目標

本次實(shí)驗的目標是使用兩個(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(gè)不同閾值限定的電壓范圍內：一個(gè)閾值將在檢測到某個(gè)電壓上限V_REF(HIGH)時(shí)觸發(fā)運算放大器比較器，另一個(gè)閾值則在檢測到某個(gè)電壓下限V_REF(LOW)時(shí)觸發(fā)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(chēng)為窗口。 

材料

? ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊

? 無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)套件

? 兩個(gè)AD8561比較器

? 一個(gè)2N3904 NPN晶體管

? 兩個(gè)1N914小信號二極管

? 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

請看圖1所示的電路。

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低于電壓下限，即V_REF(LOW)等于1/3 V_REF，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(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(méi)有電壓，晶體管處于截止狀態(tài)，沒(méi)有集電極電流流過(guò)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(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。 

圖1.窗口比較器。 

圖2.窗口比較器試驗板電路。 

硬件設置

為窗口比較器電路構建以下試驗板電路。 

程序步驟

使用第一波形發(fā)生器(W1)作為信號源來(lái)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。 

當輸入電壓介于基準電壓上限和下限之間時(shí)，可在圖中觀(guān)察到窗口。 

溫度控制

背景知識

窗口比較器應用的一個(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(xiàn)性電壓輸出溫度傳感器，帶有一個(gè)窗口比較器，用戶(hù)可以對其進(jìn)行編程設置，當超過(guò)預定溫度設定點(diǎn)電壓時(shí)就會(huì )激活兩個(gè)開(kāi)集輸出之一?？梢允褂玫推苹鶞孰妷涸磥?lái)設置設定點(diǎn)。將兩個(gè)開(kāi)集輸出連接在一起作為單線(xiàn)“或”輸出，我們便可獲得一個(gè)信號——當環(huán)境溫度在目標窗口內時(shí)，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(jiǎn)單梯形電阻分壓器的基本固定設定點(diǎn)應用中，所需的溫度設定點(diǎn)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(diǎn)溫度。

? 計算為了產(chǎn)生期望的比較器設定點(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，I_VREF = 17 μA。接下來(lái)，使用V_PTAT比例因子5 mV/K = 5 mV/(°C + 273.15)（25°C時(shí)為1.49 V）確定設定點(diǎn)電壓V_SETHIGH和V_SETLOW。然后，根據這些設定點(diǎn)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) 

由于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?。?，因此溫度設定點(diǎn)滯回為0度。更大的負載電阻值只會(huì )將輸出電流降低到7 μA以下，而不會(huì )影響器件的運行。滯回量通過(guò)選擇V_REF的負載電阻值來(lái)確定。 

任務(wù)

1. 構建如下電路： 

測量V_PTAT輸出值，計算實(shí)測溫度（以開(kāi)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： 

? I_VREF

? V_SETHIGH 

? V_SETLOW 

? T_SETHIGH 

? T_SETLOW 

2c. 溫度設定點(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（藍光）何時(shí)點(diǎn)亮？解釋您的答案。 

問(wèn)題：

1. 對于圖1所示電路，通過(guò)公式表示V_REF(LOW)和V_REF(HIGH)與R1、R2、R3和W2的依賴(lài)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(zhuān)區論壇上找到問(wèn)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)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，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(lái)，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產(chǎn)品，并擁有13項專(zhuān)利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽(yù)研究員身份擔任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。 

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab^?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)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。