學子專區—ADALM2000實驗：使用窗口比較器實施溫度控制
2023-07-21 12:56:38 EETOP本次實驗的目標是使用兩個高速電壓比較器作為窗口比較器，并采用這種方法對TMP01低功耗可編程溫度控制器進行編程。
窗口比較器是一種電路配置，通常由一對電壓比較器（反相和同相）組成，其中輸出指示輸入信號是否在兩個不同閾值限定的電壓范圍內：一個閾值將在檢測到某個電壓上限VREF(HIGH)時觸發運算放大器比較器，另一個閾值則在檢測到某個電壓下限VREF(LOW)時觸發運算放大器比較器。電壓水平處于基準電壓上限和下限之間的電壓稱為窗口。
? ADALM2000主動學習模塊
? 無焊試驗板和跳線套件
? 兩個AD8561比較器
? 一個2N3904 NPN晶體管
? 兩個1N914小信號二極管
? 一個LED（任何顏色）
? 三個10 kΩ電阻
? 一個20 kΩ電阻
? 一個470 Ω電阻
請看圖1所示的電路。
該電路使用由三個等值電阻組成的分壓器網絡：R1 = R2 = R3。每個電阻兩端的壓降將等于基準電壓(VREF)的三分之一。因此，基準電壓上限(VREF(HIGH))設置為2/3 VREF，下限設置為1/3 VREF。
如果VIN低于電壓下限，即VREF(LOW)等于1/3 VREF，此時輸出將為高電平，D2將正向偏置。由于NPN晶體管基極為正電壓，Q1進入飽和狀態。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產生壓降，從而點亮LED。
當VIN高于此1/3 VREF的電壓下限且低于2/3 VREF (VREF(HIGH))時，兩個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，晶體管處于截止狀態，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進入飽和狀態。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產生壓降，從而點亮LED。
圖1.窗口比較器。
圖2.窗口比較器試驗板電路。
為窗口比較器電路構建以下試驗板電路。
使用第一波形發生器(W1)作為信號源來提供峰峰值為5V，頻率為100Hz，直流偏置為2.5V的三角波信號。
使用第二波形發生器(W2)作為5 V恒定基準電壓。
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，通道1上顯示輸入信號。
產生的波形如圖3所示。
圖3.窗口比較器波形。
當輸入電壓介于基準電壓上限和下限之間時，可在圖中觀察到窗口。
窗口比較器應用的一個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選擇適當的值之后，該電路就能監視溫度是否保持在所需范圍內（15°C至35°C）。
TMP01是一款線性電壓輸出溫度傳感器，帶有一個窗口比較器，用戶可以對其進行編程設置，當超過預定溫度設定點電壓時就會激活兩個開集輸出之一。可以使用低漂移基準電壓源來設置設定點。將兩個開集輸出連接在一起作為單線“或”輸出，我們便可獲得一個信號——當環境溫度在目標窗口內時，該信號為邏輯高電平。
圖4.溫度傳感器窗口比較器。
在使用簡單梯形電阻分壓器的基本固定設定點應用中，所需的溫度設定點按照以下步驟編程設置：
? 選擇所需的滯回溫度。
? 計算滯回電流IVREF。
? 選擇所需的設定點溫度。
? 計算為了產生期望的比較器設定點電壓（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時為1.49 V）確定設定點電壓VSETHIGH和VSETLOW。然后，根據這些設定點計算分壓電阻。計算電阻的公式如下：
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的總和等于從基準電壓源汲取期望滯回電流（即IVREF）所需的負載電阻。
圖5.溫度測量。
IVREF = 2.5 V/(R1 + R2 + R3)
由于VREF = 2.5 V，基準負載電阻為357 kΩ 或更大（輸出電流為7 μA或更小），因此溫度設定點滯回為0度。更大的負載電阻值只會將輸出電流降低到7 μA以下，而不會影響器件的運行。滯回量通過選擇VREF的負載電阻值來確定。
1. 構建如下電路：
測量VPTAT輸出值，計算實測溫度（以開氏度和攝氏度為單位）。
2. 構建如下電路：
2a. 明確元器件并嘗試繪制電路原理圖。
2b. 使用試驗板電路提供的信息計算以下參數：
? IVREF
? VSETHIGH
? VSETLOW
? TSETHIGH
? TSETLOW
2c. 溫度設定點滯回是多少度？如何更改此值？
2d. 電路的工作原理是什么？LED1（紅光）和LED2（藍光）何時點亮？解釋您的答案。
1. 對于圖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？
您可以在學子專區論壇上找到問題答案。
圖6.溫度控制。
