目標(biāo)

本次實驗的目標(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(nèi)：一個閾值將在檢測到某個電壓上限V_REF(HIGH)時觸發(fā)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(fā)運算放大器比較器。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(V_REF)的三分之一。因此，基準(zhǔn)電壓上限(V_REF(HIGH))設(shè)置為2/3 V_REF，下限設(shè)置為1/3 V_REF。 

如果V_IN低于電壓下限，即V_REF(LOW)等于1/3 V_REF，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(tài)。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產(chǎn)生壓降，從而點亮LED。

當(dāng)V_IN高于此1/3 V_REF的電壓下限且低于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V_IN高于電壓上限，即V_REF(HIGH)等于2/3 V_REF，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(tài)。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產(chǎn)生壓降，從而點亮LED。 

圖1.窗口比較器。 

圖2.窗口比較器試驗板電路。 

硬件設(shè)置

為窗口比較器電路構(gòu)建以下試驗板電路。 

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螅撾娐肪湍鼙O(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，用戶可以對其進行編程設(shè)置，當(dāng)超過預(yù)定溫度設(shè)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(zhǔn)電壓源來設(shè)置設(shè)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(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進行編程

在使用簡單梯形電阻分壓器的基本固定設(shè)定點應(yīng)用中，所需的溫度設(shè)定點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I_VREF。

? 選擇所需的設(shè)定點溫度。

? 計算為了產(chǎn)生期望的比較器設(shè)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(shè)定點電壓V_SETHIGH和V_SETLOW。然后，根據(jù)這些設(shè)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的總和等于從基準(zhǔn)電壓源汲取期望滯回電流（即I_VREF）所需的負(fù)載電阻。 

圖5.溫度測量。 

I_VREF = 2.5 V/(R1 + R2 + R3) 

由于V_REF = 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行。滯回量通過選擇V_REF的負(fù)載電阻值來確定。 

任務(wù)

1. 構(gòu)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(gòu)建如下電路： 

2a. 明確元器件并嘗試?yán)L制電路原理圖。 

2b. 使用試驗板電路提供的信息計算以下參數(shù)： 

? I_VREF

? V_SETHIGH 

? V_SETLOW 

? T_SETHIGH 

? T_SETLOW 

2c. 溫度設(shè)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(lán)光）何時點亮？解釋您的答案。 

問題：

1. 對于圖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(guān)系。如果所有電阻都相等，那么V_REF(HIGH)和V_REF(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)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(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，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。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。