記錄一次硬件設(shè)計(jì)：PT100采樣電路的誕生
[導(dǎo)讀]出品?21ic論壇?DVzhang網(wǎng)站：bbs.21ic.com本來不論P(yáng)T100還是PT1000，他們的采樣電路網(wǎng)上都很多，而且之前直接用的是現(xiàn)成的MAX31865方案，奈何領(lǐng)導(dǎo)說太貴，用集成運(yùn)放搭吧！領(lǐng)導(dǎo)動(dòng)動(dòng)嘴，屬下跑斷腿！于是各方論壇度娘！終于整了個(gè)有希望的方案，僅以此文記...
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本來不論PT100還是PT1000，他們的采樣電路網(wǎng)上都很多，而且之前直接用的是現(xiàn)成的MAX31865方案，奈何領(lǐng)導(dǎo)說太貴，用集成運(yùn)放搭吧！
領(lǐng)導(dǎo)動(dòng)動(dòng)嘴，屬下跑斷腿！于是各方論壇 度娘！終于整了個(gè)有希望的方案，僅以此文記述這段硬件方案設(shè)計(jì)的經(jīng)歷！
本來想等PCB打板測(cè)試后再發(fā)出來的，可是后來想想應(yīng)該先發(fā)出來給論壇的大神們看看，到時(shí)候哪里要是有問題還可以及時(shí)修改，畢竟打板費(fèi)再少也是肉啊！所以如果方案有問題，拜托各位大佬指正下！
一、目標(biāo)背景和難點(diǎn)
本次采用的為三線制的PT100，因?yàn)橄訔壴械募刹蓸域?qū)動(dòng)芯片貴，這一這次的方案是全部用集成運(yùn)放來做，然后直接給MCU，哪怕是ADC采樣芯片也不允許出現(xiàn)，不過好在精度不高，溫度在1度就可以！
在分析下輸入輸出范圍：
（1）MCU的常規(guī)采樣精度 3300mV/4096=0.8mV；
（2）PT100溫度變化一度，阻值變化約0.38Ω；
因此有以下幾個(gè)難點(diǎn)
（1）阻值變化較小，則對(duì)溫度或者電壓波動(dòng)比較敏感；
（2）PT100的共性問題，線阻的影響；
（3）阻值變化較小，則前級(jí)電壓變化較小，容易有雜波信號(hào)干擾；
（4）阻值變化較小，即電壓變化小，且不可提供較大的電流，否則會(huì)給DCDC或LDO造成較大的壓力，且后期的低功耗也沒法處理，這樣的話MCU采樣難度增大；
二、大概方案
針對(duì)以上難點(diǎn)，在網(wǎng)上也查了不少方案；主流的就是恒流源 濾波電路，所以決定也采用這種電路；原因很簡(jiǎn)單：1、大家都說好，才是真的好；2、畢竟資料豐富容易找，后面出了問題，也知道從哪里查起！雖然主流框架確定了，但是很多細(xì)節(jié)還是值得琢磨的，這個(gè)后面說，先說方案！?
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如上圖：
（1）U38A和U38B構(gòu)成的是1mA的恒流源電路，使PT100的變化更加的線性化！其輸入端采用電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生2.5V的電壓，輸出電流的大小取決于R62，即I=2.5/R62；
（2）U49A作為PT100采樣信號(hào)的輸入級(jí)！PS：這個(gè)電路是網(wǎng)上查到的，說是能消除PT100的線阻影響，具體原理還沒整明白，只是先拿來用；
（3）U49B是一個(gè)二階的濾波電路，截止頻率在20Hz以下；
（4）U58A就是一個(gè)同相的比例運(yùn)放，作為輸出放大，將濾波后的信號(hào)放大11倍給MCU；
三、細(xì)節(jié)處理，盡量避坑
關(guān)于運(yùn)放，一般簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)景下，一旦運(yùn)放型號(hào)選定了，需要注意的其實(shí)就是那么幾點(diǎn)。其中主要的大概就是阻容的配比了，這個(gè)計(jì)算太復(fù)雜了。PS：除了知道虛短虛斷其他的都不清楚
不過好在有multisim，一個(gè)大概的方案框架確定了，接下來就是將電路搬到multisim中仿真就是了！包括上圖中元器件的參數(shù)都是仿真之后調(diào)整過的，而且最開始連輸出的那個(gè)比例運(yùn)放都沒有，但是仿真過程中發(fā)現(xiàn)有問題！前兩天針對(duì)這個(gè)問題還發(fā)過帖子，還好有大神 KING5555的指導(dǎo)！廢話少說，上圖：?
如圖對(duì)整個(gè)采樣電路進(jìn)行仿真，其中探針1的參數(shù)可以看到，直流電流是恒定的1mA，雖然有些交流的信號(hào)成分在里面，但是幅值太低對(duì)輸出沒啥太大的影響。
R7模擬PT100，R13，R14，R15模擬線阻，雖然有點(diǎn)大了！
U1A組成二階低通濾波電路，本來開始想著直接修改濾波電路的增益，即R10和R11的比值的，但是修改后發(fā)現(xiàn)探針1上的交流信號(hào)幅值很大，嚴(yán)重影響了后面的輸出，除非修改輸入濾波電容的值，但是修改后的截止頻率太高，達(dá)不到濾波效果！如下圖：
后來在論壇發(fā)帖經(jīng)KING大神的解釋，然后去網(wǎng)上搜了下，才知道由于這種正相的濾波器，增益本來就沒法設(shè)置過高，不然就會(huì)因?yàn)樽约ふ袷幱蔀V波器變?yōu)檎袷幤髁耍∷噪S后就開始考慮使用反向輸入的低通濾波框架！
本來確實(shí)是有效的，實(shí)現(xiàn)了增益和濾波并存，但是他也有自己的特點(diǎn)，比如說：因?yàn)槭欠聪噍斎耄敲摧敵鰬?yīng)該是負(fù)的，如果是軌到軌的運(yùn)放，那么我需要一個(gè)負(fù)電源，且給MCU之前還需要反相一下！光這一點(diǎn)就給他PASS掉了！
所以最終決定還是用正相輸入的濾波電路然后后面加個(gè)普通運(yùn)放做放大處理！剩下的就是看是否滿足使用場(chǎng)景需求了！
如圖，這三個(gè)圖分別為PT100，在100Ω，100.38Ω，138Ω三種阻值下對(duì)應(yīng)的輸出電壓，可以看出變化一度即0.38Ω時(shí)，ΔU=2.1933-2.1849=0.0084V，即8.4mV，換算成ADC的采樣精度，大概在10個(gè)單位，針對(duì)溫度一度的精度要求，給MCU所留余量基本足夠！而且溫度100度時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為 3.0196V，也沒有超出運(yùn)放的輸出和MCU的輸入閾值！?。?/span>
最后在看濾波電路的濾波效果！如下圖，截止頻率在10Hz左右，也滿足了目標(biāo)要求！?。?/span>
-------------------萬能分割線之動(dòng)動(dòng)嘴和跑斷腿-----------------
PS：正在畫板中，有不足的地方，各位大佬快來拍磚，多多益善，可以都預(yù)留上，總比后面實(shí)物做出來飛線來的清爽！??！
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本來不論PT100還是PT1000，他們的采樣電路網(wǎng)上都很多，而且之前直接用的是現(xiàn)成的MAX31865方案，奈何領(lǐng)導(dǎo)說太貴，用集成運(yùn)放搭吧！
領(lǐng)導(dǎo)動(dòng)動(dòng)嘴，屬下跑斷腿！于是各方論壇 度娘！終于整了個(gè)有希望的方案，僅以此文記述這段硬件方案設(shè)計(jì)的經(jīng)歷！
本來想等PCB打板測(cè)試后再發(fā)出來的，可是后來想想應(yīng)該先發(fā)出來給論壇的大神們看看，到時(shí)候哪里要是有問題還可以及時(shí)修改，畢竟打板費(fèi)再少也是肉啊！所以如果方案有問題，拜托各位大佬指正下！
一、目標(biāo)背景和難點(diǎn)
本次采用的為三線制的PT100，因?yàn)橄訔壴械募刹蓸域?qū)動(dòng)芯片貴，這一這次的方案是全部用集成運(yùn)放來做，然后直接給MCU，哪怕是ADC采樣芯片也不允許出現(xiàn)，不過好在精度不高，溫度在1度就可以！
在分析下輸入輸出范圍：
（1）MCU的常規(guī)采樣精度 3300mV/4096=0.8mV；
（2）PT100溫度變化一度，阻值變化約0.38Ω；
因此有以下幾個(gè)難點(diǎn)
（1）阻值變化較小，則對(duì)溫度或者電壓波動(dòng)比較敏感；
（2）PT100的共性問題，線阻的影響；
（3）阻值變化較小，則前級(jí)電壓變化較小，容易有雜波信號(hào)干擾；
（4）阻值變化較小，即電壓變化小，且不可提供較大的電流，否則會(huì)給DCDC或LDO造成較大的壓力，且后期的低功耗也沒法處理，這樣的話MCU采樣難度增大；
二、大概方案
針對(duì)以上難點(diǎn)，在網(wǎng)上也查了不少方案；主流的就是恒流源 濾波電路，所以決定也采用這種電路；原因很簡(jiǎn)單：1、大家都說好，才是真的好；2、畢竟資料豐富容易找，后面出了問題，也知道從哪里查起！雖然主流框架確定了，但是很多細(xì)節(jié)還是值得琢磨的，這個(gè)后面說，先說方案！?
?如上圖：
（1）U38A和U38B構(gòu)成的是1mA的恒流源電路，使PT100的變化更加的線性化！其輸入端采用電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生2.5V的電壓，輸出電流的大小取決于R62，即I=2.5/R62；
（2）U49A作為PT100采樣信號(hào)的輸入級(jí)！PS：這個(gè)電路是網(wǎng)上查到的，說是能消除PT100的線阻影響，具體原理還沒整明白，只是先拿來用；
（3）U49B是一個(gè)二階的濾波電路，截止頻率在20Hz以下；
（4）U58A就是一個(gè)同相的比例運(yùn)放，作為輸出放大，將濾波后的信號(hào)放大11倍給MCU；
三、細(xì)節(jié)處理，盡量避坑
關(guān)于運(yùn)放，一般簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)景下，一旦運(yùn)放型號(hào)選定了，需要注意的其實(shí)就是那么幾點(diǎn)。其中主要的大概就是阻容的配比了，這個(gè)計(jì)算太復(fù)雜了。PS：除了知道虛短虛斷其他的都不清楚
不過好在有multisim，一個(gè)大概的方案框架確定了，接下來就是將電路搬到multisim中仿真就是了！包括上圖中元器件的參數(shù)都是仿真之后調(diào)整過的，而且最開始連輸出的那個(gè)比例運(yùn)放都沒有，但是仿真過程中發(fā)現(xiàn)有問題！前兩天針對(duì)這個(gè)問題還發(fā)過帖子，還好有大神 KING5555的指導(dǎo)！廢話少說，上圖：?
如圖對(duì)整個(gè)采樣電路進(jìn)行仿真，其中探針1的參數(shù)可以看到，直流電流是恒定的1mA，雖然有些交流的信號(hào)成分在里面，但是幅值太低對(duì)輸出沒啥太大的影響。
R7模擬PT100，R13，R14，R15模擬線阻，雖然有點(diǎn)大了
！U1A組成二階低通濾波電路，本來開始想著直接修改濾波電路的增益，即R10和R11的比值的，但是修改后發(fā)現(xiàn)探針1上的交流信號(hào)幅值很大，嚴(yán)重影響了后面的輸出，除非修改輸入濾波電容的值，但是修改后的截止頻率太高，達(dá)不到濾波效果！如下圖：
后來在論壇發(fā)帖經(jīng)KING大神的解釋，然后去網(wǎng)上搜了下，才知道由于這種正相的濾波器，增益本來就沒法設(shè)置過高，不然就會(huì)因?yàn)樽约ふ袷幱蔀V波器變?yōu)檎袷幤髁耍∷噪S后就開始考慮使用反向輸入的低通濾波框架！
本來確實(shí)是有效的，實(shí)現(xiàn)了增益和濾波并存，但是他也有自己的特點(diǎn)，比如說：因?yàn)槭欠聪噍斎耄敲摧敵鰬?yīng)該是負(fù)的，如果是軌到軌的運(yùn)放，那么我需要一個(gè)負(fù)電源，且給MCU之前還需要反相一下！光這一點(diǎn)就給他PASS掉了！
所以最終決定還是用正相輸入的濾波電路然后后面加個(gè)普通運(yùn)放做放大處理！剩下的就是看是否滿足使用場(chǎng)景需求了！
如圖，這三個(gè)圖分別為PT100，在100Ω，100.38Ω，138Ω三種阻值下對(duì)應(yīng)的輸出電壓，可以看出變化一度即0.38Ω時(shí)，ΔU=2.1933-2.1849=0.0084V，即8.4mV，換算成ADC的采樣精度，大概在10個(gè)單位，針對(duì)溫度一度的精度要求，給MCU所留余量基本足夠！而且溫度100度時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為 3.0196V，也沒有超出運(yùn)放的輸出和MCU的輸入閾值！?。?/span>
最后在看濾波電路的濾波效果！如下圖，截止頻率在10Hz左右，也滿足了目標(biāo)要求！?。?/span>
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PS：正在畫板中，有不足的地方，各位大佬快來拍磚，多多益善，可以都預(yù)留上，總比后面實(shí)物做出來飛線來的清爽！??！
本文系21ic論壇網(wǎng)友DVzhang原創(chuàng)，資料下載請(qǐng)點(diǎn)擊“閱讀原文”。版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除。
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