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
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目標(biāo)
本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)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(jìn)行編程。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202307/448873.htm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(nèi)：一個閾值將在檢測到某個電壓上限VREF(HIGH)時觸發(fā)運(yùn)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(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主動學(xué)習(xí)模塊
? 無焊試驗(yàn)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。
該電路使用由三個等值電阻組成的分壓器網(wǎng)絡(luò)：R1 = R2 = R3。每個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，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?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(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，通道1上顯示輸入信號。
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，可在圖中觀察到窗口。
溫度控制
背景知識
窗口比較器應(yīng)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(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，帶有一個窗口比較器，用戶可以對其進(jìn)行編程設(shè)置，當(dāng)超過預(yù)定溫度設(shè)定點(diǎn)電壓時就會激活兩個開集輸出之一?？梢允褂玫推苹鶞?zhǔn)電壓源來設(shè)置設(shè)定點(diǎn)。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(dāng)環(huán)境溫度在目標(biāo)窗口內(nèi)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(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。
? 計算滯回電流IVREF。
? 選擇所需的設(shè)定點(diǎn)溫度。
? 計算為了產(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(shè)定點(diǎn)電壓VSETHIGH和VSETLOW。然后，根據(jù)這些設(shè)定點(diǎn)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(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?。?，因此溫度設(shè)定點(diǎn)滯回為0度。更大的負(fù)載電阻值只會將輸出電流降低到7 μA以下，而不會影響器件的運(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）何時點(diǎn)亮？解釋您的答案。
問題：
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(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。
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關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。
關(guān)于作者
Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。
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