【導讀】本次實(shí)驗的目標是使用兩個(gè)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(gè)不同閾值限定的電壓范圍內：一個(gè)閾值將在檢測到某個(gè)電壓上限VREF(HIGH)時(shí)觸發(fā)運算放大器比較器，另一個(gè)閾值則在檢測到某個(gè)電壓下限VREF(LOW)時(shí)觸發(fā)運算放大器比較器。電壓水平處于基準電壓上限和下限之間的電壓稱(chēng)為窗口。
材料
● ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習模塊
● 無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)套件
● 兩個(gè)AD8561比較器
● 一個(gè)2N3904 NPN晶體管
● 兩個(gè)1N914小信號二極管
● 一個(gè)LED（任何顏色）
● 三個(gè)10 kΩ電阻
● 一個(gè)20 kΩ電阻
● 一個(gè)470 Ω電阻
窗口比較器
背景知識
請看圖1所示的電路。
圖1.窗口比較器。
該電路使用由三個(gè)等值電阻組成的分壓器網(wǎng)絡(luò )：R1 = R2 = R3。每個(gè)電阻兩端的壓降將等于基準電壓(VREF)的三分之一。因此，基準電壓上限(VREF(HIGH))設置為2/3 VREF，下限設置為1/3 VREF。
如果VIN低于電壓下限，即VREF(LOW)等于1/3 VREF，此時(shí)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VIN高于此1/3 VREF的電壓下限且低于2/3 VREF (VREF(HIGH))時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出均為低電平，二極管反向偏置。Q1的基極沒(méi)有電壓，晶體管處于截止狀態(tài)，沒(méi)有集電極電流流過(guò)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(shí)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。
硬件設置
為窗口比較器電路構建以下試驗板電路。
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(lái)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。
當輸入電壓介于基準電壓上限和下限之間時(shí)，可在圖中觀(guān)察到窗口。
溫度控制
背景知識
窗口比較器應用的一個(gè)示例是簡(jiǎn)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選擇適當的值之后，該電路就能監視溫度是否保持在所需范圍內（15°C至35°C）。
TMP01是一款線(xiàn)性電壓輸出溫度傳感器，帶有一個(gè)窗口比較器，用戶(hù)可以對其進(jìn)行編程設置，當超過(guò)預定溫度設定點(diǎn)電壓時(shí)就會(huì )激活兩個(gè)開(kāi)集輸出之一?？梢允褂玫推苹鶞孰妷涸磥?lái)設置設定點(diǎn)。將兩個(gè)開(kāi)集輸出連接在一起作為單線(xiàn)"或"輸出，我們便可獲得一個(gè)信號——當環(huán)境溫度在目標窗口內時(shí)，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(jiǎn)單梯形電阻分壓器的基本固定設定點(diǎn)應用中，所需的溫度設定點(diǎn)按照以下步驟編程設置：
● 選擇所需的滯回溫度。
● 計算滯回電流IVREF。
● 選擇所需的設定點(diǎn)溫度。
● 計算為了產(chǎn)生期望的比較器設定點(diǎn)電壓（SET HIGH和SET LOW）所需的電阻分壓器各梯形電阻值。
滯回電流很容易計算。例如，如需2度的滯回，IVREF = 17 μA。接下來(lái)，使用VPTAT比例因子5 mV/K = 5 mV/(°C + 273.15)（25°C時(shí)為1.49 V）確定設定點(diǎn)電壓VSETHIGH和VSETLOW。然后，根據這些設定點(diǎn)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的總和等于從基準電壓源汲取期望滯回電流（即IVREF）所需的負載電阻。
圖5.溫度測量。
IVREF = 2.5 V/(R1 + R2 + R3)
由于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?。?，因此溫度設定點(diǎn)滯回為0度。更大的負載電阻值只會(huì )將輸出電流降低到7 μA以下，而不會(huì )影響器件的運行。滯回量通過(guò)選擇VREF的負載電阻值來(lái)確定。
任務(wù)
1. 構建如下電路：
測量VPTAT輸出值，計算實(shí)測溫度（以開(kāi)氏度和攝氏度為單位）。
2. 構建如下電路：
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：
● IVREF
● VSETHIGH
● VSETLOW
● TSETHIGH
● TSETLOW
圖6.溫度控制。
2c. 溫度設定點(diǎn)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(shí)點(diǎn)亮？解釋您的答案。
問(wèn)題：
對于圖1所示電路，通過(guò)公式表示VREF(LOW)和VREF(HIGH)與R1、R2、R3和W2的依賴(lài)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？
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