针对SPICE开发一款高精度Pt100 RTD仿真器(2)

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R_ON和R_OFF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R_OFF和R_ON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，R_ON的电阻值设定为0.1 Ω，R_OFF的电阻值设定为1 MΩ。

控制开关状态也就是选择V_ON和V_OFF开关电压。当控制电压低于V_OFF时，开关即为断开状态，并且电阻为R_OFF。同样地，控制电压高于V_ON时，开关电阻即为R_ON。开关获得增益的区域即为V_OFF和V_ON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R_ON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R_ON的电流I_SENSE产生的。这个VCVS被标注为ER_ON，其值取决于ABM值语句(value statement)，而该语句中的电压是电流I_SENSE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I_SENSE）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。