Сопротивление датчика температуры преобразуется в напряжение посредством схемы, представленной на рисунке 15:
Рисунок 15 – Схема преобразователя сопротивления в напряжение (ПСН)
Выходное напряжение преобразователя описывает формула (4). Причем отношение сопротивлений датчика и нагрузочного резистора является коэффициентом передачи резистивного делителя [20]:
. (7)
Опорное напряжение АЦП здесь используется как опорное напряжение ПСН. Для данной схемы U0 =2,5 В.
Примем коэффициент резистивного делителя равным 0,5, тогда по формуле (7):
. (8)
Откуда сопротивление R 1 = 2 кОм.
В качестве сопротивления R 1 выберем резистор с номинальным сопротивлением 2 кОм, погрешностью ± 0,1 % (ряд Е96) [24].
В качестве DA1выберем операционный усилитель OPA381. Низкий входной ток смещения, низкие входные напряжение и ток шума, низкое энергопотребление делают очевидным выбор ОРА381 для преобразователя сопротивления в напряжение [22]. Характеристики ОУ представлены в таблице 4 [22].
Таблица 4 – Характеристики ОУ ОРА381
| Параметр | Значение |
| Коэффициент усиления, не менее дБ | |
| Напряжение смещения, мкВ | |
| Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ/град | 0,1 |
| Входной ток, пА | |
| Температурный дрейф входного тока, пА | 2,5 |
| Входное напряжение шума, нВ | |
| Коэффициент ослабления синфазной помехи, дБ | |
| Выходной ток, мА | |
| Напряжение питания, В | 2,7 … 5,5 |
| Полоса пропускания, МГц | |
| Рабочая температура, град | от минус 40 до плюс 125 |
Рассчитаем выходное напряжение ПСН. По формуле (4):
. (9)
(В).
График зависимости изменения выходного напряжения ПСН от температуры в диапазоне измеряемых температур от плюс 30 до плюс 50 оС представлен на рисунке 16:
Рисунок 16 – Расчетная зависимость изменения выходного напряжения ПСН от температуры в диапазоне температур от плюс 30 до плюс 50 оС
Порядок расчета выходного напряжения ПСН в системе MathCAD представлен в Приложении А.
Расчет усилителя
С выхода преобразователя сопротивления в напряжение измерительный сигнал поступает на вход усилителя (рисунок 17), где его амплитуда масштабируется для последующей передачи в АЦП микроконтроллера.
В качестве операционного усилителя выбран ОРА381 (его характеристики представлены в таблице 4).
Рисунок 17 – Инвертирующий усилитель
Учитывая, что собственный коэффициент передачи усилителя K = 135 дБ (таблица 4) рассчитывается по формуле [23]:
(11)
Следовательно, для того, чтобы выразить коэффициент передачи усилителя в относительных единицах необходимо провести следующие преобразования:
, (12)
, (13)
где Кп – собственный коэффициент передачи усилителя в относительных единицах.
Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления. Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включить резистор R3, номинал которого R3 = R4. Наличие резисторов одинаковой величины на инвертирующем и неинвертирующем входах при протекании токов смещения вызывает одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю.
Коэффициент усиления схемы рассчитывается по формуле [23]:
, (14)
, (15)
. (16)
Также коэффициент усиления рассчитывается по формуле [23]:
. (17)
Входное напряжение АЦП Uвх = 3,6 В, следовательно, необходимо обеспечить коэффициент усиления 
. Примем резистор R5 = 10 кОм.
По формуле (14):
; (18)
Откуда R4 = 4167 Ом.
Выберем в качестве сопротивлений R3 и R4 резисторы с номинальным сопротивлением 4,17 кОм (ряд Е192), погрешностью ±0,25 %. В качестве сопротивления R5 выберем резистор с номинальным сопротивлением 10 кОм, погрешностью ±0,25 % [24].
Рассчитаем выходное напряжение усилителя. По формуле (5):
. (19)
(В).
График зависимости изменения выходного напряжения усилителя от измеряемой температуры в диапазоне измеряемых температур от плюс 30 до плюс 50 оС представлен на рисунке 18:
Порядок расчета выходного напряжения усилителя в системе MathCAD представлен в Приложении А.
