CN108347233A - 一种多级输入逻辑判断电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多级输入逻辑判断电路，比较器电路有n组比较器、n个阈值点电位，每组比较器有两个比较器从而得到2n个比较输出电压，输入被比较电压的欠压和过压采样分为两条独立的分压式支路，将R1与R2分压后得到的电压分别送入偶数序号比较器的反相端，并与同相端的阈值电位相比较，将R3与R4分压后得到的电压分别送入奇数序号比较器的同相端，并与反相端的阈值电位相比较，此时奇数序号比较器得到n路中每一路的过压状态(输出高电平时为过压状态，输出低电平时为非过压状态)。本发明通过设计改进型窗口比较器的硬件电路，实现多输入电位逻辑判断的功能。
Description
技术领域
本发明涉及恒压输出电路设计技术领域，尤其涉及的是一种多级输入逻辑判断电路。
背景技术
为保证系统正常运行，需及时判断输入信号的状态以便做出响应。以电压信号作为输入的，需对输入电压的欠压、过压及正常这三种工作状态做出判断，当检测到输入电压异常，即为欠压或过压时，系统需停止运行或自动实施保护。多电压等级(以下简称多级)输入时也是同样的道理，任何一路输入处于异常，都需要启动相应的保护措施。就多级输入逻辑判断而言，目前常见微控制器通过软件设计实现功能，具有响应滞后，成本高等缺点。
检测多级输入电压的状态并进行逻辑判断一般有两种方法实现，即硬件电路法和单片机软件编程法。
采用硬件电路法时，一般通过比较器对电压信号进行比较检测得到逻辑电位，而后将检测得到的逻辑电位信号直接传递给逻辑复合电路进行逻辑判断，得出一个实际控制信号供给电位保护电路。纯硬件电路常用于单个输入电压状态检测。
采用单片机软件编程法时，必须先通过模数转换模块对电压信号进行采样检测，而后通过单片机软件编程进行逻辑判断，可以方便地进行多级输入信号的判断。
硬件电路法和单片机软件编程法的响应速度同时受半导体材料及工作环境等制约因素所影响，且单片机软件编程法还会受到单片机时钟信号以及模数转换模块的转换精度、采样电压范围等制约因数的影响。
虽然半导体器件在现如今的高速发展浪潮下，器件的响应速度越来越快，但由于单片机软件编程法相对于硬件电路法在性能上所到的受制约因素更多。故硬件电路法相比于软件编程法，对电压信号的直接逻辑判断的响应更及时、更灵敏，且电位测量范围广、误差范围小，整体电路的实现成本低。而在相同性能情况下，单片机软件编程法的响应会不如硬件电路法及时，且不易于集成化，整体电路的实现成本相对较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多级输入逻辑判断电路，通过理论分析设计改进型窗口比较器的硬件电路，实现多输入电位逻辑判断的功能，以克服现有技术所存在的不足。
本发明解决其技术问题的技术方案是：一种多级输入逻辑判断电路，包括比较器电路、逻辑复合电路，其特征在于：所述比较器电路有n组比较器、n个阈值点电位U_set_1、...、U_set_n，每组比较器有两个比较器从而得到2n个比较输出电压U_out_1、...、U_out_2n，输入被比较电压U_in的欠压和过压采样分为两条独立的分压式支路，欠压采样分压式支路包括电阻R1和R2，过压采样分压式支路包括电阻R3和R4；偶数序号比较器的反相端连接并接入由R1和R2组成的分压电路，使R1与R2分压后得到的电压分别送入偶数序号比较器的反相端，并与同相端的阈值电位相比较，使得偶数序号比较器得到n路中每一路的欠压状态；奇数序号比较器的同相端连接并接入由R3与R4组成的分压电路，使R3与R4分压后得到的电压分别送入奇数序号比较器的同相端，并与反相端的阈值电位相比较，使奇数序号比较器得到n路中每一路的过压状态。
所述逻辑复合电路包括n组逻辑输入信号，每组逻辑输入信号输入由n个二输入或逻辑门得到n个运算输出信号，n个运算输出信号送入与逻辑门，最终得到复合输出信号U_out。
电阻R1、R2、R3、R4参数根据以下公式确定：
其中，
本发明的有益效果是：
本发明采用了改进型窗口比较器，针对多级电压输入的状态检测与逻辑判断电路采用了纯硬件设计方案，具有响应快，可靠性高，在长期运行期间不存在软件中程序的“死机”问题。基于简单基本的门限电压窗口比较器电路，分析了双级窗口电压比较器，设计了双级和多级的复合型窗口电压比较器，并应用到12V和24V两级电压输入的状态检测与逻辑判断电路上，通过仿真和实验证实了多级复合型电压窗口比较器合理性和实用性，可为实际的相关工程应用提供借鉴作用。
附图说明
图1是本发明的电路多级输出特性图。
图2是本发明的多级复合型窗口比较器电路图。
图3是本发明的逻辑复合电路图。
图4是本发明的输入双电压级别逻辑保护电路。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接；也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
参见图1-4，本发明提供一种多级输入逻辑判断电路，包括比较器电路、逻辑复合电路，其特征在于：所述比较器电路有n组比较器、n个阈值点电位U_set_1、...、U_set_n，每组比较器有两个比较器从而得到2n个比较输出电压U_out_1、...、U_out_2n，输入被比较电压U_in的欠压和过压采样分为两条独立的分压式支路，欠压采样分压式支路包括电阻R1和R2，过压采样分压式支路包括电阻R3和R4。将R1与R2分压后得到的电压分别送入图2中偶数序号(A2、A4、...、A2n)比较器的反相端，并与同相端的阈值电位相比较，此时偶数序号比较器得到n路中每一路的欠压状态(输出高电平时为欠压状态，输出低电平时为非欠压状态)；将R3与R4分压后得到的电压分别送入奇数序号(A1、A3、...、A(2n-1))比较器的同相端，并与反相端的阈值电位相比较，此时奇数序号比较器得到n路中每一路的过压状态(输出高电平时为过压状态，输出低电平时为非过压状态)。具体描述如下：
本电路的设计分为两部分，一部分是多级复合型窗口比较器电路，另一部分是逻辑复合电路。且其电路输出特性图如图1所示。
图1中U_low_1、U_high_1、U_low_2、U_high_2、…、U_low_n、U_high_n分别表示多级输入电压的第一级低阈值电位点、第一级高阈值点电位、第二级低阈值点电位、第二级高阈值点电位、第n级低阈值点电位、第n级高阈值点电位(其间还有其它级别的高低阈值点电位未标出)。同时，阈值点电位满足U_high_n＞U_low_n＞…＞U_high_2＞U_low_2＞U_high_1＞U_low_1。若U_in＜U_low_x，则称为对应第x级下的欠压情况；若U_low_x＜U_in＜U_high_x，则称为对应第x级下的正常情况；若U_in＞U_high_x，则称为对应第x级下的过压情况。
多级复合型窗口比较器电路的结构如图2所示，逻辑复合电路的结构如图3所示。
多级复合型窗口比较器电路有2n个比较器(A1、A2、A3、A4、...、A(2n-1)、A 2n)，n个阈值点电位(U_set_1、U_set_2、...、U_set_n)，2n个比较输出电压(U_out_1、U_out_2、U_out_3、U_out_4、...、U_out_(2n-1)、U_out_2n)。
在此，由阈值点电位上限与下限值的性质可知，在n级输入中每一级电位的上限与下限值满足U_high_n＞U_low_n＞U_high_(n-1)＞U_low_(n-1)＞...＞U_high_1＞U_low_1。同时，多级复合型窗口比较器电路的各个阈值点电位应满足U_set_n＞U_set_(n-1)＞...＞U_set_1。
本电路将输入被比较电压U_in的欠压和过压采样分为两条独立的分压式支路。欠压采样分压式支路由图中的R1和R2组成，过压采样分压式支路由图中的R3和R4组成。
将R1与R2分压后得到的电压分别送入偶数序号(A2、A4、...、A 2n)比较器的反相端，并与同相端的阈值电位相比较，此时偶数序号比较器得到n路中每一路的欠压状态(输出高电平时为欠压状态，输出低电平时为非欠压状态)；将R3与R4分压后得到的电压分别送入图2中奇数序号(A1、A3、...、A(2n-1))比较器的同相端，并与反相端的阈值电位相比较，此时奇数序号比较器得到n路中每一路的过压状态(输出高电平时为过压状态，输出低电平时为非过压状态)。在此，2n路比较器得到的比较输出电压(U_out_1、U_out_2、U_out_3、U_out_4、...、U_out_(2n-1)、U_out_2n)通过图2逻辑电路进行电压的逻辑复合，即可得到一路多级输入电位逻辑判断信号输出。
可见，n路电压输入的下限值U_low_1、U_low_2、...、U_low_n和上限值U_high_1、U_high_2、...、U_high_n成为对应输入下的等效欠压状态和过压状态下的阈值点电位输入电压通过分压电路取值后与U_set_1、U_set_2、...、U_set_n比较，等效于输入电压直接与U_low_1、U_high_1、U_low_2、U_high_2...、U_low_n、U_high_n比较。此种方法把欠压与过压区转化成两路，在电路中只需要使用n个比较阈值点电位即可构成所需的电位鉴别，这也正是该电路比常规多限比较器电路在阈值点电位上所需个数少的原理所在。
设计的参数根据以下公式确定：
其中
在设计确定参数的过程中，要明确U_low_1、U_high_1、U_low_2、U_high_2...、U_low_n、U_high_n。然后可以先确定设定好U_set_1、U_set_2、...、U_set_n的值，进而运用以上公式确定好R1、R2、R3、R4，实现对整个电路的参数设定。
把多级复合型窗口比较器电路方案应用于12V和24V这两种不同输入电压级别的电子电路。得到如图4所示的输入双电压级别逻辑保护电路。如图所示，将输入电压(V-BAT)的欠压和过压采样分为两条独立的分压式支路。欠压采样分压式支路由图中的R1和R2组成，过压采样分压式支路由图中的R3和R4组成。
同时，在12V输入等级下，其欠压及过压值分别为10.5V和15V；在24V输入等级下，其欠压及过压值分别为21V和30V。
通过计算，四个电阻可取值：
R1＝24K ohm，R2＝11K ohm，R3＝39K ohm，R4＝11K ohm。两路分压式采样信号分别送入LM339芯片的四个比较器单元A、B、C、D。两个稳压二极管(齐纳二极管，BZV55-B3V3)串联组成四个比较器的比较基准电压，其中每个稳压二极管都并联了一个容量为10nF的瓷介电容作为高频旁路电容，滤除比较基准电压来自电路内外的干扰信号。因为LM339比较器属于“开漏”输出型，在每个比较器单元的输出端加了一个阻值为2K ohm的“上拉”电阻，以确保能输出正确的状态。
四个比较器的输出接到后续的逻辑门电路。因为该CMOS逻辑芯片的工作特性，且其工作在5V模式下，所以在每个比较器的输出端再加了一级分压电路，使输入电压达到该CMOS逻辑芯片的输入标准。按图2电路连接，当比较器输出为高电平时，表示输入电压在欠压或过压状态；当比较器输出低电平时，表示输入电压在合理的工作范围内。
可以分析出，比较器单元A、B的输出端OA和OB输出高电平时，对应于12V蓄电池输入时的过压与欠压保护输出；而比较器单元C、D的输出端OC和OD输出高电平时，分别对应24V蓄电池输入时的过压与欠压保护输出。
四路逻辑信号OA、OB、OC、OD一同送入一个符合逻辑表达式“Control_out＝OA.OD+OB+OC”的逻辑复合电路中，最终得到复合输出信号Control_out。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同替换所限定，在未经创造性劳动所作的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种多级输入逻辑判断电路，包括比较器电路、逻辑复合电路，其特征在于：所述比较器电路有n组比较器、n个阈值点电位U_set_1、...、U_set_n，每组比较器有两个比较器从而得到2n个比较输出电压U_out_1、...、U_out_2n，输入被比较电压U_in的欠压和过压采样分为两条独立的分压式支路，欠压采样分压式支路包括电阻R1和R2，过压采样分压式支路包括电阻R3和R4；偶数序号比较器的反相端连接并接入由R1和R2组成的分压电路，使R1与R2分压后得到的电压分别送入偶数序号比较器的反相端，并与同相端的阈值电位相比较，使得偶数序号比较器得到n路中每一路的欠压状态；奇数序号比较器的同相端连接并接入由R3与R4组成的分压电路，使R3与R4分压后得到的电压分别送入奇数序号比较器的同相端，并与反相端的阈值电位相比较，使奇数序号比较器得到n路中每一路的过压状态。
2.根据权利要求1所述多级输入逻辑判断电路，其特征在于：所述逻辑复合电路包括n组逻辑输入信号，每组逻辑输入信号输入由n个二输入或逻辑门得到n个运算输出信号，n个运算输出信号送入与逻辑门，最终得到复合输出信号U_out。
3.根据权利要求1或2所述多级输入逻辑判断电路，其特征在于：电阻R1、R2、R3、R4参数根据以下公式确定：
其中，
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |