铂电阻数字温度计课程设计报告
专业班级：学生学号：学生姓名：指导教师：设计时间：
测控技术与仪器063班 106034070 张利辉 潘文诚 2009年5月
一、设计任务与要求
1．铂电阻线性电路的设计； 2．消除引线影响；
3．ICL7107显示数控电路的应用； 4. MATLAB和PROTEUS仿真；
5. 设计一个量程为0-300℃，分辨率为1℃的铂电阻数字温度计；
二、电路原理分析与方案设计
利用铂电阻温度传感器、随温度变化信号的线性化技术、消除引线电阻的影响并使用ICL7107显示电路制作一个量程为0～300℃，分辨率为1℃的铂电阻数字式温度计。
电路原理图如下：
三、单元电路分析与设计
1. 铂电阻PT100温度传感器
导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：(1)电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料
的复现性和工艺性好，价格低；（4）在测量范围内物理和化学性质稳定，目前，在工业中应用最广的材料是铂和铜。
铂电阻与温度之间的关系，在0～630.74℃范围内可用下式表示： RT=R0(1+A*T+B*T^2) 在-200～0℃的温度范围内为
RT=R0[(1+A*T+B*T^2+C*(T-100℃)T^3)]
式中：R0和RT分别为在0℃和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，有实验确定，
R0=100Ω,A=3.90802e-3℃^-1，
B=-5.80195e-7^-2,C=-4.27350e-12℃^-4。铂电阻广泛应用于-200～850℃范围内的温度测量，工业中通常在600℃以下。
铂电阻随温度变化曲线：
二、线性化技术 1．原理及线路 ①
（假设理想放大）
V∑=(R0*VR)/(R0+R1) (VR-V∑)/R1=-(VA-V∑)/RT
VA=-RT*(VR-V∑)/R1+V∑=-(RT*VR)/R1+(R0+R1)*V∑/R1
=-(RT*VR)/R1+((RT+R1)*R0*VR)/(R1*(R0+R1))
=(-RT*R0-RT*R1+RT*R0+R0*R1)*VR/(R1*(R0+R1)) =(-RT+R0)*VR/(R0+R1)
②
V∑=(VR-KA)*R0/(R0+R1)+KA=.....=-(VA-V∑)/RT
VA=-RT*(VR-V∑)/R1+V∑=(R0-RT)*VR/(R0+R1-K(R1+RT))----------------
令R0=R2+R3*R4/(R3+R4) 校正系数K=R3/(R3+R4)
③
VA=(R0-RT)*VR/(R0+R1-K(R1+RT))
=(R2+R3∥R4-RT)/(R2+(R3∥R4)+R1-R3*(RT+R1)/(R3+R4))-------- 线性化电路如上图所示。图中VR是参考电压源，RT是铂热电阻温度传感器，电路的输出电压VA与VT的关系如式，当RT=R0时，VT=0；参考源VR采用负值时，VT随RT的增加而增加。在式中选择适当的校正系数K，可改善温度与铂热电阻值之间的二次非线性关系。 2. K的求法
K值采用三点零误差法求取，首先把测温区分为三等分,所得三个温度点有低
至高TL、TM、TH,相对应的铂电阻阻值RT分别为RL、RM、RH。线性化电路的输出分别为VA(L)、VA(M)、VA(H)。 由于TH-TM=TM-TL-------------
故有相对应的线性化电路三点输出值也需在同一条直线上（即非线性误差为零）。 即 VA(H)-VA(M)=VA(M)-VA(L)---------
2*VA(M)=VA(H)+VA(L)------------- 将线性化电路的输出表达式VA(RT,K)代入上式得 2*VR(R0-RM)/(R0+R1-K(R1+RM))
=VR*(R0-RH)/(R0+R1-K(R1+RH))+VR*(R0-RL)/(R0+R1-K(R1+RL)) 约去VR，求得K.
K=(R0+R1)*(2*RM-RH-RL)/(RM*RL+RM*RH-2*RL*RH+R1*(2*RM-RH-RL))---- 经校正后的电压-温度曲线VT=f（T）的形状如右下图仿真所示，其最大误差发生在量程的约20%处，最大正误差发生在量程的约80%处。在量程的起点TL、中点TM、终点TH的误差均为零。在600℃量程范围内，最大误差的理论计算值小于0.05%。
三、引线电阻消除技术
铂热电阻是以其电阻变化来反映温度变化的，如从传感器连接到仪表的引线过长，引线电阻将带来测量误差。消除引线电阻的影响的电路如下图所示。
铂热电阻RT采用三线接法，图中，RL是等效的引线电阻，电路的分析如下式： V1=(2*RL+RT)*Vi/R1------------
VL=(RL+RT)*V1/(2*RL+RT)=(RL+RT)*Vi/R1------- (V0-VL)/R=(VL-V1)/R---------- V0=-V1+2*VL---------
将式、代入式，得 V0=-RT*Vi/R1
式表明，在理想情况下，引线电阻RL的影响已被完全消除。实际的情况则要考虑电阻的容差和右侧运放的失调影响。
消除引线电阻影响的铂电阻线性化电路如下图所示。采用误差为1%的金属膜电阻和通用型运放，输出VT经模拟开关接3 1/2位模数转换器ICL7107，其最大误差如下表所示：
四、ICL7107显示数控电路的应用
ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
LM324引脚图资料与电路应用：
LM324引脚图资料与电路应用 LM324资料： LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo
的信号与该输入端的相
位相同。 LM324引脚排列见图1。2。 lm124、lm224和lm324引脚功能及内部电路完全一致。lm124是军品；lm224为工业品；而lm324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用在各种电路中
。
《lm324管脚图》
原理图》
《lm324
《lm324工作电压》
四、安装与调试
1．调试过程描述（一般分静态调试与动态调试两大内容）
根据电路原理和相关电路图选择好各元器件并焊接好整块电路板后，连接电源，通过电阻箱，进行整机调试。
首先进行静态调试，由先前做好的±5V直流稳定电压源对整机上电。 、调A/D转换器基准电压：调节电位器W3，并用万用表200mv档测量ICL7107的36脚（VREF HI）、35脚（VREF LO）基准电压,使得其基准电压为VREF=100mv。、调温度计零位（RT=R0）：再把电阻箱打到100Ω档，调节电位器W1，使得数码管显示值为00.0。
其次进行动态调试，将电阻箱调到212.02Ω，即对应温度为300℃，调节电位器W2，使得数码管显示值为300；随后分别在0～300℃范围内所对应的电阻值100Ω～212.02Ω之间选取适当数值（例如： 114.8Ω、138.50Ω、165.87Ω、175.47Ω等）进行调试，对照PT100铂热电阻分度表观察显示温度值与电阻值是否相对应，如对应一致，则调试成功，否则要检查相应电路找出毛病并修改后继续进行调试至成功。
2、仿真结果与实测数据进行对照：
五、 结论与心得
本次课程设计在前期原理分析与仿真过程遇到很多的问题，花费了较多时间在不断地摸索中寻找到了答案，例如，由（TL、VL）、（TM、VM）、（TH、VH）三点求得直线时斜率计算精确度不够导致曲线不够准确，因为取点位数一定时，三点当精确到0.0001之后有稍偏离同一直线的倾向，所以按（TL、VL）、（TH、VH）两点计算可得出较为准确的结果，即使（TM、VM）只是左右偏离，也会在同一水平线上。
在焊接过程中，器件选择时由于实验室电阻盒子上标称值不太清楚，开始焊接前也未用万用表重新量过，导致误把4.7K当作47K电阻来用，随后其余的均通过万用表测量进行选择，焊接过程较快。
之后进行整机调试，基准电压和零位调整较快，在调温度测量选择时，0℃调节好后，300℃数码管显示正常，但是在中间点150℃的时候的误差值较大。开始时以为分压电阻选错，进行了调节并更换了电阻和电位器，还是不成功；后来通过仿真，发现理论电路计算无错误出现，拿万用表测VT端电压，显示也正确；之后确定送显示部分有问题存在，电路中粗测了各选择电容和电阻器件，也都没有错误，估计原因是电路中存在的误差。
在整个课程设计过程中，从每一个细节入手，一点点积累，一步步理解攻破，从中既将学到的知识应用到了具体实践当中，又增加了自己的实践操作和查错排错能力。得出一个道理：努力的过程需要坚持，缺少每一步都不可能将目标完整的实现；实践的过程需要细心，只有细致效率才更高，才能将每个步骤完美的完成。
铂电阻数字温度计课程设计报告
专业班级：学生学号：学生姓名：指导教师：设计时间：
测控技术与仪器063班 106034070 张利辉 潘文诚 2009年5月
一、设计任务与要求
1．铂电阻线性电路的设计； 2．消除引线影响；
3．ICL7107显示数控电路的应用； 4. MATLAB和PROTEUS仿真；
5. 设计一个量程为0-300℃，分辨率为1℃的铂电阻数字温度计；
二、电路原理分析与方案设计
利用铂电阻温度传感器、随温度变化信号的线性化技术、消除引线电阻的影响并使用ICL7107显示电路制作一个量程为0～300℃，分辨率为1℃的铂电阻数字式温度计。
电路原理图如下：
三、单元电路分析与设计
1. 铂电阻PT100温度传感器
导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：(1)电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料
的复现性和工艺性好，价格低；（4）在测量范围内物理和化学性质稳定，目前，在工业中应用最广的材料是铂和铜。
铂电阻与温度之间的关系，在0～630.74℃范围内可用下式表示： RT=R0(1+A*T+B*T^2) 在-200～0℃的温度范围内为
RT=R0[(1+A*T+B*T^2+C*(T-100℃)T^3)]
式中：R0和RT分别为在0℃和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，有实验确定，
R0=100Ω,A=3.90802e-3℃^-1，
B=-5.80195e-7^-2,C=-4.27350e-12℃^-4。铂电阻广泛应用于-200～850℃范围内的温度测量，工业中通常在600℃以下。
铂电阻随温度变化曲线：
二、线性化技术 1．原理及线路 ①
（假设理想放大）
V∑=(R0*VR)/(R0+R1) (VR-V∑)/R1=-(VA-V∑)/RT
VA=-RT*(VR-V∑)/R1+V∑=-(RT*VR)/R1+(R0+R1)*V∑/R1
=-(RT*VR)/R1+((RT+R1)*R0*VR)/(R1*(R0+R1))
=(-RT*R0-RT*R1+RT*R0+R0*R1)*VR/(R1*(R0+R1)) =(-RT+R0)*VR/(R0+R1)
②
V∑=(VR-KA)*R0/(R0+R1)+KA=.....=-(VA-V∑)/RT
VA=-RT*(VR-V∑)/R1+V∑=(R0-RT)*VR/(R0+R1-K(R1+RT))----------------
令R0=R2+R3*R4/(R3+R4) 校正系数K=R3/(R3+R4)
③
VA=(R0-RT)*VR/(R0+R1-K(R1+RT))
=(R2+R3∥R4-RT)/(R2+(R3∥R4)+R1-R3*(RT+R1)/(R3+R4))-------- 线性化电路如上图所示。图中VR是参考电压源，RT是铂热电阻温度传感器，电路的输出电压VA与VT的关系如式，当RT=R0时，VT=0；参考源VR采用负值时，VT随RT的增加而增加。在式中选择适当的校正系数K，可改善温度与铂热电阻值之间的二次非线性关系。 2. K的求法
K值采用三点零误差法求取，首先把测温区分为三等分,所得三个温度点有低
至高TL、TM、TH,相对应的铂电阻阻值RT分别为RL、RM、RH。线性化电路的输出分别为VA(L)、VA(M)、VA(H)。 由于TH-TM=TM-TL-------------
故有相对应的线性化电路三点输出值也需在同一条直线上（即非线性误差为零）。 即 VA(H)-VA(M)=VA(M)-VA(L)---------
2*VA(M)=VA(H)+VA(L)------------- 将线性化电路的输出表达式VA(RT,K)代入上式得 2*VR(R0-RM)/(R0+R1-K(R1+RM))
=VR*(R0-RH)/(R0+R1-K(R1+RH))+VR*(R0-RL)/(R0+R1-K(R1+RL)) 约去VR，求得K.
K=(R0+R1)*(2*RM-RH-RL)/(RM*RL+RM*RH-2*RL*RH+R1*(2*RM-RH-RL))---- 经校正后的电压-温度曲线VT=f（T）的形状如右下图仿真所示，其最大误差发生在量程的约20%处，最大正误差发生在量程的约80%处。在量程的起点TL、中点TM、终点TH的误差均为零。在600℃量程范围内，最大误差的理论计算值小于0.05%。
三、引线电阻消除技术
铂热电阻是以其电阻变化来反映温度变化的，如从传感器连接到仪表的引线过长，引线电阻将带来测量误差。消除引线电阻的影响的电路如下图所示。
铂热电阻RT采用三线接法，图中，RL是等效的引线电阻，电路的分析如下式： V1=(2*RL+RT)*Vi/R1------------
VL=(RL+RT)*V1/(2*RL+RT)=(RL+RT)*Vi/R1------- (V0-VL)/R=(VL-V1)/R---------- V0=-V1+2*VL---------
将式、代入式，得 V0=-RT*Vi/R1
式表明，在理想情况下，引线电阻RL的影响已被完全消除。实际的情况则要考虑电阻的容差和右侧运放的失调影响。
消除引线电阻影响的铂电阻线性化电路如下图所示。采用误差为1%的金属膜电阻和通用型运放，输出VT经模拟开关接3 1/2位模数转换器ICL7107，其最大误差如下表所示：
四、ICL7107显示数控电路的应用
ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
LM324引脚图资料与电路应用：
LM324引脚图资料与电路应用 LM324资料： LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo
的信号与该输入端的相
位相同。 LM324引脚排列见图1。2。 lm124、lm224和lm324引脚功能及内部电路完全一致。lm124是军品；lm224为工业品；而lm324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用在各种电路中
。
《lm324管脚图》
原理图》
《lm324
《lm324工作电压》
四、安装与调试
1．调试过程描述（一般分静态调试与动态调试两大内容）
根据电路原理和相关电路图选择好各元器件并焊接好整块电路板后，连接电源，通过电阻箱，进行整机调试。
首先进行静态调试，由先前做好的±5V直流稳定电压源对整机上电。 、调A/D转换器基准电压：调节电位器W3，并用万用表200mv档测量ICL7107的36脚（VREF HI）、35脚（VREF LO）基准电压,使得其基准电压为VREF=100mv。、调温度计零位（RT=R0）：再把电阻箱打到100Ω档，调节电位器W1，使得数码管显示值为00.0。
其次进行动态调试，将电阻箱调到212.02Ω，即对应温度为300℃，调节电位器W2，使得数码管显示值为300；随后分别在0～300℃范围内所对应的电阻值100Ω～212.02Ω之间选取适当数值（例如： 114.8Ω、138.50Ω、165.87Ω、175.47Ω等）进行调试，对照PT100铂热电阻分度表观察显示温度值与电阻值是否相对应，如对应一致，则调试成功，否则要检查相应电路找出毛病并修改后继续进行调试至成功。
2、仿真结果与实测数据进行对照：
五、 结论与心得
本次课程设计在前期原理分析与仿真过程遇到很多的问题，花费了较多时间在不断地摸索中寻找到了答案，例如，由（TL、VL）、（TM、VM）、（TH、VH）三点求得直线时斜率计算精确度不够导致曲线不够准确，因为取点位数一定时，三点当精确到0.0001之后有稍偏离同一直线的倾向，所以按（TL、VL）、（TH、VH）两点计算可得出较为准确的结果，即使（TM、VM）只是左右偏离，也会在同一水平线上。
在焊接过程中，器件选择时由于实验室电阻盒子上标称值不太清楚，开始焊接前也未用万用表重新量过，导致误把4.7K当作47K电阻来用，随后其余的均通过万用表测量进行选择，焊接过程较快。
之后进行整机调试，基准电压和零位调整较快，在调温度测量选择时，0℃调节好后，300℃数码管显示正常，但是在中间点150℃的时候的误差值较大。开始时以为分压电阻选错，进行了调节并更换了电阻和电位器，还是不成功；后来通过仿真，发现理论电路计算无错误出现，拿万用表测VT端电压，显示也正确；之后确定送显示部分有问题存在，电路中粗测了各选择电容和电阻器件，也都没有错误，估计原因是电路中存在的误差。
在整个课程设计过程中，从每一个细节入手，一点点积累，一步步理解攻破，从中既将学到的知识应用到了具体实践当中，又增加了自己的实践操作和查错排错能力。得出一个道理：努力的过程需要坚持，缺少每一步都不可能将目标完整的实现；实践的过程需要细心，只有细致效率才更高，才能将每个步骤完美的完成。