针对SPICE 开发一款高精度 Pt100 RTD 仿真器

对唯一的系数。因此，参照网表 (Netlist) 中提供的数据可以很容易地更改它们的值。这就可以很容易地实现用（参数）关键字或者参数表达式来表示变量。一款测试电路应包括典型的 RTD 宏模型和图 3 所示的仿真响应。与温度相对应的控制电压在 -100℃ 至 +850℃ 的温度范围内波动变化。然后，计算并绘制出与温度相应的 RTD 电压。可以使用 TINA 后处理分析工具绘制出图像。

典型的 RTD 宏模型可以实现电压转换为摄氏度的换算。这在整个 Pt100 的温度范围内都非常有用。但是，由于该模型过于简易，在零摄氏度以下时，随着温度越来越低，换算就越来越不精确。

典型的 RTD 宏模型可以用来精确模拟另外一种电阻为 100Ω 的标准 RTD 电路。SAMA RC-4-1966 是一款 US RTD 标准电路，该电路用材与 Pt100 有细微不同，其材料为铂合金。规格为 98.129Ω 电阻（摄氏零度时），多项式系数与 Pt100 也有细微差别。与 Pt100 不同，零摄氏度以下时该电路不需要校正。该 RTD 电路规定的温度最小时，也可以使用典型的 RTD 宏模型。只需代入 Rnom和典型的 RTD 网表中规定范围内的新系数，该模型就可以和这种特殊的 RTD 电路一起使用。

要从 Pt100 RTD 宏模型上获得准确的性能参数，就需要在零摄氏度以下纳入第三和第四阶系数项。以上工作可以通过使用曲线拟合技术来完成，但是这样做就需要对响应方程式进行进一步的分析和修改，甚至需要更高阶多项式系数。在一些温度范围和/或端点中，得出的一些结果可能会存在难以接受的误差。仅在零摄氏度以下时，一个二阶压控电压源 (VCVS) 才可变为有源状态，对其进行切换是一个正确的选择，尽管这样有些强制性。可以对基本 RTD 宏模型进行修改，以在电路中添加一个二阶压控电压源 (VCVS) 或VCVSB，在该电路中其可与 VCVSA 在温度为零度以下时合在一起。

将 VCVSB 同 VCVSA 一起连接至电路，此操作可通过 SPICE 中的压控开关模型实现。这样做的目的是，当在此情况下的温度或等效电压跨越零摄氏度时，使用开关将 VCVSB 连接至电路。在 SPICE 中同时提供了电压控制和电流控制开关，在该应用中电压选项是最容易运用的。在此处，VCVSA 控制电压为一个方便的电压源，该电压源可用来激活将 VCVSB 连接至电路的压控开关。

这是一个很简单的概念，但是由于压控开关 (VSWITCH) 模式包括一些非理想的特性，所以它们的表现同一个理想的开关相比还是有所不同。这些非理想的特性包括 RON 和 ROFF 电阻以及开关电压阈值。当开关处于关闭状态时，压控开关实际就是在 ROFF 和 RON 之间进行切换，反之亦然。另外，瞬时的开/关中断会对电路造成严重损坏，而且对此进行持续的集中仿真较为困难。由于 SPICE 动态范围的限制，SPICE 使用说明手册中推荐开-关比率应低于 1012。在 RTD 仿真器模型中，RON 的电阻值设定为 0.1 Ω，ROFF 的电阻值设定为 1 MΩ。

控制开关状态也就是选择VON 和 VOFF 开关电压。当控制电压低于 VOFF 时，开关即为断开状态，并且电阻为 ROFF。同样地，控制电压高于 VON 时，开关电阻即为 RON。开关获得增益的区域即为 VOFF 和 VON 之间的过渡区，该区域越窄，那么获得的增益就越高。值得注意的是 SPICE 告诫我们不要使该区域太狭窄。我们通常需要对此进行正确的设置。

VCVS 开关功能需要一个 SPDT 开关。使用两个 SPST 开关也可以实现上述目的，并且要求必须谨慎地设置这些开关的开/关阈值，这样它们的开关转换 (switch transition) 可以在零度进行。如若不然，开关接触点将会出现失灵的现象。

首次对该模型进行测试，结果显示所有功能都能正常地运行。但当温度下降到零摄氏度以下时，RTD 电阻值就会出现一些问题。对模型进行仔细检查后发现，0.1Ω 开关电阻 RON 被忽略了，当开启开关时它开始起作用。给电路添加一个配置好的 VCVS，以此来补偿开关开启时的电阻。这样就减去了相当于压降的电压，该压降是由流经 RON 的电流 ISENSE 产生的。这个 VCVS 被标注为 ERON，其值取决于 ABM 值语句 (value statement)，而该语句中的电压是电流 ISENSE 的函数。

最后，再添加一个压控的、有电压源的 VCVSC，以此来提供一个 RTD 电阻的直接读数计。其在给定温度下的输出电压值应与 RTD 的电阻值成正比，1V 输出电压表示 1 Ω RTD 电阻值。该电阻是一个 RTD 电路两极的电压和流经整个电路电流（即 ISENSE）的函数。为了方便起见，我们添加了该读数表。在监控器两端跨接一个伏特计也是一个很好的选择，倘若采用的 SPICE 仿真器可以使用开放式终端，那么就可以去掉该伏特计。

图 4 是一个完整的全温度范围 Pt100 宏模型示意图。最终电路是一个 RTD 仿真器，在温度跨越零摄氏度时，其可以顺利地在 VCVSB 中进行开关操作。