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V_{REF（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V_REF（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。

　　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（V_REF）的三分之一。因此，基准电压上限（V_{REF（HIGH）}）设置为2/3 V_REF，下限设置为1/3 V_REF。

　　如果V_IN低于电压下限，即V_REF（LOW）等于1/3 V_REF，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V_IN高于此1/3 V_REF的电压下限且低于2/3 V_REF （V_{REF（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V_IN高于电压上限，即V_{REF（HIGH）}等于2/3 V_REF，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。

　　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。

　　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I_VREF。

　　▲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）= （V_VREF - V_SETHIGH）/I_VREF = （2.5 V - V_SETHIGH）/I_VREF

　　R2（以kΩ为单位）= （V_SETHIGH - V_SETLOW）/I_VREF

　　R3（以kΩ为单位）= V_SETLOW/I_VREF

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

　　图5.温度测量。

　　I_VREF = 2.5 V/（R1 + R2 + R3）

　　由于V_REF = 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。

　　图6.温度控制。

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