基于窗口比较器双向过压检测电路的设计

摘要：窗口比较器是一种用于判断输入电压是否处于两个已知电平之间的电压比较器，因此常被用于故障检测电路、自动检测电路、电子测量技术等场合，也可用于A/D转换、波形产生变换及电路高速采样电路、振荡器、电源电压监测电路、报警器等。文章主要介绍其基本概念、工作原理及通过EDA技术基于窗口比较器的双向过压检测电路的设计与实现方法。

关键词：Mutisim 10；EDA；窗口比较器；传输特性；双向电压检测

中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）12-0020-02

窗口比较器又称为双限比较器，由于单限比较器和迟滞电压比较器在输入电压ui单一方向变化时，其输出电压只跳变一次，因而不能检测输入电压是否在两个给定阈值电压之间，而窗口电压比较器则具有这种功能。具有两个门限电平，主要用来检测输入模拟信号的电平是否处于给定的两个门限电平之间的电压比较器，窗口比较器是很有用的。应用于故障检测电路、自动检测电路、电子测量技术等场合，也可用于A/D转换、波形产生变换及电路高速采样电路、振荡器、电源电压监测电路、报警器等或对生产现场进行监视与控制等场合。下面将对窗口比较器的结构与工作原理作一介绍。

1 窗口比较器的结构与工作原理

1.1 EDA与Multisim简介

为提高电路设计的效率和可操作性，本文采用EDA工具，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件，主要有Protel、PSPICE、Multisim（原EWB的最新版本）、OrCAD、Modelsim等等。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。因此本文采用Multisim10通过计算机平台对窗口电压比较器从电路结构、工作原理和传输特性分析以及基于窗口比较器完成对双向过压检测电路的设计。

1.2 电路结构与工作原理

图1（a）所示即是一典型的窗口比较器电路。窗口比较器主要用于检测ui是否在给定的两个电压之间时就可以采用。当任意一个比较器输出低电平（实际上是输出三极管处于饱和状态）或两个比较器均输出低电平时，窗口比较器输出端为低电平，只有两个比较器均输出高电平（实际上是输出三极管处于截止状态）时，窗口比较器才输出高电平。因此，两个输出端具有正逻辑中的逻辑与的关系。利用Multisim 10对窗口比较器进行仿真验证其工作原理，将输入信号ui输入到运算放大器的同相输入端，这是运算放大器处于开环工作状态，具有很高的开环增益。由于受到正向电源电压、二极管和电阻的限制，输出电压为+UOM或者0。

当输入电压ui大于URH时，必然大于URL，所以集成运放A1的输出uo1=+UOM，A2的输出uo2=-UOM。使得二极管D1导通，D2截止，电流通路由D1→R2→DZ，稳压管DZ工作在稳定状态，输出电压uo=+5V。

（a）电路

（b）传输特性

图1 窗口比较器

当输入电压ui小于URL时，必然小于URH，所以A1的输出uo1=-UOM，A2的输出uo2=+UOM。因此D2导通，D1截止，电流通路由D1→R2→R1，D3工作在稳压状态，uo仍

为+5V。

当URL

通过仿真运行可得出窗口比较器的电压传输特性如图1（b）所示。

2 双向过压检测电路设计与实现

2.1 器件选择

本设计中用到的主要器件是运放。为保证电路功能的正确性，设计中采用的是实际器件，采用了两个3554AM集成运放。

在供电电路上，选择双电源供电。

2.2 设计实现

图2 双向过压检测电路

启动Multisim 10，按图2的电路图在Multisim 10中连好电路，并在R2的两侧用双通道示波器观察波形。通过Multisim 10利用上述窗口比较器来设计双向电压检测电路，电路原理图如图2所示。当ui<-5v或者ui>5v，即出现过电压现象时，UO=UOH，发光二极管LED1点亮，蜂鸣器U1同时发出警报。此时，晶体管Q1导通且饱和，启动保护电路，通过继电器开关从而切断负载电路，使负载X2停止工作，即灯泡不亮，从而实现了双向过压检测电路的关断保护功能。而当-5V

3 结语

自动控制设备在工业生产或实验工作中需要保护控制电路，利用窗口比较器设计的双向过压检测控制电路设备输入电压上限值和下限值，就能达到自动检测保护的目的，如果输入电压处在合适数值时，相应指示灯显示，所以通过继电器将电信号转变成机械信号，这样就能实现对电路设备的自动保护，在实际电路中通过此设计，并改变电压检测范围，可应用于电池保护系统。随着测量技术的提高，窗口比较器在测量仪器或工、自动控制中应用越来越广泛，以上设计只是利用窗口比较器输出解决一些实际问题，窗口比较器还会有更广泛的拓展和应用领域。

参考文献

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[4] 孙肖子，张企民.模拟电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

作者简介：杨树军（1982—），男，供职于新乡职业技术学院，研究方向：电子电路。

（责任编辑：吴 涛）