CN108649933B - 一种窗口电压比较电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窗口电压比较电路，包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第一光电耦合器和第二光电耦合器；第一运算放大器和第二运算放大器根据输入的待比较电压、窗口位置控制信号和窗口宽度控制信号改变窗口电压比较电路的比较电压值，第一光电耦合器和第二光电耦合器根据窗口电压比较电路的比较电压值输出比较结果，实现窗口电压比较。采用本发明的窗口电压比较电路能够自动调节窗口位置和窗口宽度，实现对待比较电压的跟踪比较。

Description

一种窗口电压比较电路
技术领域
本发明涉及电压信号测量控制技术领域，尤其涉及一种窗口电压比较电路。
背景技术
窗口电压比较电路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，被广泛应用于自动检测电路、故障检测电路、A/D转换电路、高速采样电路、波形变换电路、电源电压监测电路、报警器以及电子测量技术中。以自动检测电路对振动的检测为例对窗口电压比较器的使用进行说明，例如，某一特定点的振动时间历程可以是位移的时间历程，该特定点是围绕基本稳定点上下位移的时间历程，且围绕该基本稳定点上下位移的振幅不会超过±ΔX，也就是说，该特定点的振动是在一定的窗口内进行的，对这类非电物理量经过传感器转换成电信号的过程中，就需要窗口电压比较电路来拾取振动位移的电信号。
现有的窗口电压比较电路是一种双限比较器，主要采用双电压比较器和两个电位器提供比较电平，其中，窗口电压比较电路中窗口位置和窗口大小的调节都是通过电位器调节电压来完成，这类窗口电压比较电路适用于窗口位置和窗口大小固定的比较电路。但是，仍然以自动检测电路为例，例如，由于振动监测是从某一个特定点到另一个特定点的振动检测，当检测的特定点不同时，其基本稳定点和基本稳定点的振幅都可能发生改变，也就是说，窗口位置和窗口大小在自动检测过程中均会发生变化；而现有的窗口电压比较电路中的窗口位置和窗口大小并不能跟随被检测信号的变化而改变，这会严重降低电路的比较精度。因而，现有的窗口电压比较电路存在窗口位置和窗口大小不能自动调节的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的一种窗口电压比较电路中窗口位置和窗口大小能够跟随输入的待比较电压的变换而自动改变，可有效调节窗口电压比较电路的窗口位置和窗口大小，实现对待比较电压的跟踪比较。
为解决上述技术问题，本发明的一种窗口电压比较电路，第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一运算放大器、第二运算放大器、第一光电耦合器、第二光电耦合器和信号输出端；其中，
所述第一输入端通过第一电阻连接至第一运算放大器的反相输入端，所述第二输入端通过第二电阻连接至所述第一运算放大器的反相输入端，其中，所述第一输入端用于输入待比较电压，所述第二输入端用于输入窗口位置控制信号，所述窗口位置控制信号用来决定窗口中心线的位置；所述第一运算放大器的同相输入端接地，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的反相输入端之间通过第三电阻和第四电阻连接，所述第三电阻与所述第四电阻的连接点与所述第一运算放大器的输出端之间连接有第一二极管，所述第一运算放大器的输出端与其反相输入端之间连接有第二二极管；
所述第一输入端通过第五电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第二输入端通过第六电阻连接至所述第二运算放大器的反相输入端，所述第三输入端通过第七电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第三输入端用于输入窗口宽度控制信号，所述窗口宽度控制信号用来控制窗口的宽度；所述第二运算放大器的同相输入端接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过第八电阻与所述第一光电耦合器中发光二极管的阳极以及所述第二光电耦合器中发光二极管的阴极相连接，所述第二运算放大器的输出端分别与所述第一光电耦合器中发光二极管的阴极及所述第二光电耦合器中发光二极管的阳极相连接；
所述第一光电耦合器中光敏三极管的集电极与第二光电耦合器中光敏三极管的发射极连接并通过第九电阻接地，所述第一光电耦合器中光敏三极管的发射极连接第一直流电源；
所述第二光电耦合器中光敏三极管的集电极连接第二直流电源；
所述信号输出端与所述第一光电耦合器中光敏三极管的集电极及所述第二光电耦合器中光敏三极管的发射极相连接，以输出比较结果。
与现有技术相比，本发明的窗口电压比较电路，通过第一输入端输入的待比较电压以及第二输入端输入的窗口位置控制信号的和的正负来确定信号输出端的跳变点，使得信号输出端的跳变点随待比较电压的大小而自动改变，提高跳变点的确定精度高和响应速度；同时，本发明的窗口电压比较电路所形成的窗口电压中窗口中心点位置通过第二输入端输入的窗口位置控制信号调节，窗口宽度通过第三输入端输入的窗口宽度控制信号调节，使得窗口电压的调节方式简单、方便、灵敏；此外，本发明的窗口电压比较电路采用运算放大器、二极管和电阻等简单元件制作而成，其制备成本低。
作为上述方案的改进，所述第一电阻的电阻值与所述第二电阻的电阻值相等。
作为上述方案的改进，所述第五电阻、所述第六电阻和所述第七电阻的电阻值均与所述第一电阻的电阻值相等。
作为上述方案的改进，所述第三电阻的电阻值为所述第一电阻的电阻值的1/2。
作为上述方案的改进，所述第四电阻的电阻值为所述第一电阻的电阻值的1/4。
作为上述方案的改进，所述第一直流电源为直流电压源，用于提供负电压；所述第二直流电源为直流电压源，用于提供正电压。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种窗口电压比较电路的结构示意图。
图2是本发明实施例1中窗口电压比较电路的电压传输特性示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
如图1所示，是本发明实施例1的一种窗口电压比较电路的结构示意图。
该窗口电压比较电路包括：第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一光电耦合器OC1和第二光电耦合器OC2；其中，第一输入端通过第一电阻R2连接第一运算放大器A1的反相输入端，第二输入端通过第二电阻R2连接第一运算放大器A1的反相输入端，其中，第一输入端用于输入待比较电压VIN，第二输入端用于输入窗口位置控制信号VK，该窗口位置控制信号VK用来决定窗口中心线的位置，第一运算放大器A1的同相输入端接地，第一运算放大器A1的反相输入端与第二运算放大器A2的反相输入端通过第三电阻R3和第四电阻R4连接，第三电阻R3与第四电阻R4的连接点与第一运算放大器A1的输出端之间连接有第一二极管D1，第一运算放大器A1的输出端与其反相输入端之间连接有第二二极管D2；第一输入端通过第五电阻R5连接第二运算放大器A2的反相输入端，第二输入端通过第六电阻R6连接第二运算放大器A2的反相输入端，第三输入端通过第七电阻R7连接第二运算放大器A2的反相输入端，第三输入端用于输入窗口宽度控制信号ΔV，该窗口宽度控制信号用来控制窗口的宽度，第二运算放大器A2的同相输入端接地，第二运算放大器A2的反相输入端通过第八电阻R8与第一光电耦合器OC1中发光二极管D3的阳极和第二光电耦合器OC2中发光二极管D4的阴极相连接，第二运算放大器A2的输出端分别与第一光电耦合器OC1中发光二极管D3的阴极及第二光电耦合器OC2中发光二极管D4的阳极相连接；第一光电耦合器OC1中光敏三极管T1的集电极与第二光电耦合器OC2中光敏三极管T2的发射极连接并通过第九电阻R9接地，第一光电耦合器OC1中光敏三极管T1的发射极连接第一直流电源；第二光电耦合器OC2中光敏三极管T2的集电极连接第二直流电源，其中，第一直流电源为直流电压源，用于提供负电压；第二直流电源为直流电压源，用于提供正电压，信号输出端VOUT与第一光电耦合器OC1中光敏三极管D3的集电极及第二光电耦合器OC2中光敏三极管D4的发射极相连接，以输出比较结果；R1＝R2＝R5＝R6＝R7＝R，R3＝R/2，R4＝R/4，R为预设的电阻值。
接下来，结合附图1和附图2对实施例1中的窗口电压比较电路的工作原理进行详细说明。
由于R1＝R2＝R且第一运算放大器A1的同相输入端接地，因而当输入的VIN和VK满足(VIN+VK)<0时，则第一运算放大器A1反相输入端的输入的电压VG1<0，即第一运算放大器A1的反相输入端输入负电压，进而该负电压在经过第一运算放大器A1反相后，第一运算放大器A1的输出端瞬时输出正电压，使得第二二极管D2导通、第一二极管D1截止，此时，第三电阻R3和第四电阻R4串联，并且连接于第一运算放大器A1的虚地点G1和第二运算放大器A2的虚地点G2之间，且第一运算放大器A1虚地点G1的电压VG1≈0V，因而第一运算放大器A1虚地点的电压VG1对第二运算放大器A2没有影响，第二运算放大器A2仅受VIN、VK和ΔV三个输入电压的作用。并且，由于第二运算放大器A2的虚地点G2的电压VG2≈0V、R5＝R6＝R7＝R，则流过第八电阻R8的电流IO满足以下条件：
当(VIN+VK+ΔV)>0时，IO>0，则第一光电耦合器OC1中发光二极管D3导通、第一光电耦合器OC1中光敏三极管T1受发光二极管D3发出光照而导通，第二光电耦合器OC2中发光二极管D4截止、第二光电耦合器OC2中光敏三极管T2未受光照而截止，则信号输出端VOUT输出电压为第一直流电源的电压-E，即VOUT＝-E；当(VIN+VK+ΔV)<0时，IO<0，则第一光电耦合器OC1中发光二极管D3截止、光敏三极管T1未受发光二极管D3发出光照而截止，第二光电耦合器OC2中的发光二极管D4导通、光敏三极管T2受光照而导通，则信号输出端VOUT输出电压为第二直流电源的电压+E，即VOUT＝+E；当(VIN+VK+ΔV)＝0时，IO＝0，则得出低值比较点电压VIN＝-VK-ΔV。
由于R1＝R2＝R，R3＝R/2且第一运算放大器A1的同相输入端接地，因而当输入的VIN和VK满足(VIN+VK)>0时，则第一运算放大器A1反相输入端的输入的电压VG1>0，即第一运算放大器A1的反相输入端输入正电压，进而该负电压在经过第一运算放大器A1反相后，第一运算放大器A1的输出端瞬时输出负电压，使得第一二极管D1导通、第二二极管D2截止，此时，第一运算放大器A1与第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3构成反相加法运算电路，第三电阻R3和第四电路R4连接点处的电压VE＝-(VIN+VK)/2，第二运算放大器A2受VIN、VK、ΔV和VE四个输入电压的作用。并且，由于第二运算放大器A2的虚地点G2的电压VG2≈0V、R5＝R6＝R7＝R，则流过第八电阻R8的电流IO满足以下条件：
当(-VIN-VK+ΔV)>0时，IO>0，则第一光电耦合器OC1中发光二极管D3导通、光敏三极管T1受发光二极管D3发出光照而导通，第二光电耦合器OC2中发光二极管D4截止、光敏二极管T2未受光照而截止，则信号输出端VOUT输出电压为第一直流电源的电压-E，即VOUT＝-E；当(-VIN-VK+ΔV)<0时，IO<0，则第一光电耦合器OC1中发光二极管D3截止、光敏二极管T1未受发光二极管D3发出光照而截止，第二光电耦合器OC2中发光二极管D4导通、光敏二极管T2受光照而导通，则信号输出端VOUT输出电压为第二直流电源的电压+E，即VOUT＝+E；当(-VIN-VK+ΔV)＝0时，IO＝0，则得出高值比较点电压VIN＝-VK+ΔV。
如图2所示，是该窗口电压比较电路中电压传输特性示意图。
本发明的窗口电压比较电路形成的窗口宽度是2ΔV，低值比较点电压为VIN＝-VK-ΔV，高值比较点电压为VIN＝-VK+ΔV，窗口中心点是-VK。因而，当调整第二输入端的输入电压VK的大小时，就可以调整窗口电压比较路的窗口中心位置，当调整第三输入端的输入电压ΔV的电压大小时，就能够调整窗口电压比较电路中窗口的宽度，能够有效解决传统窗口电压比较电路中窗口位置和窗口大小不可调的问题，提升判断精度，提高窗口电压比较电路的抗共膜干扰能力；此外，该窗口电压比较电路还可以根据窗口电压比较电路外接逻辑电路的要求，采用具有不同电压值的第一直流电源和第二直流电源，以满足不同逻辑电路对不同逻辑电平的需求。另一方面，本发明的窗口电压比较电路的还具有电路结构简单、制备成本低。
本发明的窗口电压比较电路通过第一输入端输入的待比较电压VIN以及第二输入端输入的窗口位置控制信号VK的和(VIN+VK)的正负来改变窗口电压比较电路的比较电压值，使得窗口电压比较电路的比较电压值随待比较电压VIN的改变而自动改变；其中，当(VIN+VK)<0时，窗口电压比较电路的低值比较电压为VIN＝-VK-ΔV，进而在VIN>-VK-ΔV时，窗口电压比较电路的信号输出端VOUT输出第一直流电源的电压-E；在VIN<-VK-ΔV时，窗口电压比较电路的信号输出端VOUT输出第二直流电源的电压+E。当(VIN+VK)>0时，窗口电压比较电路的高值比较电压为VIN＝-VK+ΔV，进而在VIN<-VK+ΔV时，窗口电压比较电路的信号输出端VOUT输出第一直流电源的电压-E；在VIN>-VK+ΔV时，窗口电压比较电路的信号输出端输出VOUT第二直流电源的电压+E。
优选地，本发明的窗口电压比较电路中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8以及第九电阻R9可采用精度在千分之一以上的电阻，以提高窗口电压比较电路的精度。
优选地，本发明的窗口电压比较电路中还可以根据运算放大器的转换精度选择压摆率高、调整时间小、输入阻抗高和输出阻抗低的运算放大器作为第一运算放大器A1或第二运算放大器A2。
优选地，本发明的窗口电压比较电路中还可以根据转换精度，选择门坎电压低的高速开关型二极管作为第一二极管D1和第二二极管D2，以及可选择延迟时间比较小的光电耦合器作为第一光电耦合器OC1和第二光电耦合器OC2，以提高电路的响应速度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种窗口电压比较电路，其特征在于，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一运算放大器、第二运算放大器、第一光电耦合器、第二光电耦合器和信号输出端；其中，
所述第一输入端通过第一电阻连接至第一运算放大器的反相输入端，所述第二输入端通过第二电阻连接至所述第一运算放大器的反相输入端，其中，所述第一输入端用于输入待比较电压，所述第二输入端用于输入窗口位置控制信号，所述窗口位置控制信号用来决定窗口中心线的位置；所述第一运算放大器的同相输入端接地，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的反相输入端之间通过第三电阻和第四电阻连接，所述第三电阻与所述第四电阻的连接点与所述第一运算放大器的输出端之间连接有第一二极管，所述第一运算放大器的输出端与其反相输入端之间连接有第二二极管；
所述第一输入端通过第五电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第二输入端通过第六电阻连接至所述第二运算放大器的反相输入端，所述第三输入端通过第七电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第三输入端用于输入窗口宽度控制信号，所述窗口宽度控制信号用来控制窗口的宽度；所述第二运算放大器的同相输入端接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过第八电阻与所述第一光电耦合器中发光二极管的阳极以及所述第二光电耦合器中发光二极管的阴极相连接，所述第二运算放大器的输出端分别与所述第一光电耦合器中发光二极管的阴极及所述第二光电耦合器中发光二极管的阳极相连接；
所述第一光电耦合器中光敏三极管的集电极与第二光电耦合器中光敏三极管的发射极连接并通过第九电阻接地，所述第一光电耦合器中光敏三极管的发射极连接第一直流电源；所述第二光电耦合器中光敏三极管的集电极连接第二直流电源；
所述信号输出端与所述第一光电耦合器中光敏三极管的集电极及所述第二光电耦合器中光敏三极管的发射极相连接，以输出比较结果；
所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻、所述第五电阻、所述第六电阻、所述第七电阻、所述第八电阻以及所述第九电阻R9采用精度在千分之一以上的电阻。
2.如权利要求1所述的窗口电压比较电路，其特征在于，所述第一电阻的电阻值与所述第二电阻的电阻值相等。
3.如权利要求2所述的窗口电压比较电路，其特征在于，所述第五电阻、所述第六电阻和所述第七电阻的电阻值均与所述第一电阻的电阻值相等。
4.如权利要求3所述的窗口电压比较电路，其特征在于，所述第三电阻的电阻值为所述第一电阻的电阻值的1/2。
5.如权利要求3所述的窗口电压比较电路，其特征在于，所述第四电阻的电阻值为所述第一电阻的电阻值的1/4。
6.如权利要求1～5中任一项所述的窗口电压比较电路，其特征在于，所述第一直流电源为直流电压源，用于提供负电压；所述第二直流电源为直流电压源，用于提供正电压。
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