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學子專區—ADALM2000實驗:使用窗口比較器實施溫度控制

2023-07-21 16:25 來源:ADI 編輯:電源網

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

目標

本次實驗的目標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: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。電壓水平處于基準電壓上限和下限之間的電壓稱為窗口。

材料

?ADALM2000主動學習模塊

?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。

該電路使用由三個等值電阻組成的分壓器網絡:R1 = R2 = R3。每個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。因此,輸出電壓為零,供電電壓在R5和D3上產生壓降,從而點亮LED。

當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。因此,輸出電壓為零,供電電壓在R5和D3上產生壓降,從而點亮LED。

下載.png

圖1.窗口比較器。

下載.png

圖2.窗口比較器試驗板電路。

硬件設置

為窗口比較器電路構建以下試驗板電路。

程序步驟

使用第一波形發生器(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。

產生的波形如圖3所示。

下載.png

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,可在圖中觀察到窗口。

溫度控制

背景知識

窗口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置,當超過預定溫度設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電壓源來設置設定點。將兩個開集輸出連接在一起作為單線“或”輸出,我們便可獲得一個信號——當環境溫度在目標窗口內時,該信號為邏輯高電平。

下載.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定點應用中,所需的溫度設定點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比例因子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。然后,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的總和等于從基準電壓源汲取期望滯回電流(即IVREF)所需的負載電阻。

下載.png

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,而不會影響器件的運行。滯回量通過選擇VREF的負載電阻值來確定。

任務

1.構建如下電路:

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

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么?LED1(紅光)和LED2(藍光)何時點亮?解釋您的答案。

問題:

1.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?

您可以在學子專區論壇上找到問題答案。

下載.png

圖6.溫度控制。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司,致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁,以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案,推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展,應對氣候變化挑戰,并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元,全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息,請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI),獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來,他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品,并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年,他從全職工作轉型,并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問,為“主動學習計劃”撰稿。2016年,他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師,從事ADI教學項目工作,同時為Circuits from the Lab®、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。

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