窗口比較器簡(jiǎn)介

　　窗口比較器，又稱為雙限比較器，具有兩個(gè)門(mén)限電平，用于檢測(cè)輸入模擬信號(hào)的電平是否處在給定的兩個(gè)門(mén)限電平之間。在元件選擇與分類，或?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視與控制時(shí)，窗口比較器是很有用的。

　　圖為一典型的窗口比較器電路，電路由兩個(gè)集成運(yùn)放LM358組成，輸入電壓ui分別接到運(yùn)放Al的同相輸入端和A2的反相輸入端，參考電壓UH和UL分別加在Al的反相輸入端和A2的同相輸入端。兩個(gè)集成運(yùn)放的輸出端各通過(guò)一個(gè)二極管后并聯(lián)在一起，成為窗口比較器的輸出端。

　　典型窗口比較器電路 1

　　單限電壓比較器和滯回電壓比較器在輸入電壓ui單一方向變化時(shí)，輸出電壓uo只躍變一次。因此只能檢測(cè)出ui與一個(gè)參考電壓值的大小關(guān)系。如果要判斷ui是否在兩個(gè)給定的電壓之間，就要采用窗口比較器。圖1(a)是一種窗口比較器，外加參考電壓URH >> URL，R1、R2和穩(wěn)壓管DZ構(gòu)成限幅電路。

　　當(dāng)輸入電壓ui >> URH時(shí)，uo1= +UOM，uo2=﹣UOM，因而二級(jí)管D1導(dǎo)通、D2截止，所以電路的輸出電壓 uo = UZ。

　　當(dāng)輸入電壓ui << URL時(shí)，uo1 =﹣UOM，uo2 = +UOM，因而二級(jí)管D1截止、D2導(dǎo)通，所以電路的輸出電壓uo = UZ。

　　當(dāng)輸入電壓UR << Lui << URH時(shí)，uo1=﹣UOM，uo2=﹣UOM，因而二級(jí)管D1和D2都截止，所以電路的輸出電壓uo = 0。

　　通過(guò)以上3種電壓比較器的分析，可得出以下結(jié)論。

　?、?在電壓比較器中，集成運(yùn)放多工作在非線性區(qū)，輸出電壓只有高電平和低電平兩種可能的情況。

　?、?一般用電壓傳輸特性來(lái)描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。

　?、? 電壓傳輸特性的3個(gè)要素是輸出電壓的高電平、低電平，閥值電壓和輸出電壓的躍變方向。輸出電壓的高電平、低電平?jīng)Q定于限幅電路;閥值電壓是使輸出電壓uo從高電平躍變?yōu)榈碗娖交蛘邚牡碗娖杰S變?yōu)楦唠娖降哪骋惠斎腚妷?ui等于閥值電壓時(shí)輸出電壓的躍變方向決定于同相輸入端和反相輸入端的相對(duì)大小關(guān)系。

　　典型窗口比較器電路圖設(shè)計(jì) 2

　　如圖為典型的窗口比較器電路圖。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓，另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。

　　典型窗口比較器電路圖設(shè)計(jì) 3

　　本電路有兩個(gè)基準(zhǔn)比較端，整定值分別為+5V和-5V。由電路結(jié)構(gòu)可知，只要+5V >> IN >> -5V，換言之，只在輸入信號(hào)在+5V～-5C“該片范圍”之內(nèi)，電路就會(huì)維持原態(tài)(或稱靜態(tài))的高電平輸出狀態(tài)。反之，IN信號(hào)要么高于+5V，要么低于-5V，只要出離了“該片范圍”，N1(或N2)的輸出端即會(huì)翻轉(zhuǎn)，變成低電平狀態(tài)。

　　該電路功能具有其實(shí)用意義，如對(duì)電機(jī)接地故障的檢測(cè)，不必要區(qū)分是正半波或負(fù)半波接地，只要有接地故障產(chǎn)生，即產(chǎn)生報(bào)警動(dòng)作;如用于工作電壓監(jiān)測(cè)，則可方便地限定一個(gè)“安全范圍”，在此范圍內(nèi)設(shè)備可正常工作，顯然在此處比較“一片范圍”同相比一個(gè)點(diǎn)或段，更具合理性。

　　由此電路，更可看出專用(開(kāi)路集電極輸出)比較器的優(yōu)點(diǎn)：

　　輸入端(高阻輸入)可以并聯(lián)，即多組比較器可以共用一路信號(hào);

　　典型窗口比較器電路圖設(shè)計(jì) 4

　　如圖為本人設(shè)計(jì)的一種窗口電壓比較器電路，此圖被用于一個(gè)報(bào)警設(shè)備中的端口電壓值監(jiān)控。當(dāng)端口電壓值超過(guò)一定范圍時(shí)，電路輸出高電平，圖中電壓閥值為1.5V和3V。可以通過(guò)改變電阻R152，R146，R174和R170進(jìn)行設(shè)置。本圖中LM339采用5V供電，而單片機(jī)雖說(shuō)能夠容忍5V電平但穩(wěn)定和規(guī)范設(shè)計(jì)起見(jiàn)，圖中加了一個(gè)電平轉(zhuǎn)換的三極管Q28。LED燈用于狀態(tài)指示。當(dāng)端口電壓在1.5V到3V的范圍內(nèi)時(shí)為正常狀態(tài)，LED燈不亮，當(dāng)端口電壓超過(guò)1.5V到3V的范圍時(shí)LED燈亮起。后期應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，D38的TVS管保護(hù)電壓偏低，更換為SMBJ6.5CA，問(wèn)題解決。

　　典型窗口比較器電路圖設(shè)計(jì) 5

　　圖4-28(b)是這種窗口電壓比較器電路。它是由一個(gè)同相比較器和一個(gè)反相比較器組成的，參考電壓分別加至兩個(gè)比較器的反相端和同相端，分別稱為上、下限基準(zhǔn)電壓。輸入電壓Ui同時(shí)加至兩比較器的輸入端，與上限參考電壓UREF及下限參考電壓UREF電壓作比較。上、下限參考電壓可看作“窗口”，所以叫窗口電壓比較器。

　　窗口電壓比較器是一種在控制電中路常用的電路，當(dāng)控制參數(shù)(如溫度、壓力、水深)在正常范圍時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的電壓在窗口之內(nèi)，若這些參數(shù)超過(guò)設(shè)定的范圍，即超過(guò)上限UREF或下限UREF，則比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)器的控制，使被控制參數(shù)回到規(guī)定范圍。

　　典型窗口比較器電路圖設(shè)計(jì) 6

　　通常雙限比較器必須設(shè)定上、下限，在上、下限范圍內(nèi)進(jìn)行比較。本電路采用的是先設(shè)定中心值，通過(guò)比較距離中心值的幅度來(lái)完成比較，中心值的幅度可由外部電壓自由選定，象集成電路三端調(diào)節(jié)輸出電壓檢測(cè)器那樣，先選定中心值為+5V，再選定以其正、負(fù)百分之幾作為基準(zhǔn)雙限電壓VW(5*X%)。

　　電路的工作原理

　　OP放大A1，A3為緩沖放大器，A2為反相器，當(dāng)EI﹥V0時(shí)，A4相當(dāng)于輸出負(fù)電壓的理想二極管電路。A5是過(guò)零比較器，用VR1調(diào)整其滯后電壓，使其穩(wěn)定工作。

　　圖A中的實(shí)線代表OP放大器A4的輸出，電路中因存在-C0造成電壓漂移，若以EI-VO=0作為原點(diǎn)，只有當(dāng)EI﹥-V0，二極管D1才導(dǎo)通，并輸出負(fù)電壓。圖中虛線表示輸入小于-V0時(shí)的輸出，把該輸出在比較器的輸入端與A4輸出疊加，從而得出絕對(duì)值輸出，雙限的幅度由比較器電壓與VW的偏離值相乘來(lái)確定。在EI=0~-V0-VW區(qū)時(shí)，輸出“H”電平，在-V0正負(fù)VW范圍內(nèi)輸出“L”電平。比較器只進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，而圖中虛線示出的點(diǎn)為視在零點(diǎn)，因而可以作為雙限比較器用。

　　元件的選用

　　本電路采用了雙OP放大器，也可以使用4重電路的TL084，電路中省去了失調(diào)調(diào)節(jié)電路，因此輸入電壓要大于1V，如輸入電壓比較低，應(yīng)選用低偏聽(tīng)偏壓OP放大器。

　　電阻R5~R11之間的比例關(guān)系很重要，但E系列標(biāo)稱電阻沒(méi)有1，1/2，1/4的阻值，所以可以按電路圖的阻值選配或用R=30K，R/2=15K，R/4=7.5K選配。

　　調(diào)整

　　比較器LM311其輸入電壓接近基準(zhǔn)電壓時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，使輸出出現(xiàn)突跳，為了使比較穩(wěn)定，須加滯后電壓，正反饋量由R12的VR1組成的分壓電路確定。