ADALM2000實驗：使用視窗比較器進行溫度控制

作者：ADI 顧問研究員Doug Mercer 及系統應用工程師Antoniu Miclaus

目標

本次實驗的目標是使用兩個高速電壓比較器作為視窗比較器，並採用此種方法對TMP01低功耗可編程溫度控制器進行編程。

視窗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，其中輸出指示輸入訊號是否在兩個不同閾值限定的電壓範圍內：一個閾值將在檢測到某個電壓上限VREF(HIGH)時觸發運算放大器比較器，另一個閾值則在檢測到某個電壓下限VREF(LOW)時觸發運算放大器比較器。電壓水準處於基準電壓上限和下限之間的電壓稱為視窗。

材料

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊試驗板和跳線套件
  • 兩個AD8561比較器
  • 一個2N3904 NPN電晶體
  • 兩個1N914小訊號二極體
  • 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。

Figure 1. A window comparator.
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路：R1 = R2 = R3。每個電阻兩端的壓降將等於基準電壓(VREF)的三分之一。因此，基準電壓上限(VREF(HIGH)) 設定為 2/3 VREF，下限設定為 1/3 VREF。

如果 VIN 低於電壓下限，即 (VREF(LOW)) 等於 1/3 VREF，此時輸出將為高位準，D2將正向偏置。由於NPN電晶體基極為正電壓，Q1進入飽和狀態。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產生壓降，進而點亮LED。

當 VIN高於此 1/3 VREF的電壓下限且低於 2/3 VREF (VREF(HIGH))時，兩個比較器的輸出均為低位準，二極體反向偏置。Q1的基極沒有電壓，電晶體處於截止狀態，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 高於電壓上限，即 VREF(HIGH) 等於 2/3 VREF，此時輸出將為高位準，D1將正向偏置。由於NPN電晶體基極為正電壓，Q1進入飽和狀態。因此，輸出電壓為零，供電電壓在R5和D3上產生壓降，進而點亮LED。

硬體設定

為視窗比較器電路建構以下試驗板電路。

Figure 2. A window comparator breadboard circuit. 
圖2.視窗比較器試驗板電路。

程式步驟

使用第一波形產生器(W1)作為訊號源來提供峰對峰值為5V，頻率為100Hz，直流偏置為2.5V的三角波訊號。

使用第二波形產生器(W2)作為5 V恆定基準電壓。

使用5 V電源為電路供電。

配置示波器，使通道2上顯示輸出訊號，通道1上顯示輸入訊號。

產生的波形如圖3所示。

Figure 3. Window comparator waveforms.
圖3.窗口比較器波形。

當輸入電壓介於基準電壓上限和下限之間時，可在圖中觀察到視窗。

溫度控制

背景知識

視窗比較器應用的一個示例是簡單的溫度控制器電路（圖2）。溫度感測器TMP01採用圖1所示的雙比較器配置。為R1、R2和R3選擇適當的值之後，該電路就能監視溫度是否保持在所需範圍內（15°C至35°C）。

TMP01為一款線性電壓輸出溫度感測器，具有一個視窗比較器，使用者可以對其進行編程設定，當超過預定溫度設定點電壓時就會啟動兩個開集輸出之一。可以使用低漂移基準電壓源來設定設定點，將兩個開集輸出連接在一起作為單線「或」輸出，我們便可獲得一個訊號——當環境溫度在目標視窗內時，該訊號為邏輯高位準。

Figure 4. A temperature sensor window comparator.
圖4.溫度感測器視窗比較器。

對TMP01進行編程

在使用簡單梯形電阻分壓器的基本固定設定點應用中，所需的溫度設定點按照以下步驟編程設定：

  • 選擇所需的滯回溫度。
  • 計算滯回電流IVREF.
  • 選擇所需的設定點溫度。
  • 計算為了產生期望的比較器設定點電壓（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 比例因數 5 mV/K = 5 mV/ (°C + 273.15)（25°C時為1.49 V）確定設定點電壓 VSETHIGH 和 VSETLOW。然後，根據這些設定點計算分壓電阻。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的總和等於從基準電壓源汲取期望滯回電流（即 IVREF）所需的負載電阻。

Figure 5. Temperature measurement.
圖5.溫度測量。

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

由於 VREF = 2.5 V，基準負載電阻為357 kΩ 或更大（輸出電流為7 μA或更小），因此溫度設定點滯回為0度。更大的負載電阻值只會將輸出電流降低到7 μA以下，而不會影響元件的運行。滯回量透過選擇 VREF的負載電阻值來確定。

任務

1. 建構如下電路：

測量 VPTAT 輸出值，計算實測溫度（以開氏度和攝氏度為單位）。

2. 建構如下電路：

2a. 明確零組件並嘗試繪製電路原理圖。

2b. 使用試驗板電路提供的資訊計算以下參數：

  • IVREF
  • VSETHIGH
  • VSETLOW
  • TSETHIGH
  • TSETLOW
Figure 6. Temperature control.
圖6.溫度控制。

2c. 溫度設定點滯回是多少度？如何更改此值？

2d. 電路的工作原理是什麼？LED1（紅光）和LED2（藍光）何時點亮？解釋您的答案。

問題：

對於圖1所示電路，透過公式表示 VREF(LOW) 和 VREF(HIGH) 與R1、R2、R3和W2的依賴關係。如果所有電阻都相等，那麼 VREF(HIGH) 和 VREF(LOW))的比值是多少？

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