學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn)：使用窗口比較器實(shí)施溫度控制

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是使用兩個(gè)高速電壓比較器作為窗口比較器，并采用這種方法對(duì)TMP01低功耗可編程溫度控制器進(jìn)行編程。

窗口比較器是一種電路配置，通常由一對(duì)電壓比較器（反相和同相）組成，其中輸出指示輸入信號(hào)是否在兩個(gè)不同閾值限定的電壓范圍內(nèi)：一個(gè)閾值將在檢測到某個(gè)電壓上限VREF(HIGH)時(shí)觸發(fā)運(yùn)算放大器比較器，另一個(gè)閾值則在檢測到某個(gè)電壓下限VREF(LOW)時(shí)觸發(fā)運(yùn)算放大器比較器。電壓水平處于基準(zhǔn)電壓上限和下限之間的電壓稱為窗口。

材料

ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

• 無焊試驗(yàn)板和跳線套件
• 兩個(gè)AD8561比較器
• 一個(gè)2N3904 NPN晶體管
• 兩個(gè)1N914小信號(hào)二極管
• 一個(gè)LED（任何顏色）
• 三個(gè)10 kΩ電阻
• 一個(gè)20 kΩ電阻
• 一個(gè)470 Ω電阻

窗口比較器

背景知識(shí)

請看圖1所示的電路。

該電路使用由三個(gè)等值電阻組成的分壓器網(wǎng)絡(luò)：R1 = R2 = R3。每個(gè)電阻兩端的壓降將等于基準(zhǔn)電壓(VREF)的三分之一。因此，基準(zhǔn)電壓上限(VREF(HIGH))設(shè)置為2/3 VREF，下限設(shè)置為1/3 VREF。

如果VIN低于電壓下限，即VREF(LOW)等于1/3 VREF，此時(shí)輸出將為高電平，D2將正向偏置。由于NPN晶體管基極為正電壓，Q1進(jìn)入飽和狀態(tài)。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產(chǎn)生壓降，從而點(diǎn)亮LED。

當(dāng)VIN高于此1/3 VREF的電壓下限且低于2/3 VREF (VREF(HIGH))時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出均為低電平，二極管反向偏置。Q1的基極沒有電壓，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有集電極電流流過R6或R5、D3。輸出電壓為電源電壓V+。

如果VIN高于電壓上限，即VREF(HIGH)等于2/3 VREF，此時(shí)輸出將為高電平，D1將正向偏置。由于NPN晶體管基極為正電壓，Q1進(jìn)入飽和狀態(tài)。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產(chǎn)生壓降，從而點(diǎn)亮LED。

圖1.窗口比較器。

圖2.窗口比較器試驗(yàn)板電路。

硬件設(shè)置

為窗口比較器電路構(gòu)建以下試驗(yàn)板電路。

程序步驟

使用第一波形發(fā)生器(W1)作為信號(hào)源來提供峰峰值為5V，頻率為100Hz，直流偏置為2.5V的三角波信號(hào)。

使用第二波形發(fā)生器(W2)作為5 V恒定基準(zhǔn)電壓。

使用5 V電源為電路供電。

配置示波器，使通道2上顯示輸出信號(hào)，通道1上顯示輸入信號(hào)。

產(chǎn)生的波形如圖3所示。

圖3.窗口比較器波形。

當(dāng)輸入電壓介于基準(zhǔn)電壓上限和下限之間時(shí)，可在圖中觀察到窗口。

溫度控制

背景知識(shí)

窗口比較器應(yīng)用的一個(gè)示例是簡單的溫度控制器電路（圖2）。溫度傳感器TMP01采用圖1所示的雙比較器配置。為R1、R2和R3選擇適當(dāng)?shù)闹抵?，該電路就能監(jiān)視溫度是否保持在所需范圍內(nèi)（15°C至35°C）。

TMP01是一款線性電壓輸出溫度傳感器，帶有一個(gè)窗口比較器，用戶可以對(duì)其進(jìn)行編程設(shè)置，當(dāng)超過預(yù)定溫度設(shè)定點(diǎn)電壓時(shí)就會(huì)激活兩個(gè)開集輸出之一?？梢允褂玫推?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1581145.html">基準(zhǔn)電壓源來設(shè)置設(shè)定點(diǎn)。將兩個(gè)開集輸出連接在一起作為單線“或”輸出，我們便可獲得一個(gè)信號(hào)——當(dāng)環(huán)境溫度在目標(biāo)窗口內(nèi)時(shí)，該信號(hào)為邏輯高電平。

圖4.溫度傳感器窗口比較器。

對(duì)TMP01進(jìn)行編程

在使用簡單梯形電阻分壓器的基本固定設(shè)定點(diǎn)應(yīng)用中，所需的溫度設(shè)定點(diǎn)按照以下步驟編程設(shè)置：

• 選擇所需的滯回溫度。
• 計(jì)算滯回電流IVREF。
• 選擇所需的設(shè)定點(diǎn)溫度。
• 計(jì)算為了產(chǎn)生期望的比較器設(shè)定點(diǎn)電壓（SET HIGH和SET LOW）所需的電阻分壓器各梯形電阻值。

滯回電流很容易計(jì)算。例如，如需2度的滯回，IVREF = 17 μA。接下來，使用VPTAT比例因子5 mV/K = 5 mV/(°C + 273.15)（25°C時(shí)為1.49 V）確定設(shè)定點(diǎn)電壓VSETHIGH和VSETLOW。然后，根據(jù)這些設(shè)定點(diǎn)計(jì)算分壓電阻。計(jì)算電阻的公式如下：

VSETHIGH = (TSETHIGH + 273.15) (5 mV/°C)

VSETLOW = (TSETLOW + 273.15) (5 mV/°C)

R1（以kΩ為單位）= (VVREF ? VSETHIGH)/IVREF = (2.5 V ? VSETHIGH)/IVREF

R2（以kΩ為單位）= (VSETHIGH ? VSETLOW)/IVREF

R3（以kΩ為單位）= VSETLOW/IVREF

R1 + R2 + R3的總和等于從基準(zhǔn)電壓源汲取期望滯回電流（即IVREF）所需的負(fù)載電阻。

圖5.溫度測量。

IVREF = 2.5 V/(R1 + R2 + R3)

由于VREF = 2.5 V，基準(zhǔn)負(fù)載電阻為357 kΩ 或更大（輸出電流為7 μA或更小），因此溫度設(shè)定點(diǎn)滯回為0度。更大的負(fù)載電阻值只會(huì)將輸出電流降低到7 μA以下，而不會(huì)影響器件的運(yùn)行。滯回量通過選擇VREF的負(fù)載電阻值來確定。

任務(wù)

1. 構(gòu)建如下電路：

測量VPTAT輸出值，計(jì)算實(shí)測溫度（以開氏度和攝氏度為單位）。

2. 構(gòu)建如下電路：

2a. 明確元器件并嘗試?yán)L制電路原理圖。

2b. 使用試驗(yàn)板電路提供的信息計(jì)算以下參數(shù)：

• IVREF
• VSETHIGH
• VSETLOW
• TSETHIGH
• TSETLOW

2c. 溫度設(shè)定點(diǎn)滯回是多少度？如何更改此值？

2d. 電路的工作原理是什么？LED1（紅光）和LED2（藍(lán)光）何時(shí)點(diǎn)亮？解釋您的答案。

問題：

1. 對(duì)于圖1所示電路，通過公式表示VREF(LOW)和VREF(HIGH)與R1、R2、R3和W2的依賴關(guān)系。如果所有電阻都相等，那么VREF(HIGH)和VREF(LOW)的比值是多少？

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。

圖6.溫度控制。