的電阻）即可。表2顯示，在整個溫度范圍內(nèi)，RTD電壓都位于AD8422線性運行所需的輸入范圍內(nèi)，并且應(yīng)用電路的總輸出電壓位于使用4.096V基準電壓的ADC的輸入范圍內(nèi)。請注意，LT1461可用于提供此基準電壓，但出于簡化原理圖的原因，圖中未將其包括在內(nèi)。

表2.仿真結(jié)果與理想結(jié)果

RTD溫度，T1 (°C)	V (rtd+, rtd-) (mV)	Vout (V)
-200	18.520080	0.186543
0	100.000000	1.007521
850	390.481125	3.934359

圖4.顯示激勵和信號調(diào)理電路的PT100 2線RTD應(yīng)用電路

圖5. 2線RTD應(yīng)用電路的仿真輸出電壓與溫度的關(guān)系圖

圖6.調(diào)整2線RTD模型以適應(yīng)3線和4線RTD應(yīng)用

設(shè)計器件

表3.串聯(lián)基準電壓源

產(chǎn)品型號

(V)典型值

初始精度(%)最大值

溫度系數(shù)
(ppm/V)最大值

(Vp-p)典型值

Iout拉電流
(A)最大值

(V)最小值/最大值

LT1461ACS8-4

4.096

0.04

32u

50m

4.06/20

表4.儀表放大器

產(chǎn)品型號	(V)最大值	(A)最大值	(V/V) 最小值/最大值	帶寬低增益 (Hz)典型值	(V/rt-Hz)典型值	Vs范圍 (V)最小值/最大值
AD8422	60u	1n	1/1000	2.2M	8n	4.6/36

表5.運算放大器（根據(jù)需要用于基準電壓源和DAC輸出緩沖器）

產(chǎn)品型號	Vos (V)最大值	Ibias (A)最大值	GBP (Hz)典型值	Vnoise (V/rt-Hz)典型值	Iq/放大器 (A)典型值	Vs范圍 (V)最小值/最大值
AD8538	13u	25p	430k	50n	180u	2.7/5.0

參考資料

“傳感器信號調(diào)理實用設(shè)計技術(shù)”

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

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

儀表放大器鉆石圖工具

鉆石圖工具是一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，可生成特定配置的輸出電壓范圍與輸入共模電壓關(guān)系圖，也被稱為鉆石圖，適用于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(guān)穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)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(shù)與平臺部線性產(chǎn)品小組高級應(yīng)用工程師

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

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