【導(dǎo)讀】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(cè)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(cè)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(qǐng)看圖1所示的電路。
圖1.窗口比較器。
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。
硬件設(shè)置
為窗口比較器電路構(gòu)建以下試驗(yàn)板電路。
圖2.窗口比較器試驗(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(jiǎn)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。可以使用低漂移基準(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(jiǎn)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(cè)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(cè)量VPTAT輸出值,計(jì)算實(shí)測(cè)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
圖6.溫度控制。
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:
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?
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