电压比较器原理新解（之二）

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：

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；

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