如何在SPICE中構建鉑RTD傳感器模型

KWIK（技術(shù)訣竅與綜合知識）電路應用筆記提供應對特定設計挑戰的分步指南。對于給定的一組應用電路要求，本文說(shuō)明了如何利用通用公式應對這些要求，并使它們輕松擴展到其他類(lèi)似的應用規格。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(jìn)行SPICE仿真。SPICE模型使用了描述RTD（其將溫度轉化為電阻）物理行為特性的參數。它還提供了一個(gè)典型的激勵和信號調理電路，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(jìn)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?chē)膶Ь€(xiàn)構成，但也可以由鍍在襯底上的厚膜電阻構成。使用的電阻絲通常是鉑，但也可以是鎳或銅。PT100是一種常見(jiàn)的RTD，由鉑制成，在0°C時(shí)電阻為100 Ω。另外還有在0°C時(shí)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(lái)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方程中的系數由IEC-60751標準定義。R0是RTD在0°C時(shí)的電阻。對于PT100 RTD，R0為100 Ω。對于IEC 60751標準PT100 RTD，系數為：

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

設計描述

此RTD模型（圖2）使用LTSPICE進(jìn)行仿真，但也與PSPICE兼容。利用該模型，用戶(hù)可以模擬參考激勵電流的傳感器負載，并將信號調理電路連接到RTD。這樣就可以對所有共模、差分和源阻抗效應進(jìn)行仿真。該模型假設RTD電阻隨溫度而變化。僅對標稱(chēng)傳感器規格進(jìn)行建模。T1是模型使用的參數，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(huì )影響電路中其他元器件的性能。

設計技巧/注意事項

1.使用一個(gè)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(lái)測量。

2.將RTD傳感器輸出連接到用于共模、差分、滿(mǎn)量程和精度仿真的任意高輸入阻抗信號調理電路。

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

設計步驟

1.運行SPICE仿真（使用掃描參數），確認RTD輸出電壓與給定溫度的預期輸出一致。請注意，Vrtd = (Vrtd+) – (Vrtd-)

2.將傳感器模型連接到激勵電流和信號調理電路以模擬完整應用。

設計仿真

仿真使用1mA激勵電流進(jìn)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.仿真結果與理想結果

圖2.顯示RTD模型和仿真參數的原理圖

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用電路如圖4所示。Vc由對4.096V基準電壓進(jìn)行分壓而生成，所選的Vc值應在A(yíng)D8538運算放大器的直流共模范圍內，當將其作用于高精度(0.1%) 3.01kΩ電阻時(shí)，產(chǎn)生大約1mA的RTD激勵電流。AD8538設置的高環(huán)路增益迫使通過(guò)RTD模型的激勵電流為：

兩個(gè)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)路穩定性。RTD輸出電壓由AD8422儀表放大器進(jìn)行調理，在該儀表放大器的RG端子之間放置一個(gè)2.21kΩ電阻，以將其增益設置為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。AD8422輸入端的電阻和電容的作用是在實(shí)際應用中對注入線(xiàn)纜的噪聲進(jìn)行差分和共模濾波。用于增益和濾波的電阻和電容值根據AD8422的數據手冊進(jìn)行選擇。圖5顯示了應用電路的仿真輸出電壓與溫度的關(guān)系圖。雖然此應用電路使用2線(xiàn)RTD模型，但它可以輕松調整為3線(xiàn)或4線(xiàn)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，這樣節點(diǎn)標簽不會(huì )沖突（SPICE仿真工具不支持兩個(gè)不同節點(diǎn)名稱(chēng)指示相同節點(diǎn)）。0V電壓源對仿真結果沒(méi)有影響（表現為短路），而且有助于使RTD模型更好地模擬RTD傳感器在實(shí)際應用中的物理接線(xiàn)方式。同樣，這些模型可針對PT200、PT500、PT1000和PT2000 RTD進(jìn)行調整，只需將原理圖中的R0值設置為所需RTD的相應值（0°C時(shí)的電阻）即可。表2顯示，在整個(gè)溫度范圍內，RTD電壓都位于A(yíng)D8422線(xiàn)性運行所需的輸入范圍內，并且應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。請注意，LT1461可用于提供此基準電壓，但出于簡(jiǎn)化原理圖的原因，圖中未將其包括在內。

表2.仿真結果與理想結果

圖4.顯示激勵和信號調理電路的PT100 2線(xiàn)RTD應用電路

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

圖6.調整2線(xiàn)RTD模型以適應3線(xiàn)和4線(xiàn)RTD應用

設計器件

表3.串聯(lián)基準電壓源

表4.儀表放大器

表5.運算放大器（根據需要用于基準電壓源和DAC輸出緩沖器）

參考資料

“傳感器信號調理實(shí)用設計技術(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(gè)網(wǎng)絡(luò )應用程序，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(chēng)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(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)穩壓器、線(xiàn)性穩壓器和信號鏈電路的仿真。

致謝

ADI公司主要顧問(wèn)：

Tim Green，精密技術(shù)與平臺部線(xiàn)性產(chǎn)品小組高級應用工程師

關(guān)于A(yíng)DI公司

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