DE3305626C1 - Window comparator - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Fcnsterkomparator zur Überprüfung der Lage einer Eingangsspannung in bezug auf zwei Prüfspannungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a window comparator for checking the position of an input voltage in with respect to two test voltages according to the preamble of claim 1.
Ein solcher Fensterkomparator ist aus der Druckschrift »IBM Technical Disclosure Bull.«.Vol. 13, No. 1!. April 1971, Seite 3479 bekannt. · -Such a window comparator is from the document “IBM Technical Disclosure Bull.” Vol. 13, No. 1!. April 1971, page 3479. -
Bei dieser bekannten Schaltung werden als Dioden Z-Dioden verwendet, deren Durchbruchspannungen die Prüfspannungen des Fensterkomparators darstellen. Die Verbindungspunkte zwischen den beiden Z-Dioden und den ihnen nachgeschalteten Widerständen sind mit den Basisanschlüssen zweier komplementärer Transistoren verbunden. Die komplementären Transistoren überbrücken je einen Teilwiderstand zweier einseitig miteinander verbundener Spannungsteiler. Die freien Anschlüsse der beiden Spannungsteiler sind mit psositiver und negativer .Spannung verbunden. Der Verbindungspunkt der neiden Spannungsteiler bilde: den Ausgang des Fensterkomparaiors.In this known circuit Z-diodes are used as diodes, the breakdown voltages of which Represent test voltages of the window comparator. The connection points between the two Zener diodes and the resistors connected downstream of them are connected to the base connections of two complementary transistors tied together. The complementary transistors each bridge a partial resistance of two unilaterally interconnected voltage divider. The free connections of the two voltage dividers are with positive and negative voltage connected. The connection point between the two voltage dividers is: the output of the window comparator.
Die Funktion der Schaltung ist wie folgt:
Liegt die Eingangsspannung zwischen beiden Prüfspannungen,
so sind die Z-Dioden nicht leitend und die beiden komplementären Transistoren gesperrt. Der
Ausgang des Fensterkomnarators liesn auf einem
Potential, welches durch die Werte der Widerstände der Spannungsteiler bestimmt ist und beispielsweise auf den
Wert Null abgeglichen werden kann. Wird eine der Priil'spannungcn durch die F.ingangsspannung über-
oder unterschritten, so wird eine der beiden Z-Dioden
leitend und einer der komplementären Transistoren wird durchgcsteueri. Der Abgleich der Spannungsteiler-Widerstände
wird dadurch stark verändert und das Ausgangspotential des Fensterkomparators entsprechend
stark verschoben.The function of the circuit is as follows:
If the input voltage lies between the two test voltages, the Zener diodes are not conductive and the two complementary transistors are blocked. The output of the window comparator reads at a potential which is determined by the values of the resistors of the voltage divider and can be adjusted to the value zero, for example. If one of the primary voltages is exceeded or undershot by the input voltage, one of the two Zener diodes becomes conductive and one of the complementary transistors is controlled. The balancing of the voltage divider resistors is thereby greatly changed and the output potential of the window comparator is shifted accordingly.
Der bekannte Fensterkomparator arbeitet recht ungenau. Die Prüfspannungen sind infolge der unvermeidbaren Bauelementestreuung bei Z-Dioden und Transistoren sehr schwer einzustellen. Da die Durchbruchspannungen der Z-Dioden, wie auch die Kennlinien der komplementären Transistoren temperaturabhängig sind, kann es auch während des Betriebes zu Abweichungen der Prüfspannungen kommen. Der bekannte Fensterkomparator ist deshalb für Anwendungen, in denen es auf die genaue Überprüfung der Lage einer Spannung ankommt, nicht geeignet.The known window comparator works quite imprecisely. The test voltages are due to the unavoidable It is very difficult to adjust component scattering in Zener diodes and transistors. As the breakdown voltages of the Zener diodes, as well as the characteristics of the complementary transistors, are temperature-dependent there may be deviations in the test voltages even during operation. Of the well-known window comparator is therefore for applications in which there is a precise check of the Location of a voltage arrives, not suitable.
.Aus dem Lehrbuch »Halbleiter-Schaltungstechnik« von U. Tietze und Ch. Schenk, 5. Auflage, Seite 413, ist eine Prinzipschaltung für einen Fensterkomparator angegeben, die zwei Operationsverstärker aufweist, deren Eingängen sowohl die zu prüfende Spannung als auch beide Prüfspannunsen in der Weise zugeführt werden, daß die höhere Prüfspannung am nicht invertierenden Eingang des einen, die niedrigere Prüfspannung am invertierenden Eingang des anderen Operationsverstärkers liegt und daß die zu prüfende Spannung den verbleibenden Eingängen beider Operationsverstärker parallel zugeführt wird. Die Ausgange der Operationsverstärker sind auf ein Und-Glied geführt. An dessen Ausgang steht nur dann L-Potential an, wenn die zu prüfende Spannung unterhalb der höheren Prüfspannung, aber oberhalb der niedrigeren Prüfspannung liegt.From the textbook "Semiconductor Circuit Technology" by U. Tietze and Ch. Schenk, 5th edition, page 413, is a basic circuit for a window comparator is given, which has two operational amplifiers, whose inputs both the voltage to be tested and both test voltages are supplied in this way that the higher test voltage at the non-inverting input of one, the lower Test voltage is at the inverting input of the other operational amplifier and that the one to be tested Voltage is fed to the remaining inputs of both operational amplifiers in parallel. The exits the operational amplifiers are connected to an AND element. Only then is L potential at its output on when the voltage to be tested is below the higher test voltage but above the lower one Test voltage is present.
Dieser ebenfalls bekannte Fensterkomparator hat Nachteile in bezug auf seine Funktionssicherheit. Fällt z. B. einer der Operationsverstärker aus, so nimmt seine Ausgangsspannung in der Regel einen-Wert in der Nähe einer der beiden zum Betrieb eines Operationsverstärkers üblicherweise notwendigen Versorgungsspannungen an. 1st dies die positive Versorgungsspannung, so täuscht der Operationsverstärker die richtige Lage der Eingangsspannung in bezug auf die ihm zugeführte Prüfspannung vor. Dieser Ausfall wird nicht bemerkt.This window comparator, which is also known, has disadvantages with regard to its functional reliability. Falls z. B. one of the operational amplifiers off, its output voltage usually takes a value in the vicinity one of the two supply voltages usually required to operate an operational amplifier at. If this is the positive supply voltage, the operational amplifier will mislead the correct position of the Input voltage in relation to the test voltage supplied to it. This failure is not noticed.
Aufgabe der Erfindung ist ein Fensterkomparator, der sehr genau arbeitet und bei dem Bauelementeausfäl-Ie nicht unbemerkt bleiben.The object of the invention is a window comparator which works very precisely and in which component failures don't go unnoticed.
Ein solcher Fensterkomparator wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 beschrieben. Er weist die Nachteile der beiden bekannten Fensterkomparatoren nicht auf.Such a window comparator is characterized by the features of the characterizing part of the claim 1 described. It does not have the disadvantages of the two known window comparators.
Die Prüfspannungen werden hier fast ausschließlich durch die Spannungsteiler-Widerstände bestimmt. Diese können beliebig bemessen werden und sehr temperaturkonstant ausgeführt sein. Eventuelle temperaturbedingte Abweichungen im Widerstandswert kompensieren sich außerdem aufgrund der Symmetrie der Schaltung. Der naehgeschaltcte Operationsverstärker, dessen Verstärkungsfaktor sehr hoch eingestellt werden kann, sorgt für exaktes Schaltverhalten des Komparators bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer Prüfspannung durch die zu prüfende Eiingangsspanniing. Er kann auch nicht ausfallen, ohne daß dies bemerkt wird, denn er arbeitet im »aktiven Bereich«. Letzteres heißt, daß seine Ausiiantrsspannung sich bei vor'-ehrifis-The test voltages are determined here almost exclusively by the voltage divider resistors. These can be dimensioned as required and designed with a very constant temperature. Possible temperature-related Deviations in the resistance value are also compensated for due to the symmetry of the Circuit. The connected operational amplifier, The amplification factor of which can be set very high ensures the comparator's switching behavior is precise when a test voltage is exceeded or not reached by the input voltage to be tested. Nor can he fail without realizing it because he works in the "active area". The latter means that its initial tension is
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mäßiger Funktion in einem Hereich bewegt, der weit von den beiden Vcrsorirungsspannungen entfernt ist. :md den die Ausgangsspannunii verläßt, wenn sie bei einer Störung einen Wert in der Nähe einer der Versorgungsspannungcn annimmt. Der Ausfall des Operationsverstärkers oder der Ausfall einer Versorgungsspannung führt deshalb Hier sofort und mit großer Sicherheit zu einer Fehleranzeige.moderate function in a region that moves far is removed from the two supply voltages. : md the output voltage leaves when it is at a disturbance assumes a value in the vicinity of one of the supply voltages. The failure of the Operational amplifier or the failure of a supply voltage therefore leads here immediately and with a large amount Security to an error display.
Gemäß- einer im Anspruch 2 beschriebenen Ausgestaltung des Fensterkomparators nach der Erfindung oriolgt die Überwachung des Ausgangsspannungsbereichs des Operationsverstärkers polentialfrei mittels eines Optokopplers. Es kann so mit Einsatz weniger Bauelemente ein Verlassen des vorgeschriebenen .Spannungsbereiches durch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers sowohl nach oben wie auch nach unten festgestellt werden.According to an embodiment described in claim 2 of the window comparator according to the invention oriolgt the monitoring of the output voltage range of the operational amplifier without polarity by means of an optocoupler. It can do so with less effort Components a departure from the prescribed voltage range due to the output voltage of the Operational amplifier can be determined both upwards and downwards.
Der Einstellung des vorgeschriebenen Ausgangsspannungsbereiches des Operationsverstärkers dient der Gegenstand des Patentanspruchs 3. Außerdem kann durch den dort vorgesehenen Vorwiderstand eine Überlastung der Leuchtdiodenstrecke des Optokopplers verhindert werden.The setting of the prescribed output voltage range of the operational amplifier is used Subject of claim 3. In addition, a series resistor provided there Overloading of the light emitting diode line of the optocoupler can be prevented.
Die einwandfreie Funktion des erfindungsgemäßen Fensterkomparators läßt sich auch auf einfache Weise prüfen und zwar dadurch, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers z. B. durch eine zusätzlich angelegte Spannung an einem Eingang künstlich verändert und das Ansprechen der Überwachungsschaltung darauf geprüft wird.The proper functioning of the window comparator according to the invention can also be achieved in a simple manner check by the fact that the output voltage of the operational amplifier z. B. by an additional applied voltage at an input artificially changed and the response of the monitoring circuit is checked for it.
Anhand einer Figur soll nun ein Ausführungsbeispiel des f-ensterkomparators nach der Erfindung ausführlich beschrieben und seine Funktion erklärt werden.An exemplary embodiment of the f-window comparator according to the invention will now be described in detail with the aid of a figure described and its function explained.
Die Figur zeigt einen Fensterkomparator nach der Erfindung. Eine Einsatzklemme E ist über Dioden D 1 und Dl mit den Teilspannungsabgriffen zweier Spannungsteiler verbunden, von denen einer aus Widerständen R 1 und R 2, der andere aus zwei anderen Widerständen R3 und A4 besteht. Die Diode Di ist dabei mit ihrer Anode an der Eingangskiemme und mit ihrer Kathode am Teilspannungsabgriff des aus den Widerständen R 1 und R 2 bestehenden Spannungsteilers, die Diode D 2 mit ihrer Kathode an der Eingangsklemme und mit ihrer Anode am Teilspannungsabgriff des aus den Widerständen R3 und A4 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen. Der Widerstand R 1 liegt mit seinem freien Anschluß an einer positiven Spannung U+, der Widerstand /?4 mit seinem freien Anschluß an einer negativen Spannung U-. — Die Spannungen U+ und U— sowie aile anderen Spannungen sind hier auf Nullpotential UO bezogen. — Die freien Anschlüsse der Widerstände R 2 und R 3 sind miteinander und mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers liegt an Nullpotential UO. Ein Gegenkopplungswiderstand R 5 verbindet den Operationsverstärkerausgang mit dem invertierenden Eingang.The figure shows a window comparator according to the invention. An insert terminal E is connected via diodes D 1 and Dl to the partial voltage taps of two voltage dividers, one of which consists of resistors R 1 and R 2, the other of two other resistors R3 and A4. The diode Di is with its anode on the input terminal and with its cathode on the partial voltage tap of the voltage divider consisting of the resistors R 1 and R 2, the diode D 2 with its cathode on the input terminal and with its anode on the partial voltage tap of the resistors R3 and A4 existing voltage divider connected. The free connection of the resistor R 1 is connected to a positive voltage U +, the resistor /? 4 with its free connection to a negative voltage U-. - The voltages U + and U- as well as all other voltages are related to zero potential UO. - The free connections of the resistors R 2 and R 3 are connected to one another and to the inverting input of an operational amplifier OP . The non-inverting input of the operational amplifier is at zero potential UO. A negative feedback resistor R 5 connects the operational amplifier output to the inverting input.
Ausgangsseitig ist dem Operationsverstärker eine Überwachungsschaltung nachgeschaltet, deren erster Teil US 1 in der Figur dargestellt ist. Er enthält eine Dioden-Brückenschaitung, bestehend aus den Dioden D 3. D 4, D 5 und D 6 und einen Optokoppler OK. dessen Leuchtdiodenstreckc in Reihe mit einer Z-Diode Z und einem Vorwiderstand R 6 im Gleichstrompfad der Dioden-Brückenschaltung angeordnet ist. Die Schaitstreckc des Optokopplers ist kollektorseitig mit positivem Potential U+ und emitterseitig mit einemOn the output side, the operational amplifier is followed by a monitoring circuit, the first part of which US 1 is shown in the figure. It contains a diode bridge circuit consisting of the diodes D 3. D 4, D 5 and D 6 and an optocoupler OK. whose light-emitting diode stretch is arranged in series with a Zener diode Z and a series resistor R 6 in the direct current path of the diode bridge circuit. The circuit of the optocoupler is on the collector side with a positive potential U + and on the emitter side with a
weiteren, in der Figur nicht dargestellten Teil ÜS2 der Überwachungsschaltung verbunden, welcher bei Durchiiissigwerden der Schahsirccke des Optokopplers eine Störungsanzeige auslöst.further, not shown in the figure, part ÜS2 of the monitoring circuit is connected, which triggers a malfunction display when the optocoupler is passed through.
Die Funktion des Fensterkomparators ist wie folgt: Die zu prülcnde oder zu überwachende Spannung wird an die Eingangskiemme H angelegt. Zuvor werden die Widerstände Ri bis A'4 so abgeglichen — die Widerstände R i und R 4 können zu diesem Zweck veränderbar ausgeführt sein —. daß die Spannung am invertierenden Eingang und damit auch am Ausgang des Operationsverstärkers Null ist. Der Teilspannungsabgriff des aus den Widerständen R i und R 2 bestehenden Spannungsteilers liegt dann auf einer Spannung zwischen der positiven Spannung U+ und Nullpotential UO. der Teilspannungsabgriff des aus den Widerständen R 3 und R 4 bestehenden Spannungsteilers auf einer Spannung zwischen Nullpotential U 0 und der negativen Spannung U-. Die Spannungen der Teilspannungsabgriffe der Spannungsteiler stellen die Prüfspannungen des Fensterkomparators dar. Solange die positive Spannung am Teilspannungsabgriff des aus den Widerständen Ri und R 2 bestehenden Spannungsteilers von der zu überwachenden, an der Eingangsklemme anliegenden Eingangsspannung nicht überschritten und die negative Spannung am Teilspannungsabgriff des aus den Widerständen R 3 und R 4 bestehenden Spannungsteilers von der Eingangsspannung nicht unterschritten wird, ändert sich nichts am abgeglichenen Zustand der Spannungsteilerkette. Übersteigt oder unterschreitet jedoch die Eingangsspannung eine der Prüfspannungen, so wird entweder die Diode D 1 oder die Diode Dl leitend und es fließt in beiden Fällen ein zusätzlicher Strom über Teile der Spannungsteiler, der den Abgleich aufhebt. ]e nachdem, nach weicher Seite die Spannung am Eingang des Operationsverstärkers von Null abweicht, nimmt der Operationsverstärkerausgang eine nach der Gegenseite von Null abweichende Spannung an. Bei hoch eingestellter Verstärkung-des Operationsverstärkers erreicht diese schon bei einer kleinen Abweichung von dessen Eingangsspannung ihren maximalen Wert, der annähernd der positiven oder negativen Versorgungsspannung des Operationsverstärkers entspricht.The function of the window comparator is as follows: The voltage to be checked or monitored is applied to the input terminal H. Before this, the resistors Ri to A'4 are balanced - the resistors R i and R 4 can be designed to be changeable for this purpose -. that the voltage at the inverting input and thus also at the output of the operational amplifier is zero. The partial voltage tap of the voltage divider consisting of the resistors R i and R 2 is then at a voltage between the positive voltage U + and zero potential UO. the partial voltage tap of the voltage divider consisting of the resistors R 3 and R 4 at a voltage between zero potential U 0 and the negative voltage U-. The voltages of the partial voltage taps of the voltage divider represent the test voltages of the window comparator. As long as the positive voltage at the partial voltage tap of the voltage divider consisting of the resistors Ri and R 2 is not exceeded by the input voltage to be monitored and applied to the input terminal, and the negative voltage at the partial voltage tap of the Resistors R 3 and R 4 existing voltage divider is not undershot by the input voltage, nothing changes in the balanced state of the voltage divider chain. If, however, the input voltage exceeds or falls below one of the test voltages, either the diode D 1 or the diode Dl becomes conductive and in both cases an additional current flows through parts of the voltage divider, which cancels the adjustment. ] e after the voltage at the input of the operational amplifier deviates from zero on the opposite side, the operational amplifier output assumes a voltage deviating from zero on the opposite side. When the gain of the operational amplifier is set high, it already reaches its maximum value with a small deviation from its input voltage, which approximately corresponds to the positive or negative supply voltage of the operational amplifier.
Mit der dem Operationsverstärker nachgeschalteten Überwachungssschaltung läßt sich nun feststellen, wann ein solcher Zustand des Operationsverstärkers eintritt. Weicht nämlich die Ausgangsspannung U.\ des Operationsverstärkers um mehr als die Schwellenspannung der Z-Diöde Zvon Nullpotential ab, so wird die Z-Diode leitend und es fließt, unabhängig davon, welche Polarität die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers aufweist, ein Strom über den Gieichstrompfad "der Dioden-Brückenschaltung und damit über die Leuchtdiodenstrecke des Optokopplers. Die .Schaltstrecke des Optokopplers wird damit !eilend und das Über- oder Unterschreiten einer Prüfspanniing durch die Eingangsspannung wird angezeigt. With the monitoring circuit connected downstream of the operational amplifier it can now be determined when such a state of the operational amplifier occurs. If the output voltage U. \ of the operational amplifier deviates from zero potential by more than the threshold voltage of the Z diode Z, the Z diode becomes conductive and, regardless of the polarity of the output voltage of the operational amplifier, a current flows through the DC path " the diode bridge circuit and thus via the light-emitting diode section of the optocoupler.
Ein geringes Abweichen vom abgeglichenen Zustand, das z. B. mit der Zeit durch Aiienine von Bauelementen oder durch Temperatureiniiiisse eintreten kann, wird in der Regel keine so hohe Operationsverstärker-Ausgangsspannunü verursachen, daß die Sehwelienspannting der Z-Diode liberscnniten wird. In kritischen Anwendungsfällen können die Spannungen LI+ und {■'—. liie v.\\. auch die Versorgungsspannungen des Operationsverstärkers nilden können, stabilisiert werden. A slight deviation from the balanced state, which z. B. can occur over time through aiienine of components or through temperature influences, will usually not cause such a high operational amplifier output voltage that the visual voltage of the Zener diode is increased. In critical applications, the voltages LI + and {■ '-. liie v. \\. the supply voltages of the operational amplifier can also be stabilized.
COPVCOPV
Ein Ausfall eines Bauelementes in dom vor der Überwachungsschaltung gelegenen Schaltung.stcil führt jedoch in jedem Falle wie das Über- oder Unterschreiten einer Prüfspannung durch die Eingangsspannung zur maximalen Ausgangsspannung des Operationsverstärkers, so daß eine entsprechende Anzeige erfolgt.A failure of a component in dom before Monitoring circuit located circuit.stcil leads but in each case like the exceeding or falling below a test voltage by the input voltage to the maximum output voltage of the operational amplifier, so that a corresponding display takes place.
Um auch Bauelementeausfälle innerhalb der Überwachungsschaltung zu erkennen, kann die Überwachungsschaltung, zumindest deren erster Teil, mit" wenig zusätzlichem Aufwand verdoppelt werden.To also include component failures within the monitoring circuit to recognize, the monitoring circuit, at least its first part, with "little additional effort can be doubled.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Claims (3)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19833305626 DE3305626C1 (en) | 1983-02-18 | 1983-02-18 | Window comparator |
| BE2/60339A BE898954R (en) | 1983-02-18 | 1984-02-20 | Very accurate window comparator with component failure detection - has monitor circuit with diode bridge input stage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19833305626 DE3305626C1 (en) | 1983-02-18 | 1983-02-18 | Window comparator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3305626C1 true DE3305626C1 (en) | 1984-03-22 |
Family
ID=6191183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19833305626 Expired DE3305626C1 (en) | 1983-02-18 | 1983-02-18 | Window comparator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3305626C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1983
- 1983-02-18 DE DE19833305626 patent/DE3305626C1/en not_active Expired
Non-Patent Citations (2)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ALCATEL SEL AKTIENGESELLSCHAFT, 7000 STUTTGART, DE |
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