标签: 电压比较器

能参加到由面包板社区举办的《深入浅出 STC8 增强型 51 单片机进阶攻略 》书箱试读活动，感到非常荣幸。感谢主办方面包板社区，同时感谢作者龙顺宇先生给我了我们一种全新的阅读体验。 读书时接触的第一个单片机就是 STC （宏晶），当时知道有这种神奇的芯片可以按照设计者的想法去实现相应的功能感到非常的不可思议，通过后面的学习才知道这个神奇的芯片单片 机就像一台微型计算一样机集成了 随机存储器 RAM 、只读存储器 ROM 、多种 I/O 口和中断系统、定时器 / 计数器等功能，才能变得如此强大。 《深入浅出 STC8 增强型 51 单片机进阶攻略 》这本书也是基于这些基础单元由浅入深的讲解了 STC8 增强型系列单片机的功能。比较新颖的是作者龙顺宇老师，以各种非常形象生动故事开头，有提问，有举例 让读者有了极大兴趣，本书结构清晰，章节详细，是一本查阅或者复习单片机知识必得的一本工具书，也对新手非常友好。 1-8 章基础入门，包括集成电路相关，宏晶单片机发展史， STC8 单片机 IO 口配置，编程语言、工具、平台等知识。 9-22 高阶功能的使用，包括存储、时钟、中断、定时计数器设置、串口、 SPI 、 IIC 、模数转换、电压比较、复位、 EEPROM 等进阶功能讲解。 因为时间关系，刚好我最近有一个基于 STCH 单片机控制 3 路有刷直流电机的项目用电压比较器实现 3 路电机过流和堵转保护。所以我特定细细看了本书第 18 章，不看不知道一看吓一跳，这也太贴心了太详细了吧。不但教了你如何配置使用单片机内部比较器，连比较器原理，比较器种类都给你详细的讲清楚了，即使有些知识点忘了也不需要参考其他工具书，值得推荐给 STC 单片机初学者及工程师使用。 接下来我就分享一下自己是如何使用 STCH 一路比较器实现对 3 个电机电流监测从而实现电机的过流及堵转保护的，用一路 PWM 经 RC 滤波实现 DA 为 STC8H 单片机比较器反向端提供基准电压（该电压可通过 PWM 调整实现不同电流基准）， 3 个电机的电流检测信号经放大输入到 3 个模拟端口，然后比较器同向端可以轮流比较 3 个模拟端口的信号实现电机的过流或堵转监测。

电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。 电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较 器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。   下面分别介绍几个种类电压比较器作用。 一、零电平比较器 ( 过 零比较器 ) 电压比较器是将一个模拟输入信号 ui 与一个固定的参考电压 UR 进行比较和鉴别的电路。 参考电压为零的比较器称为零 电平比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器，如图 1(a) 、 (b) 所示                       图 1 过零比较器                     (a) 反相输入； (b) 同相输入 通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。 阈值电压 ( 又称门槛电平 ) 是使比较器输出电 压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号 UTH 表示。 估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件 是集成运放两个输入端的电位相等 ( 两个输入端的电流也视为零 ) ，即 U+=U– 。对于图 1(a) 电路， U–=Ui, U+=0, UTH=0 。 传输特性是比较器的输出电压 uo 与输入电压 ui 在平面直角坐标上的关系。 画传输特性的一 般步骤是：先求阈值，再根据电压比较器的具体电路，分析在输入电压由最低变到最高 ( 正向过程 ) 和输入电压由最高到最低 ( 负向过程 ) 两种情况下，输出电压的变化规律，然后画出传输特性。 二、任意电平比较器 ( 俘零比较器 ) 将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压 UR( 设 为直流电压 ) ，由于 UR 的大小和极性均可调整，电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。                   图 2 任意电平比较器及传输特性                   (a) 任意电平比较器； (b) 传输特性                       图 3 电平检测比较器信传输特性                       (a) 电平检测比较器； (b) 传输特性 电平电压比较器结构简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力差。也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，可能使输出状态产生误动作。为了提高电压比较器的抗干扰能力，下面介绍有两个不同阈值的滞回电压比较 器。 三、滞回电压比较器 滞回比较器又称施密特触发器 , 迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号 ui 逐渐增大或逐渐减小时，它 有两个阈值，且不相等，其传输特性具有 “ 滞回 ” 曲线的形状。 838 电子 滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。 UR 是某一固定电压，改变 UR 值能改变阈值及回差大小。 以图 4(a) 所示的反相滞回比较器为例，计算阈值并画出传输特性                         图 4 滞回比较器及其传输特性                           (a) 反相输入； (b) 同相输入 1 ，正向过程 正向过程的阈值为 形成电压传输特性的 abcd 段 2 ，负向过程 负向过程的阈值为 形成电压传输特性上 defa 段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。 利用求阈值的临界 条件和叠加原理方法，不难计算出图 4(b) 所示的同相滞回比较器的两个阈值 两个阈值的差值 ΔUTH=UTH1–UTH2 称为回差。 由上分析可知，改变 R2 值可改变回差大小，调 整 UR 可改变 UTH1 和 UTH2 ，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。        图 5 比较器的波形变换       (a) 输入波形； (b) 输出波形 例 如，滞回比较器的传输特性和输入电压的波形如图 6(a) 、 (b) 所示。根据传输特性和两个阈值 (UTH1 ＝ 2V, UTH2=–2V) ，可画出输出电压 uo 的波形，如图 6(c) 所示。从图 (c) 可见， ui 在 UTH1 与 UTH2 之间变化，不会引起 uo 的跳变。但回差也导 致了输出电压的滞后现象，使电平鉴别产生误差。           图 6 说明滞回比较器抗干扰能力强的图             (a) 已知传输特性； (b) 已知 ui 波形；             (c) 根据传输特性和 ui 波形画出的 uo 波形 四、窗口电 压比较器 电平比较器和滞回比较器有一个共同特点，即 ui 单方向变化 ( 正向过程或负向过程 ) 时， uo 只跳变一次。只能检测一个输入信号的电平，这种 比较器称为单限比较器。 双限比较器又称窗口比较器。它的特点是输入信号单方向变化 ( 例如 ui 从足够低单调升高到足够高 ) ，可使输出电压 uo 跳变两次，其传输特性 如图 7(b) 所示，它形似窗口，称为窗口比较器。窗口比较器提供了两个 阈值和两种输出稳定状态可用来判断 ui 是否在某两个电平之间。         图 7 窗口比较器电路及传输特性         (a) 窗口比较器； (b) 传输特性

如今，模拟电压比较器在测量与控制等电路中已经有着广泛的应用，其中被测的输入电压信号大都是经过传感器转变而来的现实模拟信号，而输出则只有两种可能：高电平或者低电平。 对于模拟电压比较器而言，首先必须得明确一个最核心的principle：   （注：Assume此运放为双电源供电，且值为+Uom和-Uom） a）当输入端V+V-时，输出电压Uomax接近于+Uom； b）当输入端V+ 为什么要说是“接近于”呢？原因在于：其实由于受到运放内部输出结构的限制，真正的“轨到轨”是不可能实现的。 Moreover，实际运用的运放并非开环增益是无穷大的，所以，运放工作状态从线性区进入非线性区必定是需要一定时间的，上图已体现出来了这一点。 模拟电压比较器常见的有三种类型，下面分别简要介绍。 1、单限比较器（Single limit comparator）： 运算放大器的开环增益值一般都是极大的，开环状态时只要两个输入端电压有微小的不同，即可导致运放的输出正向饱和或者负向饱和。所以，如上图所示，若ui 稍微偏离阈值电压，则输出便可迅速达到Uomax或者Uomin。这说明它对于外界电压信号是非常“敏感”的，以致于一个随机噪声的引入即可轻易使得比较器发生意料之外的误动作。 关于这个问题，一方面可以在参考电压的电势点处并联一个LPF，以降低噪声信号对比较器的干扰；另一方面，可以设计一个滞回电压比较器，利用它的滞回特性来有效解决。 2、滞回比较器（Hysteresis comparator）： 从我画的这个简图容易清晰地看出，Uo从Uomin跃变为Uomax和Uo从Uomax跃变为Uomin的阈值电压不像单限比较器那样是同一个，这里滞回电压比较器有两个阈值电压（即-UT和+UT）。 需要特别指出的是；由于滞回比较器电路中引入了一个正反馈，就如同触发器的原理那样，输出电压Uo的跃变速度比单限比较器要快得多，为此我特意把简图中的跃变斜率加大了，以体现出这个差别。从图中还可看出，当输入信号处于（-UT，+UT）区间时，输出电压是不会产生跃变的，也就是说，滞回比较器的抗干扰能力提高了，可以避免输入的检测电压有一些噪声电压时，使得输出发生误动作；however，它的灵敏度却不如单限比较器了。 3、窗口比较器（Window comparator）： 窗口比较器可以检测一个电压信号是否在一定的区间范围内，若超出了这个范围则可以引入相关的措施得以修正。 电压比较器常见的输出结构有两种：集电极开路（或漏极开路）和互补式输出结构。实际电路设计时，可以适当设置输出结构的参数值，以获得合适的UoH和UoL（关于这两种输出结构的介绍，可以参考： http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_5676.HTM ）。不建议在输出端简单地加上稳压管限幅电路，因为齐纳稳压管本身的噪声就比较大，不利于精度要求高的场合。 为了保护运放的输入端，并联两个反向的二极管的确是一个明智之举，however，不能忘记了限流，否则功率过大的话，会容易把二极管给烧了，最好是在输入电压电势点和二极管之间串联一个合适阻值的电阻。当然输出端也一样要注意这个问题，需时刻注意功率过大的所带来的后果。有些情况下还需要更加特别的对待输入端的设置，例如LM393，这个集成芯片的输入端负向电压波动只能限制在-0.3V以内，面对这个问题，可以用下面方法来处理： 本文小结：虽然模拟电压比较器相对而言不复杂，但是它确实有着非常重要的作用，并且还是很多电路的基本组成单元，如PWM电路、线性稳压器电路等。这些得需要依靠做项目、实践调试才行，只有这样才能更好的认识模拟电压比较器并加以运用。