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ADALM2000實驗:使用窗口比較器實施溫度控制

發(fā)布時間:2023-08-16 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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VREF(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VREF(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。


1689836527857508.png

圖1.窗口比較器。


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(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)VIN高于此1/3 VREF的電壓下限且低于2/3 VREF (VREF(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VIN高于電壓上限,即VREF(HIGH)等于2/3 VREF,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。


硬件設(shè)置


為窗口比較器電路構(gòu)建以下試驗板電路。


8.jpg

圖2.窗口比較器試驗板電路。


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。


9.jpg

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?,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。


1689836495629666.png

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IVREF。

●   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,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)定點電壓VSETHIGH和VSETLOW。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:


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)所需的負載電阻。


11.jpg

圖5.溫度測量。


IVREF = 2.5 V/(R1 + R2 + R3)


由于VREF = 2.5 V,基準(zhǔn)負載電阻為357 kΩ 或更大(輸出電流為7 μA或更?。?,因此溫度設(shè)定點滯回為0度。更大的負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VREF的負載電阻值來確定。


任務(wù)


1. 構(gòu)建如下電路:


測量VPTAT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(shù):


●   IVREF

●   VSETHIGH

●   VSETLOW

●   TSETHIGH

●   TSETLOW


12.jpg

圖6.溫度控制。


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(藍光)何時點亮?解釋您的答案。


問題:


對于圖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?


您可以在 學(xué)子專區(qū)論壇 上找到問題答案。



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