学子专区―ADALM2000实验:使用窗口比较器实施温度控制

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。

Figure 1. A window comparator.
图1.窗口比较器。

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。

硬件设置

为窗口比较器电路构建以下试验板电路。

Figure 2. A window comparator breadboard circuit.
图2.窗口比较器试验板电路。

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。

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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。

Figure 4. A temperature sensor window comparator.
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 = (TSETHIGH + 273.15) (5 mV/°C)

VSETLOW = (TSETLOW + 273.15) (5 mV/°C)

R1(以kΩ为单位)= (VVREF − VSETHIGH)/IVREF = (2.5 V − VSETHIGH)/IVREF

R2(以kΩ为单位)= (VSETHIGH − VSETLOW)/IVREF

R3(以kΩ为单位)= VSETLOW/IVREF

R1 + R2 + R3的总和等于从基准电压源汲取期望滞回电流(即IVREF)所需的负载电阻。

Figure 5. Temperature measurement.
图5.温度测量。

IVREF = 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
Figure 6. Temperature control.
图6.温度控制。

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:

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。

作者

学子专区―ADALM2000实验:使用窗口比较器实施温度控制

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。学子专区―ADALM2000实验:使用窗口比较器实施温度控制

Antoniu Miclaus

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,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

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发布日期:2023年07月21日  所属分类:技术文库