六款窗口比较器电路设计原理

窗口比较器，又称为双限比较器，具有两个门限电平，用于检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电平之间。在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器是很有用的。 图为一典型的窗口比较器电路，电路由两个集成运放LM358组成，输入电压ui分别接到运放Al的同相输入端和A2的反相输入端，参考电压UH和UL分别加在Al的反相输入端和A2的同相输入端。两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，成为窗口比较器的输出端。

单限电压比较器和滞回电压比较器在输入电压ui单一方向变化时，输出电压uo只跃变一次。因此只能检测出ui与一个参考电压值的大小关系。如果要判断ui是否在两个给定的电压之间，就要采用窗口比较器。图1（a）是一种窗口比较器，外加参考电压URH >> URL，R1、R2和稳压管DZ构成限幅电路。 当输入电压ui >> URH时，uo1= +UOM，uo2=﹣UOM，因而二级管D1导通、D2截止，所以电路的输出电压 uo = UZ。

当输入电压ui > -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；

如图为本人设计的一种窗口电压比较器电路，此图被用于一个报警设备中的端口电压值监控。当端口电压值超过一定范围时，电路输出高电平，图中电压阀值为1.5V和3V。可以通过改变电阻R152，R146，R174和R170进行设置。本图中LM339采用5V供电，而单片机虽说能够容忍5V电平但稳定和规范设计起见，图中加了一个电平转换的三极管Q28。LED灯用于状态指示。当端口电压在1.5V到3V的范围内时为正常状态，LED灯不亮，当端口电压超过1.5V到3V的范围时LED灯亮起。后期应用中发现，D38的TVS管保护电压偏低，更换为SMBJ6.5CA，问题解决。

图4-28（b）是这种窗口电压比较器电路。它是由一个同相比较器和一个反相比较器组成的，参考电压分别加至两个比较器的反相端和同相端，分别称为上、下限基准电压。输入电压Ui同时加至两比较器的输入端，与上限参考电压UREF及下限参考电压UREF电压作比较。上、下限参考电压可看作“窗口”，所以叫窗口电压比较器。

窗口电压比较器是一种在控制电中路常用的电路，当控制参数（如温度、压力、水深）在正常范围时，其相对应的电压在窗口之内，若这些参数超过设定的范围，即超过上限UREF或下限UREF，则比较器发生翻转，输出控制信号，通过调节器的控制，使被控制参数回到规定范围。

通常双限比较器必须设定上、下限，在上、下限范围内进行比较。本电路采用的是先设定中心值，通过比较距离中心值的幅度来完成比较，中心值的幅度可由外部电压自由选定，象集成电路三端调节输出电压检测器那样，先选定中心值为+5V，再选定以其正、负百分之几作为基准双限电压VW（5*X%）。

OP放大A1，A3为缓冲放大器，A2为反相器，当EI﹥V0时，A4相当于输出负电压的理想二极管电路。A5是过零比较器，用VR1调整其滞后电压，使其稳定工作。

图A中的实线代表OP放大器A4的输出，电路中因存在-C0造成电压漂移，若以EI-VO=0作为原点，只有当EI﹥-V0，二极管D1才导通，并输出负电压。图中虚线表示输入小于-V0时的输出，把该输出在比较器的输入端与A4输出叠加，从而得出绝对值输出，双限的幅度由比较器电压与VW的偏离值相乘来确定。在EI=0~-V0-VW区时，输出“H”电平，在-V0正负VW范围内输出“L”电平。比较器只进行过零检测，而图中虚线示出的点为视在零点，因而可以作为双限比较器用。

本电路采用了双OP放大器，也可以使用4重电路的TL084，电路中省去了失调调节电路，因此输入电压要大于1V，如输入电压比较低，应选用低偏听偏压OP放大器。

电阻R5~R11之间的比例关系很重要，但E系列标称电阻没有1，1/2，1/4的阻值，所以可以按电路图的阻值选配或用R=30K，R/2=15K，R/4=7.5K选配。

比较器LM311其输入电压接近基准电压时容易产生振荡，使输出出现突跳，为了使比较稳定，须加滞后电压，正反馈量由R12的VR1组成的分压电路确定。