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1. 先弄清楚：Pt100测温电路到底要解决什么问题

做温度采集这些年，Pt100是绕不开的一个传感器。最近要验证一套测温方案的线性度和误差，我顺手用LTspice把整个链路搭出来跑了一遍。这篇文章就把从传感器选型、信号调理到仿真验证的完整思路整理出来，希望能给正在纠结怎么设计或验证Pt100测温电路的朋友一点参考。你不需要一开始就画PCB，先用LTspice把电路行为看清楚，很多坑可以在仿真阶段提前避开。

1.1 为什么是Pt100，而不是NTC热敏电阻

很多人开始做测温时，会先考虑NTC热敏电阻，因为成本低、灵敏度高。但NTC有个比较麻烦的问题：电阻-温度曲线是非线性的，而且每一批的B值一致性参差不齐。虽然现代NTC也会做分档，但要做到0.5℃以内的稳定测量，换传感器后标定工作量会明显变大。

Pt100正好相反，它是铂电阻，0℃时的标准阻值是100Ω。铂的电阻温度特性稳定、复现性好，在-200℃到+850℃范围内都能保持接近线性的关系。虽然响应速度没有NTC快，价格也会高一些，但在工业设备、医疗仪器、实验室仪表这些对稳定性和可重复性要求高的场景，Pt100几乎是默认选项。

我实际项目里最喜欢它的一点，是它的“老化漂移”很小。NTC用上一两年，常温阻值就可能偏出去不少，而Pt100的长期稳定性好很多。对于测温电路来说，传感器的稳定性有时候比灵敏度更重要，因为灵敏度不够还可以用放大器补，稳定性不够就只能靠定期校准，这是很麻烦的事。

1.2 Pt100的温度特性决定了电路怎么设计

Pt100的经典阻值表达式可以写成：

[ R(T)=R_0 \times (1 + A \times T + B \times T^2) ]

其中 (R_0=100\Omega)，(A=3.9083\times10^{-3})，(B=-5.775\times10^{-7})。这个公式在0℃到850℃范围内误差很小。

如果只做-40℃到150℃范围的常规测温，很多设计会直接采用线性近似：

[ R(T)\approx100\times(1+0.00385\times T) ]

也就是温度每变化1℃，电阻变化约0.385Ω。这个线性近似在0℃到100℃之间带来的误差大约在0.4Ω以内，折合温度不到1℃，对很多应用已经够用。如果想做更高精度，再在软件里用多项式校正即可，电路层面不用太纠结。

电路设计的关键，就是要把“电阻变化”可靠地变成“电压变化”。因为传感器本身不产生能量，你必须给它一个激励，然后测量电压。最常用的做法有两种：一是用恒流源给Pt100供电，测它两端的电压；二是用电桥，把电阻变化转成差分电压，再用仪表放大器放大。

我在设计时倾向于恒流源方案，原因后面会详细说。但无论哪种方案，电路里都会涉及放大器、参考电压和ADC的配合，而这些过程完全可以在LTspice里先跑通。

2. 方案选型：恒流源、三线制/四线制和放大器

测温电路最核心的问题不是“放大器怎么选”，而是“怎么接传感器”。Pt100只有两个端子，但实际应用中导线会有电阻，这个电阻会叠加在测量结果里，才是误差的最大来源。

2.1 二线制、三线制、四线制，差别到底在哪

先看二线制。两根导线分别接在Pt100两端，恒流源通过这两根线给Pt100供电，电压表也通过这两根线测量电压。问题很明显：电流流过导线电阻，会在线阻上产生压降，电压表量到的电压是“Pt100压降+两根导线压降”。如果导线电阻只有1Ω，折合Pt100温度就已经有约2.6℃的误差，而且导线越长、环境温度变化越大，误差越不可控。

三线制解决了一部分问题。它用了三根导线，其中两根接在Pt100两端，第三根用于补偿。原理是把导线电阻等效到电桥的两个相邻桥臂上，当两边的导线电阻相等时，电阻变化能够相互抵消。工业现场距离远，三线制是最常用的折中方案。

四线制最彻底。两根线为Pt100提供恒流激励，另两根线专门用来测量Pt100两端电压。因为电压测量回路输入阻抗非常高，几乎不从传感器取电流，所以测量线本身的电阻不会引入误差。四线制在实验室和计量设备里很常见，代价是需要四根线，接线成本高一些。

我把三种接线的特点整理成了一张表：

2.2 恒流源激励和电桥方案怎么选

电桥方案在教科书里很常见。把Pt100放到惠斯登电桥的一个桥臂上，另外三个桥臂用固定电阻，桥路输出一个差分电压。电桥的好处是初始点可以调零，不用处理很大的直流偏置。但它也有一个缺点：电桥的输出和电阻变化不是严格线性关系，如果温度范围很宽，输出会有明显弯曲。

恒流源方案更直接。给Pt100通一个恒定的电流，根据欧姆定律，电阻变成电压，电压直接和电阻成正比。只要电流恒定，后续放大和ADC处理都比较直观。

恒流源方案需要解决的是“怎么得到恒流源”。在LTspice仿真中，我会用理想电流源代替，这样能先把信号调理链路跑通。实际硬件中可以用运放和基准电压搭恒流源，或者用专用的电流源芯片。具体做法可以根据项目成本去选择，纯电路设计逻辑是一样的。

我自己的原则是：如果只是验证放大器增益和输出范围，先用理想电流源是最省事的。电路行为搞清楚后，再把理想电流源替换成实际恒流源，单独仿真恒流源部分，整个系统就分而治之了。

2.3 仪表放大器的作用与LTspice里的实现

Pt100的信号是毫伏级别的，直接送给ADC要么分辨率不够，要么噪声太大，所以需要放大器。如果传感器一端没有接地，信号还带有一定的共模电压，此时普通单端放大器会把共模电压一起放进去，造成误差。

仪表放大器就是为这种场景准备的。它有两个高阻抗输入端，通过内部巧妙的结构使输入级“只差模，不放大共模”。在LTspice里可以找现成的仪表放大器模型，比如AD620，但有时候手头没有模型文件，用三个普通运放搭一个三运放仪表放大器也能跑仿真，而且能更直观地理解原理。

我习惯用LTspice自带的LT1001运放搭，因为模型内置、无需额外下载，直流精度也够。如果你之前用过其他运放，换型号也很简单。关键在于放大器周围的四个增益电阻要足够匹配，否则共模抑制比会被电阻失配拖累。实际电路里这是很隐蔽的坑，仿真时因为用的是理想电阻，往往会显得性能很好，这一点要在心里有数。

3. LTspice仿真电路搭建全流程

LTspice是ADI提供的免费SPICE仿真工具，Windows和macOS都有版本。它内置了大量电源、运放、晶体管模型，非常适合做模拟电路验证。搭建Pt100测温电路，本质上就是“恒流源、可编程电阻、仪表放大器”三者组合。

3.1 LTspice环境准备与Pt100电阻建模

LTspice界面很朴实，左边一大块元件列表，中间是原理图编辑区。新建一个原理图后，通过右键或者菜单栏的Component可以调出元件库。Pt100在库里并没有直接对应模型，但可以用一个带温度参数的普通电阻来模拟。

我的做法是在原理图里放一个电阻，把它的阻值属性改成：

{100*(1+0.00385*T)}

这里的T不是一个随机变量，而是我定义的温度参数。为了让T有数值，需要在原理图里加一行SPICE指令：

.step param T -40 150 10

意思是让T从-40开始到150结束，每10℃步进一次。这样每次直流工作点分析时，T取一个不同的值，Pt100电阻也跟着变化，相当于在跑一个完整的温度扫描。

这里有个容易犯的错：表达式一定要用花括号。LTspice的规则是，花括号里的内容会被当作参数表达式计算，不加花括号它可能直接当成字符串，导致仿真报错。

如果不想手动输入，还可以在电阻属性框里勾选“Temperature coefficient”，然后设置TC1=0.00385，LTspice也能根据环境温度自动改变阻值。但我更推荐参数T的方式，因为这样对“温度”这一物理量的概念更清晰，也更方便在同一个图表里观察输出随温度的变化。

3.2 完整电路连接图和元件参数

电路结构分成三个部分：恒流源与传感器回路、电压跟随器输入级、差分放大输出级。

恒流源部分，我用一个理想电流源I1，参数设置为1mA。为了避免二线制误差干扰，我在传感器两端串入模拟导线电阻Rwire1和Rwire2，都取10Ω。电流路径是：I1正端A点经过Rwire1到S+，再经过Pt100到S-，再经过Rwire2回到地。这个电流回路模拟了四线制里的“电流环”，而后面放大器接的是S+和S-，这两点就是Pt100本体两端的电压。

在LTspice里，我会给各节点标上网络标签，例如A、S+、S-、VOUT。标注网络标签的好处是波形窗口里可以直接输入V(S+)-V(S-)来查看差分电压，非常方便。

输入级用两个运放接成电压跟随器。第一个跟随器输入接S+，输出接V1；第二个跟随器输入接S-，输出接V2。电压跟随器输入阻抗极高，不会从Pt100分流，这样四线制才成立。因为LT1001是单运放，我在原理图里放两个实例，分别命名为U1、U2。

差分输出级用第三个LT1001，接成标准减法器。关键电阻取值为：R3=10k，R5=10k，R4=100k，R6=100k。R3从V1接到运放反相输入端，R4从反相输入端接到输出端；R5从V2接到同相输入端，R6从同相输入端接到地。这样增益为：

[ 增益=\frac{R_4}{R_3}=10 ]

运放供电用±5V，一个正电源和一个负电源。LTspice里直接放两个电压源，一个5V，一个-5V，接地参考点共用。

完整元件清单大概是这样的：

3.3 温度扫描设置与波形查看

原理图画好后，添加SPICE指令：

.step param T -40 150 5

这里我选择5℃步进，曲线会更平滑。接着运行直流工作点分析：在菜单Simulate里选择Run，LTspice会弹出一个Spice Error Log和波形窗口。因为电阻阻值在随T变化，所以每次工作点都会重新计算一次，最终生成以T为横轴的结果。

在波形窗口里，右键Add Trace，输入V(VOUT)，就能看到输出电压随温度变化的曲线。也可以输入V(S+)-V(S-)*?。更精确地，我输入V(S+)-V(S-)查看传感器原始电压，再输入V(VOUT)查看放大后的输出。

如果你发现波形窗口横轴不是T，可以检查是否用了.op加.step的组合。LTspice会把步进参数自动作为横轴，这是最直观的查看方式。如果要在固定温度下观察具体电压值，也可以直接在Error Log里看每个步进点的数值。

4. 参数计算、仿真结果与线性度验证

仿真不是跑出一条曲线就结束，关键是要把曲线背后的计算逻辑说清楚。这样才能判断仿真结果是否合理，也方便后面做增益调整。

4.1 恒流源电流和放大增益怎么定

恒流源电流的选择要兼顾两个指标：测量信号大小和传感器自热。

Pt100在0℃时阻值100Ω，1mA电流下产生的电压是0.1V。这个信号水平已经远高于运放的失调电压，不需要太高的增益就能给到ADC。如果把电流加大到5mA，信号会更大，但Pt100本身的自热功率也会增大。1mA时的自热功率只有0.1mW，对常规Pt100来说基本可以忽略。

我最终采用1mA，既能让信号有足够幅度，又能把自热误差控制在0.1℃以内。如果传感器热阻比较差，比如放在静止空气里，还可以考虑降到0.5mA。

增益的计算取决于ADC输入范围。假设ADC参考电压是3.3V，我们希望在150℃时输出电压尽量接近满量程。但我不打算一开始就把增益设得很高，因为还要考虑0℃时的偏置输出。我先把增益定为10，得到一组数据，然后再讨论如果换成0～3.3V输出该如何调整。

用公式算一下输出：

Pt100两端电压：

[ V_{pt}=I_{exc}\times R_{pt}=0.001\times100\times(1+0.00385T) ]

在0℃时：

[ V_{pt}=0.1V ]

在150℃时：

[ R=100\times(1+0.00385\times150)=100\times1.5775=157.75\Omega ]

[ V_{pt}=0.15775V ]

放大10倍后，0℃输出1.0V，150℃输出1.5775V。

温度每变化1℃，输出电压变化：

[ \Delta V_{out}=0.001\times0.385\times10=0.00385V ]

也就是3.85mV/℃。这个数值对验证仿真很有用，直接可以用斜率判断电路是否正常工作。

4.2 仿真输出电压与理论值对照

仿真结束后，我取几个关键温度点来做对照：

从LTspice里读取的仿真值，和理论计算基本一致。由于用的是理想电阻和理想电流源，偏差非常小。如果仿真值和计算值对不上，通常是表达式里的符号写错了，或者电流源方向反了。

我还要看一个重要指标：输出曲线的线性度。把VOUT对T做线性拟合，斜率大约就是3.85mV/℃，截距约1V。这正好符合前面的推导。因为Pt100本身是近似线性的，放大后的输出自然也是近似线性。若做更严格的误差分析，在100℃附近因为B项的存在会有一点点弯曲，但在常规工业测温场景里不需要额外修正。

4.3 如果要输出到0～3.3V ADC，该怎么改

前面的电路增益是10，输出落在1V到1.6V之间，对3.3V ADC来说没有充分利用量程。实际项目里我们往往希望传感器在测温范围内能映射到0～3.3V，或0～5V。

最简单的方法是提高增益，但同时要把0℃时的那1V偏置减掉。在差分放大器后端加一个减法/偏置调整电路即可。比如希望0℃输出0V，150℃输出3.3V，那么有效增益应该满足：

[ 增益\times(0.15775-0.1)=3.3 ]

解得增益大约需要57.2。如果把增益设为60，输出范围会略超3.3V，这时可以用电阻分压和软件标定解决。

在LTspice里验证也不难：先把R3/R5改为5k，R4/R6改为300k，增益就到60。0℃时VOUT约6V，早已超过运放+5V电源，会饱和。所以必须在差分放大端加入偏置扣除电路。常见做法是给同相输入端叠加一个参考电压，或者在反相输入端通过一个电阻注入参考电流。

这里我不展开偏置电路细节，只说一个思路：用两只电阻把3.3V基准分压，生成一个约1V的偏置，接到差分放大器的反相输入端注入节点，通过选择注入电阻，可以实现输出平移。LTspice非常适合调整这些电阻值，可以直接仿真出想要的0～3.3V输出曲线。

5. 常见问题与实操避坑

这部分内容不是仿真跑通就结束了。我把自己遇到的几个高频问题和解决办法整理出来，希望能帮你少走弯路。

5.1 LTspice仿真中最容易踩的3个设置坑

第一个坑是电阻表达式不使用花括号。如果你在电阻属性里直接填100*(1+0.00385*T)，LTspice大概率会报错。正确写法是{100*(1+0.00385*T)}。花括号就是告诉LTspice：“这里是一段表达式，请先算数值，再作为元件参数。”

第二个坑是忘了定义T。如果在表达式里用了T，但原理图里没有.step param T，LTspice不知道T是多少，仿真会报“unknown parameter”之类的错误。实际上你可以在原理图加一行.param T 25先做单点验证，再加上.step param T做扫描。这样调试起来更稳。

第三个坑是波形横轴不对。有时候跑完.step，波形窗口里看不到曲线，或者横轴显示的是别的变量。这通常是没在Add Trace里指定要绘制的电压，或者运行的不是带扫描的工作点分析。我的习惯是每次只选择V(VOUT)查看，如果横轴不对，就检查是否用了正确的.op配合.step，而不是混入了瞬态分析.tran。

5.2 运放饱和、自热和导线电阻带来的隐患

运放输出饱和是仿真和实物中都很常见的问题。当增益调大后，0℃时的1V偏置很容易被放大到接近电源轨。用正负5V供电，输出大约只能在±4V左右摆动，超过就削顶。解决方法是减小增益，或者加入偏置调整。如果在LTspice里看到输出曲线顶部变平，第一反应应该是运放饱和，而不是传感器有问题。

自热问题在仿真里很容易被忽略，因为理想电流源不发热。实际硬件里，电流持续流过Pt100会使其内部温度略高于被测介质。1mA电流下，自热功率只有0.1mW，影响不大；但如果长期在线且介质导热差，尽量用0.5mA，或者使用脉冲激励。

导线电阻的影响可以通过对比仿真验证：把放大器输入端改接在A点和地之间，也就是模拟二线制，此时VOUT会把两个10Ω导线电阻也算进去。仿真结果会比四线制明显偏高。这能直观说明为什么远距离测温要用三线制或四线制。

5.3 从仿真到PCB的几个建议

仿真证明电路可行后，真正做板子还要注意几个点。

第一，差分电阻匹配。R3/R4和R5/R6的比例如果不一致，共模抑制能力会变差。建议用0.1%精度的薄膜电阻，或者用集成仪表放大器芯片，内部匹配会好很多。

第二，运放的失调电压。LT1001这类精密运放失调电压很小，但市场上有些通用运放失调能达到几毫伏，折算成温度就是好几摄氏度，选择时要留意。

第三，滤波。测量回路容易拾取50Hz工频干扰，建议在仪表放大器输出端加一个低通RC滤波器。截止频率不需要太高，几十赫兹足够。LTspice里也可以加一个RC验证效果，时间常数取10ms左右，转折频率约16Hz。

第四，电源退耦。运放供电脚要加0.1μF到1μF的陶瓷电容，靠近电源引脚放置。这一点仿真不会体现，但对硬件稳定性影响很大。

我个人做测温电路的习惯是：先用LTspice把激励电流、增益、偏置和输出范围全部算清楚，再动手画板。这样后面调试的时候，基本只需要检查焊接和电阻精度，不会因为电路设计问题返工。Pt100本身虽然简单，但它旁边的信号调理电路才是决定整个系统精度的关键，而LTspice就是验证这套思路性价比最高的工具之一。