前言: PT100是一种广泛应用的测温元件,在-50~600℃℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势,包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。

对于PT100,是一个正温度系数的PTC传感元件,可以在网上找到可以用的相对应传感器模型加到LTspice中使用。在这里我们为了简便,使用电阻代替。

下图是pt100阻值对应表,可参考进行调节

一、差分放大电路设计

(一)核心定义

  差分放大电路的核心作用是放大两个输入信号的差值(差模信号),同时抑制两个输入信号的共有成分

(二)信号定义
输入信号两个输入端口电压分别为 ui1​、ui2​

差模信号(有效放大信号)

共模信号(干扰信号)​​

(三)运放型对称差分放大电路(核心公式)
1. 电路对称条件
输入电阻 R1​=R2​,反馈 / 平衡电阻 Rf​=R4​=R5​

2. 差模放大倍数
差模放大倍数是输出电压与差模输入电压的比值Aud​=uid​,uo​​=R1​Rf​​结合差模信号定义,输出电压为​​

3. 共模放大倍数
理想运放的共模放大倍数 Auc​≈0,即共模信号被完全抑制。

4. 共模抑制比(性能指标)
共模抑制比是差模放大倍数与共模放大倍数的绝对值之比,值越大抗干扰能力越强,​​​理想情况下 KCMR​→∞

(四)设计差分放大电路

该电路采用同相输入型差分放大结构,核心是通过电阻网络(R1~R4)构建差分输入通道:

输入信号:两路输入分别为V(经 R3、R5)和Vtemp(经 R5),通过 R1、R2、R3 的分压,将差分信号送入运放的同相输入端(Vi+);
反馈网络:运放输出V1通过 100kΩ 电阻反馈至输入端,结合 R4(1kΩ)构成负反馈,稳定放大倍数

仪表用差分放大电路

(一) 电路结构(三运放架构)
前级:两个同相放大运放(输入级)两个运放并联,信号 V1,V2分别接两个运放的同相输入端,且两个运放的反馈回路共用一个增益调节电阻 RG。这一级的作用是 提高输入阻抗 + 初步放大差模信号。

后级:一个差分放大运放(输出级)接成标准的差分放大电路,对前级的输出信号做差分放大,同时抑制共模信号。

(二) 核心公式
1. 总放大倍数
仪用差分运放的放大倍数由增益电阻 RG调节,公式为:Av=1+2R/RG其中:R 是前级两个运放的反馈电阻(通常内部集成,对称相等);
RG是外接的增益调节电阻,RG越小,放大倍数越大。

2. 输入输出关系
设差分输入信号
,则输出电压:
 

(三)仪表用差分放大电路

该电路分为三级功能单元,实现从信号输入到输出调理的完整流程:

前级差分放大单元(U1)

由 R1~R5 构成对称电阻网络,将输入信号V(温度相关信号)与Temp信号转换为差分电压,送入 OP07(U1)的同相 / 反相端;
通过 R7(100kΩ)与 R4(1kΩ)构成负反馈,实现高精度差分放大(放大倍数约 100 倍),同时抑制共模干扰。
中间级信号调理单元(U5、U6)

U5、U6 与 R8~R13 构成仪表放大的增益调整网络:通过对称电阻(R8=R11=500Ω,R9=R12=1kΩ,R13=500Ω)进一步优化差分信号的共模抑制比;
该级用于细化放大倍数,并对前级输出的信号进行线性调整,提升信号的精度与稳定性。
后级滤波 / 缓冲单元(U7)

U7 与 C1(100nF)、R14 构成低通滤波电路:滤除信号中的高频噪声,保证输出信号的平滑性;
同时作为缓冲级,提高电路的带负载能力,适配后级测量或采集设备

Pt100测温电路

对于PT100,是一个正温度系数的PTC传感元件,可以在网上找到可以用的相对应传感器模型加到LTspice中使用。在这里我们为了简便,在上面差分电路的基础上,使用电阻代替

(一)仿真图接线

使用指令进行建模,先建立一个名字为R5阻值为{T}的电阻,然后如图左边部分对电阻进行更改,将其更改为线性,从85到100,增值为1的电阻来模拟PT100电阻

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