基于Multisim的NTC热敏电阻温度测量电路的设计与仿真

祝勋张雅娟

（1.武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205；2.武汉职业技术学院电信学院，湖北武汉430074）

基于Multisim的NTC热敏电阻温度测量电路的设计与仿真

祝勋1张雅娟2

（1.武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205；2.武汉职业技术学院电信学院，湖北武汉430074）

由于NTC热敏电阻存在严重的热电非线性问题，使得对应的温度测量电路的设计相对复杂。为此本文根据NTC热敏电阻的性能参数特点，设计了相应的温度测量电路，并对此温度测量电路在multisim环境中进行了仿真分析，仿真结果达到电路设计要求。

仿真；热敏电阻传感器；multisim；温度测量电路

1 引言

温度作为表示物体冷热程度的一个物理量，其在我国工农业生产的过程和现代科学研究过程中，都是一个非常重要的物理参数。而随着科学技术水平的不断提高,温度测量技术也得到了不断发展。温度测量技术的核心器件为温度传感器。NTC热敏电阻作为温度传感器家族的一员，具备体积小、响应速度快、工作范围宽、稳定性好、价格低廉等一系列优点，在测温电路当中得到了广泛的应用，但由于NTC热敏电阻本身是一个非线性元件，存在严重的热电非线性问题，使得对应的温度测量电路的设计相对复杂。而在设计过程中引入Multisim这一专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件，通过引入计算机辅助仿真技术，在计算机上来完成整个硬件电路的电路设计，从而减轻硬件电路验证阶段的工作量，同时，其界面友好、功能强大、易学易用的特点，使得其成为电类设计开发人员青睐的硬件开发仿真工具之一，也为电子类专业教学创建了一个良好的平台[1]。

2 Multisim软件简介

Multisim软件原名EWB，本身来源于加拿大图像交互技术公司（Interactive Image technologies简称IIT公司），后被美国国家仪器有限公司(National Instruments,简称NI)收购后，更名为NI Multisim。它是一款以Windows为基础的用于电子电路仿真和设计的EDA仿真工具软件。其主要功能是用软件的方法来虚拟常用电工、电子元器件以及常用的电工、电子中用到的仪器和仪表，借助Multisim软件，我们可以很轻松地在个人计算机上设计、测试和演示各种电子电路，也可对电路中的各元器件人为设置各种故障，来检测电路在对应情况下的工作状态。Multisim软件的主要特点有：①元件库十分丰富；②虚拟仪器、仪表种类齐全；③有很强的电路分析功能；④有丰富的Help功能等[2]。

3 热敏电阻器103AT-2

表1 103AT-2型热敏电阻器的温度阻值对应表

热敏电阻传感器简称热敏电阻器，顾名思义，是一种对温度十分敏感的电阻器。热敏电阻器对于外界环境的温度的变化，其电阻阻值会与之成比例变化。按温度升高，相应热敏电阻阻值呈现减小或者增大的趋势，我们可以将热敏电阻分为负温度系数热敏电阻器(NTC)和正温度系数热敏电阻器(PTC)两大类[3]。在本文中，我们选用的是负温度系数热敏电阻器（NTC），具体型号为103AT-2。103AT-2热敏电阻器产自日本石冢电子株式会社(SEMITEC)，是一种高精度的热敏电阻传感器，其具备精度高、误差小和高耐温性的特点[4]。表1中数据是103AT-2型热敏电阻器的温度阻值对应表。

4 温度测量电路的设计

电路要求利用NTC温敏电阻设计测温范围为0-100℃的测温电路，要求输出电路的性能指标为100mV/℃，即温度为0℃的时候，电路输出电压约为0V，温度为50℃的时候，电路输出电压约为5V，……，以此类推。

4.1 TL431BCD稳压电路

图1 TL431BCD稳压电路图

TL431BCD三端可调分流基准源由德州仪器公司（TI）生产，是一种具有良好热稳定性能的并联稳压集成电路。它的输出电压可以很容易地设置成从2.5V到36V范围内的任意电压值。在Multisim中构建图1所示的基本稳压电路，在TL431BCD两端得到稳定的2.494V的输出电压，经电阻串联分压后输出1V的固定电压作为后续电路的基准电压。

4.2 同相比例放大电路

在Multisim中构建图2所示同相比例放大电路，输入信号电压vin通过电阻加到运放的同相输入端，输出电压vout通过电阻R2和R1反馈到集成运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。其输入电压和输出电压之间的关系为：

同相比例放大电路的特点为：输入电阻很高且输出电阻很低，电压放大倍数不小于1。

图2 同相比例放大电路图

4.3 电压跟随器

在Multisim中构建图3所示电压跟随器电路，输入信号电压vin通过电阻加到运放的同相输入端，输出电压vout通过导线直接连接到集成运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。其输入电压和输出电压之间的关系为：

Vout≈Vin

电压跟随器的特点为：输入阻抗高，输出阻抗低。其主要作用在于在电路中作为缓冲级和隔离级使用。本系统在各级电路间都使用电压跟随器作为隔离级。

图3 电压跟随器电路图

4.4 减法运算电路

在Multisim中构建图4所示减法运算电路，两个输入信号电压vin1和vin2分别通过电阻加到运放的反相输入端和同相输入端，输出电压vout通过电阻R2连接到集成运放的反相输入端[5]。在本电路中，由于R1=R2=R3=R4，输入电压和输出电压之间的关系为：

图4 减法运算电路图

4.5 整体电路分析

TL431BCD稳压电路提供稳定的2.494V恒定电压输出，经可调电阻和10千欧电阻串联组成的分压电路分压后得到的1V基准电压，基准电压通过电压跟随器供NTC热敏电阻103AT-2与3.3千欧电阻串联来进行分压，由表1得知0℃时NTC电阻阻值为27.28K，仿真结果：3.3千欧电阻两端电压为107.9mV，改变R10的大小，设定成100℃时NTC的阻值973.5R，仿真结果：3.3千欧电阻两端电压为772.2mV，此时电路的技术指标为（772.2-107.9）/100=6.64(mV/℃)，想要实现本电路的基本技术指标100 mV/℃，同相比例放大电路的放大倍数应设定为100/6.64=15倍，即可达到设计要求。减法运算电路的作用是通过调节R8电阻的大小，使整体电路在温度为0℃时输出的电压也为0V。系统整体电路图如图5所示。

5 结论

我们根据103AT-2型热敏电阻器的温度阻值对应表将0℃、50℃以及100℃时热敏电阻的阻值分别代入到以上电路进行仿真，得到电路输出的电压分别为6.61uV、5.033V和9.999V，仿真结果达到电路设计的要求。实际硬件电路的结果也与仿真结果相一致。仿真软件Multisim的使用使得我们可以在具体硬件实验电路搭建之前，就可以在计算机上对设计的电路进行功能性验证，测试其输出结果是否满足设定要求，也可以观察到不同的参数设置对输出结果产生的影响，大大地减少了开发测试的工作量，具有十分重要的实际作用。

图5 温度测量电路整体电路图

[1] 赵卉．基于Multisim10 的负反馈放大电路的仿真分析[J]．大众科技，2010（11）：30-31．

[2] 张秀鸯，朱津津．利用Multisim 仿真软件提高模拟电子术实验教学效果[J]．科技资讯，2009（35）：187．

[3] 彭俊珍，林凤华．NTC热敏电阻的温度测量技术及线性电路[J].湖北职业技术学院学报，2008（9）：104-105．

[4] 103AT-2 数据手册[Z]．英文版．2008．

[5] 曾伟．基于Multisim10 的集成运算放大器应用电路仿真分析[J] .电子与封装，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

祝勋（1979-），男，湖北武汉人，硕士，讲师，研究方向为电子、通信、激光加工等。