学子专区—ADALM2000实验：使用窗口比较器实施温度控制

作者：Doug Mercer，顾问研究员
Antoniu Miclaus，系统应用工程师

目标

本次实验的目标是使用两个高速电压比较器作为窗口比较器，并采用这种方法对TMP01低功耗可编程温度控制器进行编程。

窗口比较器是一种电路配置，通常由一对电压比较器（反相和同相）组成，其中输出指示输入信号是否在两个不同阈值限定的电压范围内：一个阈值将在检测到某个电压上限VREF(HIGH)时触发运算放大器比较器，另一个阈值则在检测到某个电压下限VREF(LOW)时触发运算放大器比较器。电压水平处于基准电压上限和下限之间的电压称为窗口。

材料

►ADALM2000主动学习模块
►无焊试验板和跳线套件
►两个AD8561比较器
►一个2N3904 NPN晶体管
►两个1N914小信号二极管
►一个LED（任何颜色）
►三个10 kΩ电阻
►一个20 kΩ电阻
►一个470 Ω电阻

窗口比较器

背景知识

请看图1所示的电路。

该电路使用由三个等值电阻组成的分压器网络：R1 = R2 = R3。每个电阻两端的压降将等于基准电压(VREF)的三分之一。因此，基准电压上限(VREF(HIGH))设置为2/3 VREF，下限设置为1/3 VREF。

如果VIN低于电压下限，即VREF(LOW)等于1/3 VREF，此时输出将为高电平，D2将正向偏置。由于NPN晶体管基极为正电压，Q1进入饱和状态。因此，输出电压为零，供电电压在R5和D3上产生压降，从而点亮LED。

当VIN高于此1/3 VREF的电压下限且低于2/3 VREF (VREF(HIGH))时，两个比较器的输出均为低电平，二极管反向偏置。Q1的基极没有电压，晶体管处于截止状态，没有集电极电流流过R6或R5、D3。输出电压为电源电压V+。

如果VIN高于电压上限，即VREF(HIGH)等于2/3 VREF，此时输出将为高电平，D1将正向偏置。由于NPN晶体管基极为正电压，Q1进入饱和状态。因此，输出电压为零，供电电压在R5和D3上产生压降，从而点亮LED。

图1.窗口比较器。

图2.窗口比较器试验板电路。

硬件设置

为窗口比较器电路构建以下试验板电路。

程序步骤

使用第一波形发生器(W1)作为信号源来提供峰峰值为5V，频率为100Hz，直流偏置为2.5V的三角波信号。

使用第二波形发生器(W2)作为5 V恒定基准电压。

使用5 V电源为电路供电。

配置示波器，使通道2上显示输出信号，通道1上显示输入信号。

产生的波形如图3所示。

图3.窗口比较器波形。

当输入电压介于基准电压上限和下限之间时，可在图中观察到窗口。

温度控制

背景知识

窗口比较器应用的一个示例是简单的温度控制器电路（图2）。温度传感器TMP01采用图1所示的双比较器配置。为R1、R2和R3选择适当的值之后，该电路就能监视温度是否保持在所需范围内（15°C至35°C）。

TMP01是一款线性电压输出温度传感器，带有一个窗口比较器，用户可以对其进行编程设置，当超过预定温度设定点电压时就会激活两个开集输出之一。可以使用低漂移基准电压源来设置设定点。将两个开集输出连接在一起作为单线“或”输出，我们便可获得一个信号——当环境温度在目标窗口内时，该信号为逻辑高电平。

图4.温度传感器窗口比较器。

对TMP01进行编程

在使用简单梯形电阻分压器的基本固定设定点应用中，所需的温度设定点按照以下步骤编程设置：

►选择所需的滞回温度。
►计算滞回电流IVREF。
►选择所需的设定点温度。
►计算为了产生期望的比较器设定点电压（SET HIGH和SET LOW）所需的电阻分压器各梯形电阻值。

滞回电流很容易计算。例如，如需2度的滞回，IVREF = 17 μA。接下来，使用VPTAT比例因子5 mV/K = 5 mV/(°C + 273.15)（25°C时为1.49 V）确定设定点电压VSETHIGH和VSETLOW。然后，根据这些设定点计算分压电阻。计算电阻的公式如下：

VSETHIGH = (T_SETHIGH + 273.15) (5 mV/°C)
VSETLOW = (T_SETLOW + 273.15) (5 mV/°C)
R1（以kΩ为单位）= (V_VREF − V_SETHIGH)/I_VREF = (2.5 V − V_SETHIGH)/I_VREF
R2（以kΩ为单位）= (V_SETHIGH − V_SETLOW)/I_VREF
R3（以kΩ为单位）= VS_ETLOW/I_VREF
R1 + R2 + R3的总和等于从基准电压源汲取期望滞回电流（即I_VREF）所需的负载电阻。

图5.温度测量。

I_VREF = 2.5 V/(R1 + R2 + R3)

由于VREF = 2.5 V，基准负载电阻为357 kΩ 或更大（输出电流为7 μA或更小），因此温度设定点滞回为0度。更大的负载电阻值只会将输出电流降低到7 μA以下，而不会影响器件的运行。滞回量通过选择VREF的负载电阻值来确定。

任务

1.构建如下电路：

测量VPTAT输出值，计算实测温度（以开氏度和摄氏度为单位）。

2.构建如下电路：

2a. 明确元器件并尝试绘制电路原理图。
2b. 使用试验板电路提供的信息计算以下参数：

►IVREF
►VSETHIGH
►VSETLOW
►TSETHIGH
►TSETLOW

2c. 温度设定点滞回是多少度？如何更改此值？
2d. 电路的工作原理是什么？LED1（红光）和LED2（蓝光）何时点亮？解释您的答案。

问题：

1.对于图1所示电路，通过公式表示VREF(LOW)和VREF(HIGH)与R1、R2、R3和W2的依赖关系。如果所有电阻都相等，那么VREF(HIGH)和VREF(LOW)的比值是多少？

您可以在学子专区论坛上找到问题答案。

图6.温度控制。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

关于作者

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生。他拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。