窗口比較器簡介

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

　　圖為一典型的窗口比較器電路，電路由兩個集成運放LM358組成，輸入電壓ui分別接到運放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。兩個集成運放的輸出端各通過一個二極管后并聯(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，輸出電壓uo只躍變一次。因此只能檢測出ui與一個參考電壓值的大小關系。如果要判斷ui是否在兩個給定的電壓之間，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構成限幅電路。

　　當輸入電壓ui >> URH時，uo1= +UOM，uo2=﹣UOM，因而二級管D1導通、D2截止，所以電路的輸出電壓 uo = UZ。

　　當輸入電壓ui << URL時，uo1 =﹣UOM，uo2 = +UOM，因而二級管D1截止、D2導通，所以電路的輸出電壓uo = UZ。

　　當輸入電壓UR << Lui << URH時，uo1=﹣UOM，uo2=﹣UOM，因而二級管D1和D2都截止，所以電路的輸出電壓uo = 0。

　　通過以上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。

　　② 一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關系。

　?、? 電壓傳輸特性的3個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大小關系。

　　典型窗口比較器電路圖設計 2

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

　　典型窗口比較器電路圖設計 3

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

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

　　由此電路，更可看出專用(開路集電極輸出)比較器的優(yōu)點：

　　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;

　　典型窗口比較器電路圖設計 4

　　如圖為本人設計的一種窗口電壓比較器電路，此圖被用于一個報警設備中的端口電壓值監(jiān)控。當端口電壓值超過一定范圍時，電路輸出高電平，圖中電壓閥值為1.5V和3V?？梢酝ㄟ^改變電阻R152，R146，R174和R170進行設置。本圖中LM339采用5V供電，而單片機雖說能夠容忍5V電平但穩(wěn)定和規(guī)范設計起見，圖中加了一個電平轉(zhuǎn)換的三極管Q28。LED燈用于狀態(tài)指示。當端口電壓在1.5V到3V的范圍內(nèi)時為正常狀態(tài)，LED燈不亮，當端口電壓超過1.5V到3V的范圍時LED燈亮起。后期應用中發(fā)現(xiàn)，D38的TVS管保護電壓偏低，更換為SMBJ6.5CA，問題解決。

　　典型窗口比較器電路圖設計 5

　　圖4-28(b)是這種窗口電壓比較器電路。它是由一個同相比較器和一個反相比較器組成的，參考電壓分別加至兩個比較器的反相端和同相端，分別稱為上、下限基準電壓。輸入電壓Ui同時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，當控制參數(shù)(如溫度、壓力、水深)在正常范圍時，其相對應的電壓在窗口之內(nèi)，若這些參數(shù)超過設定的范圍，即超過上限UREF或下限UREF，則比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出控制信號，通過調(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計 6

　　通常雙限比較器必須設定上、下限，在上、下限范圍內(nèi)進行比較。本電路采用的是先設定中心值，通過比較距離中心值的幅度來完成比較，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)輸出電壓檢測器那樣，先選定中心值為+5V，再選定以其正、負百分之幾作為基準雙限電壓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EI﹥V0時，A4相當于輸出負電壓的理想二極管電路。A5是過零比較器，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，只有當EI﹥-V0，二極管D1才導通，并輸出負電壓。圖中虛線表示輸入小于-V0時的輸出，把該輸出在比較器的輸入端與A4輸出疊加，從而得出絕對值輸出，雙限的幅度由比較器電壓與VW的偏離值相乘來確定。在EI=0~-V0-VW區(qū)時，輸出“H”電平，在-V0正負VW范圍內(nèi)輸出“L”電平。比較器只進行過零檢測，而圖中虛線示出的點為視在零點，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，應選用低偏聽偏壓OP放大器。

　　電阻R5~R11之間的比例關系很重要，但E系列標稱電阻沒有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電壓時容易產(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。