基于窗口比較器雙向過壓檢測電路的設(shè)計

摘要：窗口比較器是一種用于判斷輸入電壓是否處于兩個已知電平之間的電壓比較器，因此常被用于故障檢測電路、自動檢測電路、電子測量技術(shù)等場合，也可用于A/D轉(zhuǎn)換、波形產(chǎn)生變換及電路高速采樣電路、振蕩器、電源電壓監(jiān)測電路、報警器等。文章主要介紹其基本概念、工作原理及通過EDA技術(shù)基于窗口比較器的雙向過壓檢測電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：Mutisim 10；EDA；窗口比較器；傳輸特性；雙向電壓檢測

中圖分類號：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）12-0020-02

窗口比較器又稱為雙限比較器，由于單限比較器和遲滯電壓比較器在輸入電壓ui單一方向變化時，其輸出電壓只跳變一次，因而不能檢測輸入電壓是否在兩個給定閾值電壓之間，而窗口電壓比較器則具有這種功能。具有兩個門限電平，主要用來檢測輸入模擬信號的電平是否處于給定的兩個門限電平之間的電壓比較器，窗口比較器是很有用的。應(yīng)用于故障檢測電路、自動檢測電路、電子測量技術(shù)等場合，也可用于A/D轉(zhuǎn)換、波形產(chǎn)生變換及電路高速采樣電路、振蕩器、電源電壓監(jiān)測電路、報警器等或?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)視與控制等場合。下面將對窗口比較器的結(jié)構(gòu)與工作原理作一介紹。

1 窗口比較器的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 EDA與Multisim簡介

為提高電路設(shè)計的效率和可操作性，本文采用EDA工具，目前進(jìn)入我國并具有廣泛影響的EDA軟件是系統(tǒng)設(shè)計軟件輔助類和可編程芯片輔助設(shè)計軟件，主要有Protel、PSPICE、Multisim（原EWB的最新版本）、OrCAD、Modelsim等等。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。因此本文采用Multisim10通過計算機(jī)平臺對窗口電壓比較器從電路結(jié)構(gòu)、工作原理和傳輸特性分析以及基于窗口比較器完成對雙向過壓檢測電路的設(shè)計。

1.2 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1（a）所示即是一典型的窗口比較器電路。窗口比較器主要用于檢測ui是否在給定的兩個電壓之間時就可以采用。當(dāng)任意一個比較器輸出低電平（實(shí)際上是輸出三極管處于飽和狀態(tài)）或兩個比較器均輸出低電平時，窗口比較器輸出端為低電平，只有兩個比較器均輸出高電平（實(shí)際上是輸出三極管處于截止?fàn)顟B(tài)）時，窗口比較器才輸出高電平。因此，兩個輸出端具有正邏輯中的邏輯與的關(guān)系。利用Multisim 10對窗口比較器進(jìn)行仿真驗(yàn)證其工作原理，將輸入信號ui輸入到運(yùn)算放大器的同相輸入端，這是運(yùn)算放大器處于開環(huán)工作狀態(tài)，具有很高的開環(huán)增益。由于受到正向電源電壓、二極管和電阻的限制，輸出電壓為+UOM或者0。

當(dāng)輸入電壓ui大于URH時，必然大于URL，所以集成運(yùn)放A1的輸出uo1=+UOM，A2的輸出uo2=-UOM。使得二極管D1導(dǎo)通，D2截止，電流通路由D1→R2→DZ，穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓uo=+5V。

（a）電路

（b）傳輸特性

圖1 窗口比較器

當(dāng)輸入電壓ui小于URL時，必然小于URH，所以A1的輸出uo1=-UOM，A2的輸出uo2=+UOM。因此D2導(dǎo)通，D1截止，電流通路由D1→R2→R1，D3工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，uo仍

為+5V。

當(dāng)URL

通過仿真運(yùn)行可得出窗口比較器的電壓傳輸特性如圖1（b）所示。

2 雙向過壓檢測電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 器件選擇

本設(shè)計中用到的主要器件是運(yùn)放。為保證電路功能的正確性，設(shè)計中采用的是實(shí)際器件，采用了兩個3554AM集成運(yùn)放。

在供電電路上，選擇雙電源供電。

2.2 設(shè)計實(shí)現(xiàn)

圖2 雙向過壓檢測電路

啟動Multisim 10，按圖2的電路圖在Multisim 10中連好電路，并在R2的兩側(cè)用雙通道示波器觀察波形。通過Multisim 10利用上述窗口比較器來設(shè)計雙向電壓檢測電路，電路原理圖如圖2所示。當(dāng)ui<-5v或者ui>5v，即出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象時，UO=UOH，發(fā)光二極管LED1點(diǎn)亮，蜂鳴器U1同時發(fā)出警報。此時，晶體管Q1導(dǎo)通且飽和，啟動保護(hù)電路，通過繼電器開關(guān)從而切斷負(fù)載電路，使負(fù)載X2停止工作，即燈泡不亮，從而實(shí)現(xiàn)了雙向過壓檢測電路的關(guān)斷保護(hù)功能。而當(dāng)-5V

3 結(jié)語

自動控制設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)工作中需要保護(hù)控制電路，利用窗口比較器設(shè)計的雙向過壓檢測控制電路設(shè)備輸入電壓上限值和下限值，就能達(dá)到自動檢測保護(hù)的目的，如果輸入電壓處在合適數(shù)值時，相應(yīng)指示燈顯示，所以通過繼電器將電信號轉(zhuǎn)變成機(jī)械信號，這樣就能實(shí)現(xiàn)對電路設(shè)備的自動保護(hù)，在實(shí)際電路中通過此設(shè)計，并改變電壓檢測范圍，可應(yīng)用于電池保護(hù)系統(tǒng)。隨著測量技術(shù)的提高，窗口比較器在測量儀器或工、自動控制中應(yīng)用越來越廣泛，以上設(shè)計只是利用窗口比較器輸出解決一些實(shí)際問題，窗口比較器還會有更廣泛的拓展和應(yīng)用領(lǐng)域。

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作者簡介：楊樹軍（1982—），男，供職于新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：電子電路。

（責(zé)任編輯：吳 濤）