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                                                                                   旷野之雪

                                                                                   2008.5.16



电压比较器原理新解(之二)
旷野之雪 发表于:2016/12/7 7:23:27
标签(TAG):深度分析

电压比较器原理新解(之二)

——听咸老师说电子电路系列之二

二、“点”比较器和“段”比较器电路

1、点(单值)比较器

输入信号与一个电压“点”相比较,得到逻辑输出结果。

见图1-6典型电路,其基准(比较)电压2.5V,系+5V经由R1、R2分压取得,送入比较器N1的同相输入端,输入信号由反相输入端进入。一般比较器典型翻转电压为10mV,即电路的动作灵敏度为±10mV。

输入信号和2.5V基准电压相比较,IN=2.51V时及以上时,OUT端变为+5V高电平;当IN=2.49V及以下时,OUT端变为0V低电平。输入电压是和2.5V这个电压“点”相比较,电路具备较高的灵敏度和比较精度。

图1-6 点(单值)比较器典型电路

在给出比较器故障判断的方法之前,我要先行给出电子电路故障检测的总原则:

1)先软件后硬件(针对MCU或DSP系统电路);

2)先电源后信号(针对硬件电路);

3)先两端后中间(针对信号传输电路)。

再落实到图1-6的具体电路:

1)+15V电源、+5V电源正常(及上拉电阻正常);

2)2.5V基准电压正常;

3)不符合比较器原则,比较器坏。如IN+< IN-,OUT端仍为+5V,说明比较器已坏。

2、段(滞回)比较器

输入信号与一个电压“段”相比较,得到逻辑输出结果。

系统的灵敏度和稳定度永远是一对不可调和的矛盾,设计者两害相权取其轻,在其中取得折衷方案,以牺灵敏度来换取稳定度。而有时,过高的灵敏度恰恰是有害的,是控制系统所不能允许的。这需要采取——添加正反馈支路,使比较器的翻转特性由“点”比较过渡到“段”比较,提升电路的稳定程度。

图1-7段(滞回)比较器的电路构成形式

   如温度控制电路,若控制灵敏度过高(如1℃),则会造成加热功率部件不必要的频繁通、断电,严重降低控制部件寿命,引发高故障率。通过用增加温度回差的方法降低控制灵敏度,如将灵敏度控制在±3℃范围以内,既能满足工艺要求,又保障了系统可靠性和稳定性。

图1-7中的a电路,添加R4正反馈支路,将输出信号“微量”反馈回输入端,使电路由比较2.5V这个电压“点”,变成比较2.5V+反馈量这个电压“段”。反馈的目的是人为增大信号回差(在比较器输出端为高电平时,相当“垫高”了输入信号电压),而使其翻转灵敏度降低。

假定电路初始状态是IN->IN+,则OUT端为低电平状态;当输入信号电压上升使IN+> IN-时,电路翻转OUT端变为高电平,此时输入信号在2.51V之上又 “垫加”了正反馈量,这样一来,电路的动作翻转电平由原来的 “2.5V(±10mV)”这个电压“点”,扩展为“+2.5V+正反馈量至2.49V”这个电压“段”了。

图1-7中的b电路,为避免输出端为低电平时对基准电压的影响,在R4反馈支路中串联了D1二极管,利用其单向导电特性,实现了有选择的滞回比较。当输入信号高于基准电压时,输出端为低电平,此时基准比较电压为一个固定值;当输入信号低于基准(又称整定)电压时,正反馈支路实现了对整定信号的“抬高”作用,使比较“点”往比较“段”上迈进。同样起到了降低灵敏度提高稳定度的作用。

“点”比较器和“段”比较器是比较器电路中的两个基本电路,其它是在此基础上的扩展性应用。

三、梯级电压比较器电路

输入信号与多个(两个或两上以上)电压“点”(或电压“段”)比较,得到程度不同的多个逻辑结果。

图1-8 梯级比较器电路

   上图N1、N2两片比较器和外围器件,构成了梯级比较器电路。具有一个输入端,两个基准(整定值)电压,两个输出端(代表着两个事件或一个事件的两种程度)。

输入信号电压与3.3V和6.6V两个基准电压相比较,当IN>3.3V时,OUT1变低电平,表示发生了事件1(或事件发生的程度较轻);当IN>6.6V时,OUT2变低电平,表示发生了事件2(或事件发生的程度较重)。该电路如用于过载保护,则OUT1为轻度过载故障信号,OUT2为重度过载故障信号,后级电路对两种信号的重视程度和处理措施是不一样的。

电路特点也如上所述,不再赘言。

四、“片”比较器电路

输入信号与一个“设定范围”相比较,得到一个逻辑输出结果。

图1-9 “片”(窗口)比较器

本电路有两个基准比较端,整定值分别为+5V和-5V。由电路结构可知,只要+5V>IN>-5V,换言之,只在输入信号在+5V~-5C“该片范围”之内,电路就会维持原态(或称静态)的高电平输出状态。反之,IN信号要么高于+5V,要么低于-5V,只要出离了“该片范围”,N1(或N2)的输出端即会翻转,变成低电平状态。

该电路功能具有其实用意义,如对电机接地故障的检测,不必要区分是正半波或负半波接地,只要有接地故障产生,即产生报警动作;如用于工作电压监测,则可方便地限定一个“安全范围”,在此范围内设备可正常工作,显然在此处比较“一片范围”同相比一个点或段,更具合理性。

由此电路,更可看出专用(开路集电极输出)比较器的优点:

  1. 输入端(高阻输入)可以并联,即多组比较器可以共用一路信号;
  2. 输出端可以并联。因输出级独特的电路结构,可以直接并联输出(由R5限流作用不会导致N1、N2内部输出级电路的损坏)。这在需多路相关信号“集约化处理”和节省后级电路的I/O口上,有重要意义。

五、具有“双重身份”的比较器电路

有关联性的两路(或两路以上)输入信号与“区域设置”及“梯级设置”相比较,输出两路(或两路以上)有关联性的、程度不同的开关量信号。

图1-10“双重身份”比较器电路

   图1-10是根据一个实际三相电流过载检测电路简化所得,由前级电流互感器来的三相交变电流信号,经D1~D3全波整流后,分四路送入N1~N4等四路电压比较器电路。其电路结构:

   1)从输入端并联关系看:由N1、N2构成的梯级电路比较器电路;由N3、N4构成的梯级电压比较器电路。前者处理整流后正半波过载信号,后者处理整流后负半波过载信号。(以前者为例)基准电压由+5V经R1、R2、R3两级分压取得,R5、D1和R8、D3为正反馈支路,电路为滞回比较器模式。D2、D4为输出电平负向嵌位二极管。

2)从输出端并联关系看:N1、N3构成窗口电压比较器,处理OL1(轻度过载)信号;N2、N4构成窗口电压比较器,处理OL2(重度过载)信号。电路只注重电压幅度(是否过载),而不再区分正、负半波信号。

3)从电路的根本特征看:电路仍然为四路具有相对独立性的滞回电压比较器。如果进一步可以忽略掉正反馈带来的“微弱”影响,图1-10仅为四路“点”比较器而已。对其在线故障检测,仅需测量两输入端与输出端的电压值,按比较器规则,来判断好坏,就足够了。

须注意两点:

1)电路的动、静态

本电路设计的出发点,是在电路未动作(未有输入信号产生及输入信号小于整定值)时,电路输出端状态为高电平(即+5V);当输入信号大于整定值后,电路动作状态即输出端变为低电平(嵌位后约为-0.6V)。

一般来说,通常将输出端的高电平状态做为初始状态,低电平做为动作状态,也为动作(比如故障报警)标志。但这仅就一般设计思路来说,可能会有另外与之相反的情况:低电平为初始状态,高电平才是动作状态。电路规则是一定的,但电路构成(形式)和对信号的处理是灵活多变的。

故障检测,通常是将电路的静态功能修复,使之表现正常,则其动态表现也会随之正常化。

2)多路输出端并联时检修中应注意什么?

    构成窗口比较器的输出端并联模式(其它形式的电路可能会有两端以上多输出端并联模式),需引起检修中的注意。如生产OL1误报警时,仅仅测量N1输入端信号来确定OL1检测电路是否正常是不够的,须同时检测N3输入端情况,最终来判断OL1误报警的确切原因。多级比较器输出端并联时,任一组(错误)的输入信号超出设定值以外,或任一组比较器的损坏,都会影响到输出结果。

六、仍旧关于比较器

   电压比较器的典型电路讲解,告一段落,和应用、故障检测相关的,在这里补充一下。

1、(开路集电极输出型)电压比较器特点综述:

1)最小动作翻转电压(两输入端动作电压差)10mV,两输入端(任意)其一可做为输入端,其二即做为基准(比较)端。因为基准电压的存在,两输入端电压差为0的概率不大,通常有一定的电压差。

2)除供电电源正常是一要素外,基准电压的正常,是另一要素。比较器工作失常,要考虑到可能是基准电压的异常所造成。

3)多输出端并联时(当然输入端为输出端的2倍数),任一输入端异常都会导致输出电平错误。要面面俱到检查多个输入端,以确定工作状态的好坏。

4)输入端接有上拉电阻,其输出高电平幅度取决于上拉电源的正电压幅度。当输出状态异常,须检查上拉电阻和上拉电源,确保其正常。

2、如何在线辨别放大器和比较器,有何异同?

从外貌长相、引脚数量,甚至供电电源上,比较器和放大器真的是很像啊,长得一个样儿啊。若从型号无法鉴别,还有什么更准确的特征可以显著区分两种器件呢?试加分析如下。

1)器件型号

这是最直捷、最准确的方法。通过元件印字,查知型号资料,得到器件类型和引脚功能。

2)供电电源

运放电路的典型供电是±15V。但也有单电源+15V、+5V时应用情况;

比较器电路的典型供电是单电源+15V,但恰巧也有±15V双电源和+5V单电源的应用情况。

单从供电极性和电压级别上,容易混淆。

3)供电引脚

8脚运放和比较器元件,供电引脚是一样的。

14脚器件:运放的供电脚在器件中心,即4和11脚;比较器的供电脚中心偏左,即3和12脚。若器件型号不清,这也可以当做其一鉴别参考。

4)输出端

运放输出级内部电路为电压互补式两管模式,无须加上拉电阻;开路集电极输出型比较器,输出级内部为单管接地模式,须加上拉电阻得到高电平信号输出。若在输出端直接有接正电源的上拉电阻,则可做为其二鉴别参考。

另:运放电路输出电压则是对输入信号的线性(放大或衰减)输出,与输入信号幅度有关;比较器输出端电压状态,仅高(对应上拉电源正端幅度)、低电平(信号地或输出端嵌位电平)二态。可做为其三鉴别参考。

5)反馈支路

运放电路在反相输入端和输出端之间,必接有负反馈支路;

比较器无负反馈支路,或接有正反馈支路,但反馈电阻的阻值较大,一般为百千欧级。可做为其四鉴别参考。

6)输入端

运放电路两输入端电压差为0V,即等电位;

比较器两输入端有明显电压差(基准电压不随输入信号而变化或在正反馈影响下仅有微量变化)。两输入端无电压差的概率极小。可做为其五鉴别参考。

盖言之,若不能依据型号鉴别电路类别时,则明显鉴别项为输入端、反馈支路、输出端和供电引脚(仅适用14引脚器件)。若综合各项,则鉴别准确率上升。其中输入端和反馈支路是重要的两项,而且仅从此两项,也基本上能得到准确的判断。

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咸庆信

2016年12月7日


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回复:电压比较器原理新解(之二)
victoria 发表于:2017/8/15 11:24:51

abcdddddddddddd


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回复:电压比较器原理新解(之二)
lsh444 发表于:2016/12/8 17:12:52

.. ..

感恩咸老师!非常非常感谢!


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