電壓比較器在檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

　　電壓比較器是用來(lái)比較兩個(gè)或兩個(gè)以上模擬電平，并給出結(jié)果的功能部件[1]。它將一個(gè)輸入模擬電壓信號(hào)與設(shè)置的參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將躍變成相應(yīng)的高電平或低電平，在模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　Multisim是較為優(yōu)秀的電路仿真軟件，它提供的虛擬儀器和分析方法不僅可以及時(shí)的看到電路的運(yùn)行狀態(tài)、測(cè)量電路的性能指標(biāo)，而且設(shè)計(jì)和試驗(yàn)可以同步進(jìn)行，能夠完成各種類型的電路設(shè)計(jì)和試驗(yàn)[2]。本文基于Multisim10.1，用美國(guó)NS公司的LM339仿真和設(shè)計(jì)了三種比較器電路。

　　2 比較器的特點(diǎn)及分類

　　2.1 比較器的特點(diǎn)

　　由于比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，即低電平或電源電壓，具有滿電源擺幅特性的比較器輸出級(jí)為射極跟隨器，這使得其輸出信號(hào)與電源擺幅之間僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內(nèi)部晶體管飽和狀態(tài)下的集電極與發(fā)射極之間的電壓。CMOS滿擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態(tài)下的MOSFET，與雙極型晶體管結(jié)構(gòu)相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。

　　2.2 比較器的分類

　　按一個(gè)器件上所含有電壓比較器的個(gè)數(shù)，可分為單、雙和四電壓比較器;按功能，可分為通用型、高速型(傳播延遲少于50ns)、微功率比較器(靜態(tài)電流低于20mA)、低電壓型(電源電壓低于5V)和高精度型電壓比較器;按輸出方式，可分為集電極(或漏極)(Open-Drain)開(kāi)路輸出和推拉式(Push-Pull)輸出結(jié)構(gòu)兩種情況。多數(shù)比較器的輸出為集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，如LM339、MAX918等使用時(shí)需要上拉電阻。

　　3 電壓比較器的選擇

　　3.1 電源電壓范圍、共模范圍

　　比較器使用時(shí)有雙電源供電、單電源供電兩種情況，要根據(jù)功能要求選擇供電方式。為了使比較器正常工作，首先電源電壓要在所使用的比較器的允許電壓范圍之內(nèi)，其次一定要保證兩端輸入信號(hào)不超過(guò)比較器規(guī)定的共模范圍。

　　3.2 滯回電壓與失調(diào)電壓

　　由于比較器的輸入端常常疊加有很小的波動(dòng)電壓，這些波動(dòng)所產(chǎn)生的差模電壓會(huì)導(dǎo)致比較器輸出發(fā)生連續(xù)變化。為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾mV的滯回電壓。滯回電壓的存在使比較器的切換點(diǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)：一個(gè)用于檢測(cè)上升電壓，一個(gè)用于檢測(cè)下降電壓(圖1)。高電壓門限(VTRIP+)與低電壓門限(VTRIP-)之差等于滯回電壓(VHYST)，比較器的失調(diào)電壓(VOS)是VTRIP+和VTRIP-的平均值。失調(diào)電壓(即切換電壓)一般隨溫度、電源電壓的不同而變化。

　　圖1 開(kāi)關(guān)門限、滯回和失調(diào)電壓

　　3.3 輸出延遲

　　輸出延遲時(shí)間是選擇比較器的關(guān)鍵參數(shù)，包括信號(hào)通過(guò)元器件產(chǎn)生的傳輸延時(shí)和信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間。傳輸延遲是指由施加一個(gè)差分信號(hào)與切換狀態(tài)的輸出極之間的時(shí)間延遲。上升時(shí)間與下降時(shí)間一般是指輸出電壓的10%至90%的時(shí)間。對(duì)于高速比較器，如MAX961，其延遲時(shí)間的典型值達(dá)到4.5ns，上升時(shí)間為2.3ns。設(shè)計(jì)時(shí)需注意不同因素對(duì)延遲時(shí)間的影響，其中包括溫度、容性負(fù)載、輸入過(guò)壓驅(qū)動(dòng)等因素，電源電壓對(duì)傳輸延時(shí)也有較大影響。

4 常見(jiàn)的問(wèn)題與解決方法

　　在使用電壓比較器過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有時(shí)不輸出高電平，這很可能由于使用的比較器的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，這種情況下只需要加一個(gè)上拉電阻即可，通常選用上拉電阻3-15KΩ[3]。

　　比較器產(chǎn)生振蕩難以控制，可能的原因及解決方法如下：

　　(1)旁路電容器問(wèn)題。印制線路板上，電源線導(dǎo)電帶會(huì)產(chǎn)生不利的直流電阻和電感。當(dāng)輸出狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會(huì)引起電源電壓的波動(dòng)，通過(guò)地線和電源線反饋到輸入端。所以在安裝低漏電電容(0.1 μF陶瓷電容)時(shí)應(yīng)盡可能靠近比較器的電源引腳，以便在高速切換期間使電容器作為低阻抗能量?jī)?chǔ)存器。

　　(2)比較器的接地問(wèn)題。要使接地引線盡可能短,最好接到接地平面(避免使用插座),以減小通過(guò)引線電感的耦合作用。輸入端的信號(hào)源高阻抗和雜散電容也會(huì)產(chǎn)生振蕩。為得到最佳測(cè)試結(jié)果，使用最短接地引線(小于25 cm)以使引線電感量最小。

　　改變比較器的輸入電壓，當(dāng)它通過(guò)閾值電壓時(shí)，比較器輸出端似乎出現(xiàn)“震顫”，得不到一個(gè)平整的轉(zhuǎn)換波形。這通常是由于比較器的高增益和寬頻帶造成的，噪聲放大后和信號(hào)一樣通過(guò)轉(zhuǎn)變區(qū)，產(chǎn)生來(lái)回跳動(dòng)。而且比較器在轉(zhuǎn)變期間其增益比較高，由于反饋增加而引起振蕩。如果有可能，將信號(hào)進(jìn)行濾波以減小或消除噪聲。

　　有時(shí)會(huì)遇到比較器出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象，問(wèn)題可能在于輸入信號(hào)的共模范圍。比較器的兩個(gè)輸入端具有較大的差分電壓擺動(dòng)。如果兩端輸入電壓超過(guò)器件規(guī)定的共模范圍(甚至在規(guī)定的信號(hào)范圍以內(nèi))，比較器可能錯(cuò)誤響應(yīng)。為了使比較器正常工作，一定要保證兩端輸入信號(hào)不超過(guò)比較器規(guī)定的共模范圍。例如AD790差分輸入信號(hào)范圍為±VS，但其共模范圍為-VS至+VS/2。

　　5 電壓比較器的應(yīng)用

　　NS公司的LM339的兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。

　　5.1 單限比較器的應(yīng)用

　　單限比較器在檢測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。例如在某彈藥檢測(cè)系統(tǒng)中，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)整流和分壓后通過(guò)電壓比較器LM339，當(dāng)電壓大于設(shè)定值時(shí)，電壓比較器輸出高電平，觸發(fā)下一級(jí)的單穩(wěn)態(tài)芯片。用信號(hào)發(fā)生器提供正弦信號(hào)代替待比較信號(hào)，Multisim10.1仿真電路及結(jié)果如圖2所示。

　　圖2 單限比較器仿真電路及結(jié)果

　　5.2 過(guò)零比較器的應(yīng)用

　　在對(duì)彈丸測(cè)量速度時(shí)，線圈靶是一種常用的非接觸型區(qū)截裝置，彈丸通過(guò)時(shí)產(chǎn)生上升段與下降段的斜率不相等的類似正弦波信號(hào)[4]。通常采用過(guò)零比較器取信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)作為啟、止觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)小于比較電平時(shí)，輸出端為高電平，此時(shí)二極管D2截止，D1導(dǎo)通，+5V電壓經(jīng)過(guò)R1和R2分壓，在同相輸入端分得電壓V+=+1.5V，這是第一個(gè)比較電平。當(dāng)送來(lái)的信號(hào)達(dá)到此電平時(shí)，輸出端由高電平跳變到低電平，使D2導(dǎo)通，D1截止，同相端電平從+1.5V跳變到零伏，這個(gè)V+=0V 就是第二個(gè)比較電平，即送來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)半個(gè)周期回到零電平時(shí)，輸出又從低電平跳回到高電平，同相端電平又跳回到+1.5V。在送來(lái)的信號(hào)的正半周中，比較器輸出一個(gè)負(fù)方波，這個(gè)方波的后沿對(duì)應(yīng)著感應(yīng)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，這個(gè)方波的后沿就是啟、止觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)沿。Multisim10.1仿真電路及結(jié)果如圖3所示。

　　圖3 過(guò)零比較器仿真電路及結(jié)果

　　5.3 窗口比較器的應(yīng)用

　　在某彈藥檢測(cè)過(guò)程中，紅外探測(cè)器接收紅外信號(hào)變化，通過(guò)比較器提供啟動(dòng)、停止信號(hào)[5]。為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，減小干擾，選用窗口比較器。當(dāng)輸入信號(hào)絕對(duì)值大于1V時(shí)，輸出高電平，Multisim10.1仿真電路及結(jié)果如圖4所示。

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　　圖4 窗口比較器仿真電路及結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

　　電壓比較器既可以用來(lái)比較模擬電平，并給出比較結(jié)果(可以用數(shù)字量描述)，又可以作為模擬電路和數(shù)字電路之間的接口電路，在檢測(cè)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。