常見問題解答：如何在SPICE中構建鉑RTD傳感器模型
2023-09-19 09:11:47 EETOPKWIK（技術訣竅與綜合知識）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線構成，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
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行仿真。該模型假設RTD電阻隨溫度而變化。僅對標稱傳感器規格進行建模。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，而不會影響電路中其他元器件的性能。
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理電路。
3.將SPICE參數步進(.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。
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。
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）。
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基準電壓進行分壓而生成，所選的Vc值應在AD8538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，產生大約1mA的RTD激勵電流。AD8538設置的高環路增益迫使通過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電容用于確保環路穩定性。RTD輸出電壓由AD8422儀表放大器進行調理，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際應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AD8422的數據手冊進行選擇。圖5顯示了應用電路的仿真輸出電壓與溫度的關系圖。雖然此應用電路使用2線RTD模型，但它可以輕松調整為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，這樣節點標簽不會沖突（SPICE仿真工具不支持兩個不同節點名稱指示相同節點）。0V電壓源對仿真結果沒有影響（表現為短路），而且有助于使RTD模型更好地模擬RTD傳感器在實際應用中的物理接線方式。同樣，這些模型可針對PT200、PT500、PT1000和PT2000 RTD進行調整，只需將原理圖中的R0值設置為所需RTD的相應值（0°C時的電阻）即可。表2顯示，在整個溫度范圍內，RTD電壓都位于AD8422線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，但出于簡化原理圖的原因，圖中未將其包括在內。
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.顯示激勵和信號調理電路的PT100 2線RTD應用電路
圖5. 2線RTD應用電路的仿真輸出電壓與溫度的關系圖
圖6.調整2線RTD模型以適應3線和4線RTD應用
(V)典型值 | 初始精度(%)最大值 | 溫度系數 | (Vp-p)典型值 | Iout拉電流 | (V)最小值/最大值 | |
LT1461ACS8-4 | 4.096 | 0.04 | 3 | 32u 32u | 50m 50m | 4.06/20 |
產品型號 | (V)最大值 | (A)最大值 | (V/V) | 帶寬低增益 | (V/rt-Hz)典型值 | Vs范圍 |
AD8422 | 60u | 1n | 1/1000 | 2.2M | 8n | 4.6/36 |
產品型號 | Vos | Ibias | GBP | Vnoise | Iq/放大器 | Vs范圍 |
AD8538 | 13u | 25p | 430k | 50n | 180u | 2.7/5.0 |
“傳感器信號調理實用設計技術”
由Walt Kester編輯，ADI公司，1999年，ISBN-0-916550-20-6。
Education-library/practical-design-techniques-sensor- signal-conditioning.html
鉆石圖工具是一個網絡應用程序，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，簡化了開關穩壓器、線性穩壓器和信號鏈電路的仿真。
ADI公司主要顧問：
Tim Green，精密技術與平臺部線性產品小組高級應用工程師
