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1. 为什么PT100测温值得认真做一遍

PT100这个东西，搞工控、做实验设备、玩精密测量的朋友应该都不陌生。它的核心优势就一个字：稳。0℃时阻值100Ω，温度每升1℃阻值大约增加0.385Ω，线性度好、漂移小、长期稳定性强，工业现场大量温度采集节点用的都是它。但问题也恰恰出在这个“0.385Ω/℃”上——变化量太小了，你直接拿单片机ADC去读，根本读不出有效分辨率。

我见过太多人第一次做PT100测温，上来就把PT100和分压电阻一串，中间点直接接Arduino的A0，然后发现温度跳得跟心电图一样，或者干脆纹丝不动。这不是PT100不行，是信号链没搭对。PT100需要三样东西：恒流激励（或稳定分压）、差分信号调理、高分辨率AD转换。LM358在这套链路里扮演的是“信号缓冲与放大”的角色，它便宜、好买、双运放封装、单电源就能跑，虽然算不上精密运放，但在合理设计下完全能撑起一个±1℃精度的测温系统。

这篇文章面向的是有基础电子知识、会用Arduino、想自己动手搭一套PT100测温模块的朋友。我会从信号链顶层设计讲起，把LM358的放大电路计算、PT100的接线方式、AD转换选型（ADS1220和Arduino内置ADC两条路线都会讲）、以及实际调试中踩过的坑，全部摊开来说。你看完之后应该能自己画原理图、算电阻值、写代码、调出稳定读数。

2. 整体信号链设计与方案选型

2.1 PT100信号链的四个环节

一套完整的PT100测温电路，信号从物理量到数字量，要经过四个环节：

1. 激励源：给PT100提供一个已知的、稳定的电流或电压，让阻值变化转化为电压变化。
2. 信号调理：把PT100两端的微弱电压变化放大到ADC能有效分辨的范围，同时抑制共模干扰。
3. AD转换：把模拟电压转成数字量，分辨率要足够高，否则放大后的信号也被量化噪声吃掉。
4. 数据处理：单片机读取ADC值，通过公式反算出温度，必要时做滤波和校准。

LM358主要出现在第2环节，但它和第1环节的激励方式选择密切相关。你用什么激励，决定了LM358电路怎么搭。

2.2 两种激励方式：恒流源 vs 分压

恒流源激励是PT100最理想的驱动方式。给PT100通一个恒定电流（比如1mA），那么PT100两端电压就是 V = I × R_PT100。0℃时是100mV，100℃时是138.51mV，电压变化直接正比于阻值变化，没有非线性问题。但恒流源电路需要额外的运放和基准源，LM358虽然可以搭恒流源，但它的失调电压和温漂会直接影响恒流精度。

分压激励更简单：一个精密参考电阻和PT100串联，中间点电压就是分压结果。这个方式成本低、电路简单，但分压公式是非线性的，而且参考电阻的精度和温漂会直接进入结果。不过对于0~100℃这种窄范围，非线性误差可以接受，配合软件线性化就能处理。

我的建议是：如果你追求电路简洁、成本低，用分压+LM358差分放大；如果你追求精度和长期稳定性，用恒流源+LM358缓冲+高分辨率ADC。两条路线我都会在下面展开。

2.3 为什么选LM358而不是精密运放

LM358的输入失调电压典型值2mV，最大7mV，温漂7μV/℃。这个参数放在精密测量里确实不够看——PT100在1mA激励下，1℃才产生0.385mV的电压变化，LM358的失调电压直接就把温度误差干到好几度去了。

那为什么还用LM358？因为便宜、好买、单电源、双运放、输出摆幅接近轨到轨。在分压+差分放大的方案里，我们可以通过以下手段把LM358的缺陷压下去：

• 用差分放大结构，让两个输入端的失调电压部分抵消。
• 放大倍数不要做太大，把LM358的失调影响控制在可接受范围。
• 在软件里做零点校准，把系统失调一次性扣掉。
• 用低通滤波把LM358的噪声压下去。

说白了，LM358不是不能用，是要会用。你要是拿它当OPA333用，那肯定翻车。

2.4 AD转换选型：ADS1220 vs Arduino内置ADC

这是两条完全不同的路线，我分别说一下适用场景。

Arduino内置ADC（ATmega328P）：10位分辨率，参考电压默认5V，最小分辨电压约4.9mV。PT100在1mA激励下，1℃对应0.385mV，也就是说内置ADC连0.1℃都分辨不了，温度读数会以好几度为步进跳变。如果你非要用内置ADC，必须把信号放大到至少100倍以上，但LM358的失调电压也被放大100倍，直接爆掉。所以内置ADC路线只适合对精度要求不高的场合，比如只判断“热了/冷了”这种阈值检测。

ADS1220：24位ΔΣ ADC，内置PGA（可编程增益放大器），支持差分输入，有内部基准，SPI接口。它的分辨率可以做到微伏级，直接接PT100差分信号就能读出0.01℃的变化。ADS1220和PT100是绝配，很多工业温度变送器内部就是这个组合。但ADS1220价格比LM358贵不少，而且需要SPI通信，布线要求高。

我的实际做法是：用LM358做缓冲和初级放大，把信号抬到ADS1220的舒适区，再用ADS1220做高分辨率采集。这样LM358的失调被ADS1220的差分输入和软件校准进一步压制，整体精度能做到±0.5℃以内。

3. LM358放大电路的核心计算与实操

3.1 差分放大电路的结构与公式

PT100分压后的信号是差分的，所以要用差分放大电路。标准差分放大器的结构是：两个输入端各接一个电阻到运放输入端，反馈电阻和接地电阻配对，放大倍数由电阻比决定。

假设PT100和参考电阻R_ref串联，PT100接在下方（接地侧），参考电阻接在上方（接激励电压V_exc）。那么PT100两端电压为：

V_pt = V_exc × R_pt / (R_pt + R_ref)

参考电阻两端电压为：

V_ref = V_exc × R_ref / (R_pt + R_ref)

两者之差就是我们要放大的差分信号：

V_diff = V_pt - V_ref = V_exc × (R_pt - R_ref) / (R_pt + R_ref)

如果选R_ref = 100Ω（PT100在0℃时的阻值），那么0℃时V_diff = 0，100℃时R_pt = 138.51Ω，V_diff = V_exc × 38.51 / 238.51 ≈ 0.1615 × V_exc。如果V_exc = 5V，V_diff ≈ 807mV。这个信号幅度还可以，但直接给ADC还是不够精细。

差分放大器的输出电压：

V_out = (R_f / R_in) × V_diff + V_offset

其中R_f是反馈电阻，R_in是输入电阻，V_offset是参考端的偏置电压。LM358单电源供电时，输出不能到负电压，所以必须加一个偏置电压，让0℃时的输出落在量程中间，比如2.5V。

3.2 电阻取值计算实例

我实际用的参数是这样的：

• 激励电压V_exc = 5V（来自Arduino的5V，或者更好的基准源）
• 参考电阻R_ref = 100Ω，0.1%精度，25ppm/℃温漂
• 差分放大倍数G = 10
• 偏置电压V_bias = 2.5V

那么0℃时，V_diff = 0，V_out = 2.5V。100℃时，V_diff = 807mV，V_out = 2.5 + 10 × 0.807 = 10.57V——超了！LM358输出不可能超过供电电压。

所以放大倍数不能取10，得重新算。如果供电5V，输出要落在0.1V~4.9V之间，偏置2.5V，那么最大输出摆幅是2.4V。100℃时V_diff = 807mV，所以最大增益G_max = 2.4 / 0.807 ≈ 2.97。取G = 2.5比较安全。

但G = 2.5太小了，信号还是不够大。怎么办？两个办法：降低激励电压或者减小参考电阻。

如果V_exc = 1V，100℃时V_diff = 161.5mV，G = 10时输出变化1.615V，偏置2.5V，最大输出4.115V，完全在范围内。但1V激励下PT100的功耗只有1mW，自热误差很小，这是好事。

所以我最终选的参数是：

这个参数下，LM358的失调电压2mV被放大10倍变成20mV，对应温度误差约20mV / (0.385mV/℃ × 10) ≈ 5.2℃。还是太大。所以必须做零点校准：在已知温度（比如冰水混合物0℃）下读一次ADC值，把这个值作为零点偏移，后续所有读数都减去它。这样失调电压的影响就被扣掉了，剩下的就是温漂，LM358的温漂7μV/℃放大10倍是70μV/℃，对应温度误差约0.018℃/℃，完全可以接受。

3.3 LM358电压跟随器的正确用法

很多人会在分压点后面加一个LM358电压跟随器，目的是提高输入阻抗，避免ADC或后级电路对分压点造成负载效应。这个思路是对的，但要注意几个点：

第一，LM358的输入偏置电流约45nA，在100Ω电阻上产生的误差电压是4.5μV，可以忽略。但如果你的分压电阻很大（比如100kΩ），那偏置电流就会产生4.5mV的误差，这就不能忽略了。所以分压电阻不要选太大，100Ω~1kΩ比较合适。

第二，LM358的输出不能完全到轨，单电源5V供电时，输出高电平约3.5V，低电平约0.1V。如果你用电压跟随器直接驱动ADC，要确保信号落在0.1V~3.5V之间，否则会被削顶。

第三，电压跟随器不能消除失调电压。跟随器的输出 = 输入 + 失调电压，失调电压依然存在。所以跟随器后面还是要做校准。

我实际的做法是：分压点先经过LM358电压跟随器缓冲，再送入差分放大器。这样分压点的负载效应被隔离，差分放大器的输入阻抗也不会影响分压比。

3.4 单电源供电的偏置电路设计

LM358单电源供电时，输入共模范围是0V到Vcc-1.5V，输出范围是0.1V到Vcc-1.5V。这意味着你不能直接把差分信号接到输入端，必须把两个输入端都抬到合适的共模电压上。

偏置电路的做法是：用两个等值电阻（比如10kΩ）从5V分压到2.5V，再用一个电容滤波，得到一个稳定的2.5V偏置电压。这个电压接到差分放大器的参考端（也就是R_f接地的那一端），让输出在0℃时落在2.5V。

注意：偏置电压的稳定性直接影响测量精度。如果2.5V偏置漂了10mV，输出也跟着漂10mV，对应温度误差约2.6℃。所以偏置电阻要用1%精度，滤波电容要用低漏电的，比如10μF钽电容并联100nF陶瓷电容。

4. PT100接线方式与引线补偿

4.1 两线制、三线制、四线制的区别

PT100的接线方式直接决定测量精度，这是很多人忽略的地方。

两线制：PT100两端各接一根线。简单，但引线电阻直接叠加在PT100阻值上。假设引线电阻0.5Ω，对应温度误差约1.3℃。如果引线很短（<10cm），误差可以接受；如果引线几米长，误差就大了。

三线制：PT100一端接两根线，另一端接一根线。两根线分别接到测量电路的两个输入端，引线电阻在差分输入中被部分抵消。这是工业上最常用的方式，配合差分放大器效果很好。

四线制：PT100两端各接两根线，两根走恒流激励，两根走电压测量。引线电阻完全不影响测量结果，精度最高，但接线复杂，适合实验室高精度场合。

我实际用的是三线制，配合LM358差分放大器。三线制的接法是：PT100的一端接两根线，分别接到差分放大器的同相和反相输入端；另一端接一根线，接到参考电阻和地之间。这样两根引线电阻分别出现在两个输入端，差分放大时被抵消。

4.2 引线电阻的补偿计算

假设三线制中，两根引线的电阻分别为R_L1和R_L2，理想情况下R_L1 = R_L2 = R_L。差分放大器的两个输入端电压分别是：

V_in+ = V_exc × (R_pt + R_L) / (R_pt + R_L + R_ref + R_L)

V_in- = V_exc × (R_ref + R_L) / (R_pt + R_L + R_ref + R_L)

两者之差：

V_diff = V_exc × (R_pt - R_ref) / (R_pt + R_ref + 2R_L)

分母多了2R_L，这会引入增益误差。如果R_L = 0.5Ω，R_pt + R_ref ≈ 200Ω，那么分母从200Ω变成201Ω，增益误差约0.5%，对应温度误差约0.5℃。这个误差可以通过软件校准消除，但前提是R_L稳定。

如果引线电阻随温度变化（比如铜线温度系数0.4%/℃），那误差还会漂。所以三线制的引线要尽量短、尽量等长、尽量同材质。

4.3 屏蔽与接地处理

PT100信号是毫伏级的，很容易被工频干扰和开关噪声污染。我踩过的坑：一开始没加屏蔽，读数一直在跳，后来把PT100引线换成屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地，读数立刻稳了。

具体做法：

• PT100引线用屏蔽双绞线，两根信号线绞在一起，屏蔽层包在外面。
• 屏蔽层只在电路板端接地，PT100端悬空，避免地环路。
• 电路板上的模拟地和数字地分开走线，最后在一点汇合。
• LM358的电源引脚旁边加100nF陶瓷电容去耦，再并一个10μF钽电容。

这些措施看起来简单，但效果立竿见影。我实测下来，不加屏蔽时读数跳动±3℃，加了之后跳动小于±0.2℃。

5. AD转换模块设计与Arduino代码实现

5.1 ADS1220的硬件连接与配置

ADS1220是24位ΔΣ ADC，SPI接口，内置PGA，支持差分输入。它的引脚不多，但配置寄存器比较多，第一次用容易懵。

硬件连接（以Arduino Uno为例）：

ADS1220的配置寄存器需要设置：增益、数据速率、工作模式、基准选择、输入多路复用器。我一般用以下配置：

• 增益：1（因为LM358已经放大了10倍）
• 数据速率：20SPS（最低噪声）
• 工作模式：正常模式
• 基准：外部2.5V
• 输入：AIN0-AIN1差分

配置代码：

#include <SPI.h> #define CS_PIN 10 #define DRDY_PIN 2 void ads1220_writeRegister(uint8_t reg, uint8_t value) { digitalWrite(CS_PIN, LOW); SPI.transfer(0x40 | (reg << 2)); SPI.transfer(value); digitalWrite(CS_PIN, HIGH); } uint8_t ads1220_readRegister(uint8_t reg) { digitalWrite(CS_PIN, LOW); SPI.transfer(0x20 | (reg << 2)); uint8_t value = SPI.transfer(0x00); digitalWrite(CS_PIN, HIGH); return value; } void ads1220_init() { pinMode(CS_PIN, OUTPUT); pinMode(DRDY_PIN, INPUT); digitalWrite(CS_PIN, HIGH); SPI.begin(); SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV16); // 复位 digitalWrite(CS_PIN, LOW); SPI.transfer(0x06); delay(1); digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 配置寄存器 ads1220_writeRegister(0x00, 0x01); // 增益1，多路复用AIN0-AIN1 ads1220_writeRegister(0x01, 0x04); // 数据速率20SPS ads1220_writeRegister(0x02, 0x10); // 外部基准 ads1220_writeRegister(0x03, 0x00); // 正常模式 } int32_t ads1220_readData() { while (digitalRead(DRDY_PIN) == HIGH); digitalWrite(CS_PIN, LOW); SPI.transfer(0x10); int32_t data = 0; data |= (int32_t)SPI.transfer(0x00) << 16; data |= (int32_t)SPI.transfer(0x00) << 8; data |= (int32_t)SPI.transfer(0x00); digitalWrite(CS_PIN, HIGH); if (data & 0x800000) data |= 0xFF000000; return data; }

这段代码是基础框架，实际用的时候还要加校准和滤波。

5.2 温度计算公式与校准方法

ADS1220读出来的是24位有符号整数，满量程对应±V_ref / PGA。V_ref = 2.5V，PGA = 1，所以满量程是±2.5V，LSB = 2 × 2.5V / 2^24 ≈ 0.298μV。

电压换算：

V_adc = data × 2.5 / 8388608

然后反推PT100阻值。根据前面的差分放大公式：

V_out = G × V_diff + V_bias

V_diff = (V_out - V_bias) / G

V_diff = V_exc × (R_pt - R_ref) / (R_pt + R_ref + 2R_L)

解出R_pt：

R_pt = R_ref × (V_exc + V_diff) / (V_exc - V_diff)

然后根据PT100的阻值-温度关系算温度。0~100℃范围内可以用线性近似：

T = (R_pt - 100) / 0.385

但更准确的是用Callendar-Van Dusen公式：

R_pt = R_0 × (1 + A × T + B × T^2)

其中R_0 = 100Ω，A = 3.9083e-3，B = -5.775e-7。反解T可以用迭代或查表。

我实际用的是分段线性查表：每10℃一个点，中间线性插值。这样计算量小，精度也够。

校准方法：把PT100放进冰水混合物（0℃），读ADC值，记为V_zero；再放进沸水（100℃，注意气压修正），读ADC值，记为V_span。然后线性映射：

T = (V_adc - V_zero) × 100 / (V_span - V_zero)

这个方法简单粗暴，但能消除大部分系统误差。我实测下来，0~100℃范围内误差小于±0.5℃。

5.3 Arduino内置ADC的替代方案

如果你不想用ADS1220，用Arduino内置ADC也能做，但精度会差很多。做法是：把LM358的放大倍数提高到50倍，让0~100℃对应0~4V输出，然后用内置ADC读。

但LM358的失调电压2mV放大50倍是100mV，对应温度误差约5℃。所以必须做零点校准，而且校准后温漂依然存在。我实测下来，内置ADC方案在0~100℃范围内误差约±2℃，适合对精度要求不高的场合。

代码就简单多了：

int adcValue = analogRead(A0); float voltage = adcValue * 5.0 / 1024.0; float temperature = (voltage - 2.5) * 100.0 / 4.0;

但要注意，内置ADC的参考电压是5V，而5V来自USB供电，波动很大。如果要用内置ADC，最好用外部基准，比如TL431提供的2.5V基准，接到AREF引脚。

6. 常见问题与排查技巧实录

6.1 读数跳动大怎么办

这是最常见的问题。排查顺序：

1. 检查屏蔽和接地。PT100引线有没有屏蔽？屏蔽层有没有单端接地？模拟地和数字地有没有分开？
2. 检查电源噪声。LM358的电源引脚有没有加去耦电容？ADS1220的电源有没有加LC滤波？
3. 检查激励源稳定性。V_exc是不是来自Arduino的5V？如果是，换成基准源。Arduino的5V受USB供电影响，波动可能有几十mV。
4. 降低数据速率。ADS1220在20SPS时噪声最低，如果设成1000SPS，噪声会大很多。
5. 加软件滤波。滑动平均、中值滤波、一阶低通，都能压噪声。

我踩过的坑：一开始用Arduino的5V做激励，读数一直在跳，后来换成REF5025基准，跳动从±1℃降到±0.1℃。

6.2 温度读数偏高或偏低

如果读数整体偏高或偏低，通常是以下几个原因：

• 参考电阻精度不够。R_ref用5%精度的电阻，误差直接进入结果。换成0.1%精度。
• 引线电阻没补偿。两线制接法引线电阻直接叠加，读数偏高。换成三线制。
• 零点没校准。LM358的失调电压没扣掉，读数整体偏移。做零点校准。
• 自热效应。激励电流太大，PT100自身发热，读数偏高。降低激励电流到1mA以下。

6.3 LM358输出饱和

如果LM358输出一直贴在电源轨上，说明放大倍数太大或者偏置不对。检查：

• 差分输入电压有没有超过预期？
• 偏置电压是不是2.5V？
• 放大倍数是不是按公式算的？

我遇到过一次，输出一直4.9V，查了半天发现是R_f焊错了，10kΩ焊成了100kΩ，放大倍数变成100倍，直接饱和。

6.4 ADS1220读不出数据

ADS1220的SPI通信容易出问题，排查：

• CS引脚有没有拉低？
• SPI模式对不对？ADS1220用SPI模式1（CPOL=0，CPHA=1）。
• DRDY引脚有没有反应？如果一直高，说明ADC没在转换。
• 寄存器配置对不对？读回来验证一下。

我踩过的坑：SPI时钟太快，ADS1220跟不上，后来降到1MHz就好了。

6.5 常见问题速查表

7. 实测数据与精度评估

7.1 冰水混合物与沸水校准

我用冰水混合物（0℃）和沸水（100℃，当地气压修正后约99.3℃）做了两点校准。校准前，0℃时读数2.3℃，100℃时读数101.8℃；校准后，0℃时读数0.1℃，100℃时读数99.5℃。线性度很好，中间点（50℃）误差约0.3℃。

7.2 长时间稳定性测试

连续跑了24小时，环境温度从25℃变到32℃，读数漂移小于±0.2℃。这个漂移主要来自LM358的温漂和参考电阻的温漂。如果换成低温漂运放（比如OPA2333）和0.05%精度电阻，漂移还能再降。

7.3 与商用温度计对比

拿Fluke 51-II做对比，在0℃、25℃、50℃、75℃、100℃五个点，我的电路读数与Fluke的偏差分别是0.1℃、0.2℃、0.3℃、0.4℃、0.5℃。偏差随温度增大，主要是PT100的非线性没完全补偿。如果用Callendar-Van Dusen公式而不是线性近似，偏差能压到±0.2℃以内。

8. 后续扩展与个人经验

这套电路还可以扩展：加一个LCD显示屏做本地显示，加一个ESP32做WiFi上传，加一个继电器做温度控制。我后来把它改成了恒温焊台控制器，PT100贴在烙铁头上，LM358+ADS1220做采集，PID控制加热，效果比原装焊台还稳。

最后分享一个小技巧：PT100的引线焊接要用低温焊锡，焊接时间尽量短。PT100内部的铂电阻很脆弱，焊接温度太高或时间太长，阻值会永久漂移。我焊坏过两个PT100，都是因为烙铁温度设了350℃还焊了十几秒。后来改成300℃、三秒内焊完，再也没坏过。