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(多图) 针对SPICE开发一款高精度Pt100 RTD仿真器

作者:德州仪器 Thomas Kuehl?? 2008年01月28日 ?? 收藏0

  R(t)=100「1+3.90830.10-3.t+(-5.77500.10-7.t2)」????????????? ???? 方程式 4

Pt100 RTD 电阻器仿真响应

图 1 Pt100 RTD 电阻器仿真响应

  方程式 4 中定义的电阻模型可进行温度变化时的 Pt100 仿真。该模型称为RTD1,其响应如图 1 所示。该模型虽然是个基于电阻的 RTD 简单模型,但对需要将仿真温度限制到最低零度,以及最高温度为仿真软件或 RTD 本身温度限值的应用来说,是非常有用的。

  如果在零度以下使用该电阻器模型,则在达到 -200℃ 时,RTD 电阻将有 +1Ω 的误差。表面看来,这是一个很小的误差,但相对于在 -200℃ 时理想的? 18.508Ω RTD 电阻而言,该误差已经非常大了。因此我们就需要一款稍微复杂且更高级的模型来获得最低温度时的最高精度。

  当需要独特的电路元件进行仿真时,普遍的作法是开发一款 SPICE 子电路(一般称为宏模型)。通常来说,该子电路由常见的 SPICE 电路元件组成,如:无源器件、晶体管以及独立源等。此外,该子电路还包括一些受控源,如:压控电压源 (VCVS) 以及压控电流源 (VCCS) 等。结合使用时,它们可以被看作是对更复杂 S

PICE 模型的电气性能特征进行良好模拟的一个元件。此外,其还实现了更快的仿真时间,并且可以轻松地将其插入到整个电路中,或从整个电路中拔出。但是在开发 RTD 宏模型之前,我们有必要对仿真程序温度特性进行讨论。

  当在宽泛的范围内使用基于? SPICE 的仿真器时,您必须要了解该程序的最低和最高仿真温度工作范围。例如:对 TINA 而言,仿真温度范围为 -100℃ 到 + 500 ℃。如果要在 RTD 的全额温度范围内对 RTD 进行仿真,那么需要另一种途径来模拟温度范围。

  需要考虑的另一点就是,仿真温度可能是对所有电路元件而言的整体相对温度。倘若是这样,则对有很大扩展的温度范围进行仿真时,将不仅是 RTD 仿真,也包括了对仿真温度内所有元件的仿真。TINA 中无源和有源组件的默认设置为相对温度模式,但也有很多组件的默认设置为绝对温度模式。绝对温度模式设置使组件处于固定的温度,并在该温度保持其电气特性。电阻器、电容器、二极管、晶体管均属于这种类型的组件,它们既可以将温度设置为相对温度模式也可以将温度设置为绝对温度模式。

  诸如运算放大器和仪表放大器等比较依赖其自身复杂宏模型的有源电路,可能不具备绝对温度配置 (fixing) 选项。设计人员会故意让它们有温度漂移,以提供一种在一定温度范围内评估电路的 dc 和 ac 性能的方法。尽管您可能希望随着温度的改变只有 RTD 发生漂移,但随着温度的变化,宏模型电路也会与 RTD 一起有温度漂移,而这可能并非我们的本意。

  运算放大器及其它宏模型的设计通常是为了模拟在产品说明书中规定的温度范围之内的器件性能。例如,大部分 TI 运算放大器宏模型所规定的温度范围为 -40℃ 至 +125℃。如果整个 RTD 电路在? TINA-TI 最大仿真范围内发生漂移,即 -100℃ 至 +500℃,那么一旦温度超过宏模型所规定的范围时,运算放大器宏模型得出的电气性能结果就不太可靠。在温度超出规定范围时,这些响应可能就会不能准确地反映其真实的性能。即使这些响应反映了真实的性能,出于物理层面或散热角度考虑,对现实产品进行这样的操作也是不切实际的。

  通常情况下,在仿真电路中集成一个温度传感器(如 RTD),其目的是使接口电子维持一个恒定温度,而仅仅使传感器发生温度漂移。或者,使温度传感器温度维持一个恒定温度,而使接口电路发生漂移,并观察其在一定温度范围内的变化。前一种情况需要借助某种方法使所有的温度传感器接口电子维持恒温,并且只有传感器在一定温度范围内发生漂移,而该范围可能超出仿真器软件的规定范围。

  克服仿真器温度范围局限性的一种方法就是设计一款可以对不同激源 (stimulus) 产生响应的RTD宏模型。例如,可以把一个电压或电流单位换算成一个温度单位,如将 1V 电压或 1mA 电流换算为 1℃。就仿真而言,温度范围基本就不存在局限性了。利用一个电压或电流控制的电阻器作为 RTD? 宏模型的基础部件,这样就可以进行单位之间的换算。因此,压控电阻器就成为实现该换算的比较理想的部件。

  在 eCircuit Center (http://www.ecircuitcenter.com)上面可以找到极佳的 SPICE 资源。该网站提供了比较全面的 SPICE 信息和模型。所列出的诸多模型信息中,有一条信息是关于压控电阻器 (VCR) 的讨论。VCR 是基于无电阻模型,该模型符合基本欧姆定律(V=I x R)。在本应用中,R 为一个电气等效电阻;I 为流经该电阻的感应 电流。使用一个零电压 (0V) 电压源,在 SPICE 里对电流表进行函数操作。电阻器的电压 (V) 为感应电流与等效电阻值的乘积:


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高精度? Pt100 RTD? 仿真器?

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