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。

　　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(yùn)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(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（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(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)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(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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(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(jì)算滯回電流I_VREF。

　　▲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）= （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?。?，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。

　　圖6.溫度控制。

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