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
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。
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 = (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。
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:
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。