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ADALM2000實驗：使用窗口比較器實施溫度控製

發布時間：2023-08-16 來源：ADI 責任編輯：wenwei

【導讀】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，並采用這種方法對TMP01低功耗可編程溫度控製器進行編程。

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範圍內：一個閾值將在檢測到某個電壓上限V_REF(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V_REF(LOW)時觸發運算放大器比較器。電壓水平處於基準電壓上限和下限之間的電壓稱為窗口。

材料

● 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

窗口比較器

背景知識

請看圖1所示的電路。

圖1.窗口比較器。

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於基準電壓(V_REF)的三分之一。因此，基準電壓上限(V_REF(HIGH))設置為2/3 V_REF，下限設置為1/3 V_REF。

如果V_IN低於電壓下限，即V_REF(LOW)等於1/3 VREF，此時輸出將為高電平，D2將正向偏置。由於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V_IN高於此1/3 V_REF的電壓下限且低於2/3 V_REF (V_REF(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，晶體管處於截止狀態，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V_IN高於電壓上限，即V_REF(HIGH)等於2/3 V_REF，此時輸出將為高電平，D1將正向偏置。由於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。

硬件設置

為窗口比較器電路構建以下試驗板電路。

圖2.窗口比較器試驗板電路。

程序步驟

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。

當輸入電壓介於基準電壓上限和下限之間時，可在圖中觀察到窗口。

溫度控製

背景知識

窗口比較器應用的一個示例是簡單的溫度控製器電路（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選擇適當的值之後，該電路就能監視溫度是否保持在所需範圍內（15°C至35°C）。

TMP01是(shi)一(yi)款(kuan)線(xian)性(xing)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，帶(dai)有(you)一(yi)個(ge)窗(chuang)口(kou)比(bi)較(jiao)器(qi)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)設(she)置(zhi)，當(dang)超(chao)過(guo)預(yu)定(ding)溫(wen)度(du)設(she)定(ding)點(dian)電(dian)壓(ya)時(shi)就(jiu)會(hui)激(ji)活(huo)兩(liang)個(ge)開(kai)集(ji)輸(shu)出(chu)之(zhi)一(yi)。可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)低(di)漂(piao)移(yi)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)源(yuan)來(lai)設(she)置(zhi)設(she)定(ding)點(dian)。將(jiang)兩(liang)個(ge)開(kai)集(ji)輸(shu)出(chu)連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)作(zuo)為(wei)單(dan)線(xian)"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。

對TMP01進行編程

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I_VREF。

● 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，I_VREF = 17 μA。接下來，使用V_PTAT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V_SETHIGH和V_SETLOW。然後，根據這些設定點計算分壓電阻。計算電阻的公式如下：

V_SETHIGH = (T_SETHIGH + 273.15) (5 mV/°C)

V_SETLOW = (T_SETLOW + 273.15) (5 mV/°C)

R1（以kΩ為單位）= (V_VREF − V_SETHIGH)/I_VREF = (2.5 V − V_SETHIGH)/I_VREF

R2（以kΩ為單位）= (V_SETHIGH − V_SETLOW)/I_VREF

R3（以kΩ為單位）= V_SETLOW/I_VREF

R1 + R2 + R3的總和等於從基準電壓源汲取期望滯回電流（即I_VREF）所需的負載電阻。

圖5.溫度測量。

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

由於V_REF = 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。更大的負載電阻值隻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。

任務

1. 構建如下電路：

測量V_PTAT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. 明確元器件並嚐試繪製電路原理圖。

2b. 使用試驗板電路提供的信息計算以下參數：

● I_VREF

● V_SETHIGH

● V_SETLOW

● T_SETHIGH

● T_SETLOW

圖6.溫度控製。

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麼？LED1（紅光）和LED2（藍光）何時點亮？解釋您的答案。

問題：

對於圖1所示電路，通過公式表示V_REF(LOW)和V_REF(HIGH)與R1、R2、R3和W2的依賴關係。如果所有電阻都相等，那麼V_REF(HIGH)和V_REF(LOW)的比值是多少？

您可以在學子專區論壇上找到問題答案。

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