基于Multisim的NTC熱敏電阻溫度測量電路的設(shè)計與仿真

祝勛張雅娟

（1.武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢430205；2.武漢職業(yè)技術(shù)學院電信學院，湖北武漢430074）

基于Multisim的NTC熱敏電阻溫度測量電路的設(shè)計與仿真

祝勛1張雅娟2

（1.武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢430205；2.武漢職業(yè)技術(shù)學院電信學院，湖北武漢430074）

由于NTC熱敏電阻存在嚴重的熱電非線性問題，使得對應的溫度測量電路的設(shè)計相對復雜。為此本文根據(jù)NTC熱敏電阻的性能參數(shù)特點，設(shè)計了相應的溫度測量電路，并對此溫度測量電路在multisim環(huán)境中進行了仿真分析，仿真結(jié)果達到電路設(shè)計要求。

仿真；熱敏電阻傳感器；multisim；溫度測量電路

1 引言

溫度作為表示物體冷熱程度的一個物理量，其在我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程和現(xiàn)代科學研究過程中，都是一個非常重要的物理參數(shù)。而隨著科學技術(shù)水平的不斷提高,溫度測量技術(shù)也得到了不斷發(fā)展。溫度測量技術(shù)的核心器件為溫度傳感器。NTC熱敏電阻作為溫度傳感器家族的一員，具備體積小、響應速度快、工作范圍寬、穩(wěn)定性好、價格低廉等一系列優(yōu)點，在測溫電路當中得到了廣泛的應用，但由于NTC熱敏電阻本身是一個非線性元件，存在嚴重的熱電非線性問題，使得對應的溫度測量電路的設(shè)計相對復雜。而在設(shè)計過程中引入Multisim這一專門用于電子線路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件，通過引入計算機輔助仿真技術(shù)，在計算機上來完成整個硬件電路的電路設(shè)計，從而減輕硬件電路驗證階段的工作量，同時，其界面友好、功能強大、易學易用的特點，使得其成為電類設(shè)計開發(fā)人員青睞的硬件開發(fā)仿真工具之一，也為電子類專業(yè)教學創(chuàng)建了一個良好的平臺[1]。

2 Multisim軟件簡介

Multisim軟件原名EWB，本身來源于加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image technologies簡稱IIT公司），后被美國國家儀器有限公司(National Instruments,簡稱NI)收購后，更名為NI Multisim。它是一款以Windows為基礎(chǔ)的用于電子電路仿真和設(shè)計的EDA仿真工具軟件。其主要功能是用軟件的方法來虛擬常用電工、電子元器件以及常用的電工、電子中用到的儀器和儀表，借助Multisim軟件，我們可以很輕松地在個人計算機上設(shè)計、測試和演示各種電子電路，也可對電路中的各元器件人為設(shè)置各種故障，來檢測電路在對應情況下的工作狀態(tài)。Multisim軟件的主要特點有：①元件庫十分豐富；②虛擬儀器、儀表種類齊全；③有很強的電路分析功能；④有豐富的Help功能等[2]。

3 熱敏電阻器103AT-2

表1 103AT-2型熱敏電阻器的溫度阻值對應表

熱敏電阻傳感器簡稱熱敏電阻器，顧名思義，是一種對溫度十分敏感的電阻器。熱敏電阻器對于外界環(huán)境的溫度的變化，其電阻阻值會與之成比例變化。按溫度升高，相應熱敏電阻阻值呈現(xiàn)減小或者增大的趨勢，我們可以將熱敏電阻分為負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)和正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTC)兩大類[3]。在本文中，我們選用的是負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC），具體型號為103AT-2。103AT-2熱敏電阻器產(chǎn)自日本石冢電子株式會社(SEMITEC)，是一種高精度的熱敏電阻傳感器，其具備精度高、誤差小和高耐溫性的特點[4]。表1中數(shù)據(jù)是103AT-2型熱敏電阻器的溫度阻值對應表。

4 溫度測量電路的設(shè)計

電路要求利用NTC溫敏電阻設(shè)計測溫范圍為0-100℃的測溫電路，要求輸出電路的性能指標為100mV/℃，即溫度為0℃的時候，電路輸出電壓約為0V，溫度為50℃的時候，電路輸出電壓約為5V，……，以此類推。

4.1 TL431BCD穩(wěn)壓電路

圖1 TL431BCD穩(wěn)壓電路圖

TL431BCD三端可調(diào)分流基準源由德州儀器公司（TI）生產(chǎn)，是一種具有良好熱穩(wěn)定性能的并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。它的輸出電壓可以很容易地設(shè)置成從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓值。在Multisim中構(gòu)建圖1所示的基本穩(wěn)壓電路，在TL431BCD兩端得到穩(wěn)定的2.494V的輸出電壓，經(jīng)電阻串聯(lián)分壓后輸出1V的固定電壓作為后續(xù)電路的基準電壓。

4.2 同相比例放大電路

在Multisim中構(gòu)建圖2所示同相比例放大電路，輸入信號電壓vin通過電阻加到運放的同相輸入端，輸出電壓vout通過電阻R2和R1反饋到集成運放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋放大電路。其輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系為：

同相比例放大電路的特點為：輸入電阻很高且輸出電阻很低，電壓放大倍數(shù)不小于1。

圖2 同相比例放大電路圖

4.3 電壓跟隨器

在Multisim中構(gòu)建圖3所示電壓跟隨器電路，輸入信號電壓vin通過電阻加到運放的同相輸入端，輸出電壓vout通過導線直接連接到集成運放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋放大電路。其輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系為：

Vout≈Vin

電壓跟隨器的特點為：輸入阻抗高，輸出阻抗低。其主要作用在于在電路中作為緩沖級和隔離級使用。本系統(tǒng)在各級電路間都使用電壓跟隨器作為隔離級。

圖3 電壓跟隨器電路圖

4.4 減法運算電路

在Multisim中構(gòu)建圖4所示減法運算電路，兩個輸入信號電壓vin1和vin2分別通過電阻加到運放的反相輸入端和同相輸入端，輸出電壓vout通過電阻R2連接到集成運放的反相輸入端[5]。在本電路中，由于R1=R2=R3=R4，輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系為：

圖4 減法運算電路圖

4.5 整體電路分析

TL431BCD穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)定的2.494V恒定電壓輸出，經(jīng)可調(diào)電阻和10千歐電阻串聯(lián)組成的分壓電路分壓后得到的1V基準電壓，基準電壓通過電壓跟隨器供NTC熱敏電阻103AT-2與3.3千歐電阻串聯(lián)來進行分壓，由表1得知0℃時NTC電阻阻值為27.28K，仿真結(jié)果：3.3千歐電阻兩端電壓為107.9mV，改變R10的大小，設(shè)定成100℃時NTC的阻值973.5R，仿真結(jié)果：3.3千歐電阻兩端電壓為772.2mV，此時電路的技術(shù)指標為（772.2-107.9）/100=6.64(mV/℃)，想要實現(xiàn)本電路的基本技術(shù)指標100 mV/℃，同相比例放大電路的放大倍數(shù)應設(shè)定為100/6.64=15倍，即可達到設(shè)計要求。減法運算電路的作用是通過調(diào)節(jié)R8電阻的大小，使整體電路在溫度為0℃時輸出的電壓也為0V。系統(tǒng)整體電路圖如圖5所示。

5 結(jié)論

我們根據(jù)103AT-2型熱敏電阻器的溫度阻值對應表將0℃、50℃以及100℃時熱敏電阻的阻值分別代入到以上電路進行仿真，得到電路輸出的電壓分別為6.61uV、5.033V和9.999V，仿真結(jié)果達到電路設(shè)計的要求。實際硬件電路的結(jié)果也與仿真結(jié)果相一致。仿真軟件Multisim的使用使得我們可以在具體硬件實驗電路搭建之前，就可以在計算機上對設(shè)計的電路進行功能性驗證，測試其輸出結(jié)果是否滿足設(shè)定要求，也可以觀察到不同的參數(shù)設(shè)置對輸出結(jié)果產(chǎn)生的影響，大大地減少了開發(fā)測試的工作量，具有十分重要的實際作用。

圖5 溫度測量電路整體電路圖

[1] 趙卉．基于Multisim10 的負反饋放大電路的仿真分析[J]．大眾科技，2010（11）：30-31．

[2] 張秀鴦，朱津津．利用Multisim 仿真軟件提高模擬電子術(shù)實驗教學效果[J]．科技資訊，2009（35）：187．

[3] 彭俊珍，林鳳華．NTC熱敏電阻的溫度測量技術(shù)及線性電路[J].湖北職業(yè)技術(shù)學院學報，2008（9）：104-105．

[4] 103AT-2 數(shù)據(jù)手冊[Z]．英文版．2008．

[5] 曾偉．基于Multisim10 的集成運算放大器應用電路仿真分析[J] .電子與封裝，2011（12）：18-20．

Design and Simulation of NTC Thermistor Temperature Measurement Circuit Based on Multisim

Zhu Xun1Zhang Yajuan2
（1.Wuhan Vocational College of Software and Engineering,Wuhan 430074,Hubei;2.Wuhan Polytechnic,Wuhan 430074,Hubei）

Because the NTC thermistor sensor has a serious problem of nonlinear thermal power,the design of temperature measurement circuit is complex.According to the performance parameters of NTC thermistor,the corresponding temperature measurement circuit is designed.The circuit is simulated and analyzed in Multisim environment.The simulation results reach the circuit design requirements.

simulation;thermistor sensor;multisim;temperature measuring circuit

TP212.9

A

1008-6609 (2017) 09-0053-03

祝勛（1979-），男，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向為電子、通信、激光加工等。