变频器维修-工控

    文章全为原创,多为维修笔记,旨在技术交流,互相提高。以变频维修及其它工控类文章为主,间或放进些诗歌散文,以起到阅读中的调适作用,也是原创。欢迎

转载,欢迎留言探讨有关工控的技术问题!欢迎赐教与指正!转载最好注明文章出处标以转载字样,以期规范转载行为。所有文章大家随便看,不搞什么须登陆,须回复才能打开的设置!这是我的公告。

                                                                                   旷野之雪

                                                                                   2008.5.16



电压比较器原理新解(之一)
旷野之雪 发表于:2016/12/2 18:57:33
标签(TAG):变频器故障检修

电压比较器原理新解(之一)

——听咸老师说电子电路系列之二

 

电压比较器,三端元件(两输入端,一输出端),输入为模拟信号,输出为数字信号。

一、基本电路和相关定义

1、电压(电平)比较器的身份定义

电压比较器是一种用来比较两个或两个以上模拟电平,并给出比较结果(可用数字量的1、0来表示)的功能部件。可作为模拟电路和数字电路之间接口的一种电路,即模拟-数字转换器。

   所有运算放大器,均处于负反馈的闭环状态之下。一旦处于开环,因其无穷大电压放大倍数之故,势必使其输出级处于“饱和”或“截止”的两个极端状态,而不再具备放大器的特征。但在某些应用场合,恰恰需要利用放大器开环时输出级所表现出的这种极端状态,如将两个或两个以上模拟量输入量进行比较,将两者(或两者以上)的大小分别用高电平(逻辑1)和低电平(逻辑0)表示,以完成将电平差转换为数字表的转换。其输入、输出已不存在线性关系。如果有一种器件,是专业从事输入电压比较而输出开关量信号的,该器件就叫做电压比较器。

因而该类器件既不归属于线性(模拟)电路类别,也不归属于数字电路类别。从输入看,尚具备线性电路特点;从输出看,已为典型的数字电路特点。其身份尴尬:非线性模拟电路(又是一个矛盾性定义,既为模拟,又何来非线性?)。

   比较器有模拟和数字电路的两重特性,是集成了二者之长吗?与二者相比,各有什么特点?它们能否相互替代呢?

图1-1 比较器和数字电路、运放电路

1)反相器

以数字电路中的TTL产品中的反相器为例。反相器是如何识别输入信号的高、低电平呢?肯定有一个潜在的比较基准。器件典型供电Vcc为+5V,当输入电压低于1.5V(30%Vcc以下,比较基准之一)时,为输入低电平信号,此时输出端为高电平状态;当输入电压高于3.5V(60%Vcc以上,比较基准之二)时,为高电平信号输入,此时输出端为代电平状态;当输入信号在低于3.5V高于1.5V的范围之内,会引起识别混乱或无法识别,从而不能确定输出状态(因此这一输入电压范围也被称为非法信号)。

初步看来,反相器具有电压回差范围极大的滞回比较器特性,但1.5V和3.5V两个动作阈值是不能变动的,且在中间有“一大片”不确定区域。更谈不上动作精度,仅是大致范围。

显然,数字电路仅适用于对高、低电平的识别,而无法对输入模拟信号进行比较。

2)运放电路

在要求比较精度不是很严格的场所,一般运放电路也能暂时“充任”比较器的角色。而做为理想比较器:

a)比较动作阈值是稳定的,如10mV;

b)在该阈值控制下,输出端有确定的高、低电平变化。这要求运放电路有极大的电压放大倍数,以使输出级进入切实的饱和(或截止)状态。

如果使用运用电路来替代,由于器件的离散性,很难达到此两点要求(运放电路更适应于闭环工作)。

3)比较器

根据精确比较要求,采取了特定的技术措施,来专业从事电压比较“事务”的器件,即比较器。其优点如下:

  • 有精确的比较动作阈值,10mV;
  • 可以任意设置比较基准点,夸张点儿说,在供电电压范围以内的任意一个点,都可以设置为比较基准点,如0V地电平、0.45V、6.8V等,这在数字电路是无法做到的(图1-1中采用RP整定基准比较电压,就是为了说明这一点)。
  • 输出端为确定的高、低电平状态,即输出级能实实在在的工作于饱和或截止状态(这是相关措施所保障的)。专用开路集电极输入型比较器,可以多路输出端并联输出,这是运放电路所根本无法做到的。

2、提出创意原理符号和简要定义

电压比较器内部含输入级、中间放大器和输出级电路,我们需要掌握的是输入端和输出端之间的关系,由此分析电路原理和找到故障检测方法。如前述,运算放大器开环应用时,即为(不太精确的)电压比较器。但放大器的比较特性并不理想,专业的设计和专业的性能需要由专业器件来保障,在应用到电压比较器的场所,大多还是采用专用的电压比较器。其中,集电极开路输出级(又称OC门输出级)型专用电压比较器的应用尤为广泛,在变频器电路中,通常用到的仅为14脚(四比较器)和8脚(双比较器)两种器件,其代表器件型号为LM339、LM393,引脚功能见图1-2。本文专就这两种器件进行讲解。

图1-2 电压比较器原理框图与引脚功能

8脚(双比较器)的引脚排列同8脚运放器件是相同的。14脚略有不同,输出端集中在1、2、13、14脚,供电端为3、12脚。剩余脚为输入脚,奇数脚为同相输入端,偶然脚为反相输入端。其引脚功能是不难记忆的。

电压比较器的供电脚特意标注为V+/Vcc、V-/GND,说明其电源供给是较为灵活的,可以单电源供电,如+5V或+12V、+15V等,也可以双电源供电,如±15V、±12V等。

3、电压比较器的电路构成

(1)电压比较器符号及基本电路

同运放原理的讲解一样,将输出级电路搬到经典电压比较器符号的外部(创意原理符号),再进而确定两输入端和输出端(或输出级)的对应关系,则其工作原理就呼之欲出了。

图1-3 常规电压比较器符号、创意原理符号与应用电路

从常规符号(图1-3中a图)看,电压比较器也为三端元件,即两输入端,一输出端。其输入、输出的关系为:

当IN+> IN-时,OUT端为高电平“1”;

当IN- < IN+时,OUT端为低电平“0”。

这也是做为电压比较器原理及故障判断的一个根本原则。

从创间原理符号(图1-3中b图)看,当IN-> IN+时,内部输出级晶体管Q导通,输出端相当于与供电负端短接,因而输出低电平“0”,此低电平可能为0V,也可能是-15V(和供电负端电平相关)。

因电路为开路集电极输出形式,故输出端需加上位电阻R,以形成高电平“1”输出。

从应用电路(图1-3中c图)看,当当IN+> IN-时,内部Q截止,OUT端变为高电平。此时输出端高电平的幅度完全取决于上拉Vcc的电平幅度。如Vcc为+5V,电路输出高电平则为+5V;如Vcc为+15V,电路输出高电平则为+15V。

此处输出端上接电源Vcc,既可以是电压比较器的供电电源,也可以是(共地的)另外的电压级别。做为模-数转换(接口)电路,为适应数字(或MCU器件)的供电电源要求,电压比较器输出端多经上拉电阻R接+5V电源(DSP器件,上接电阻则接入+3.3V电源正端)。

(2)输出端电路形式

当比较器供电为±15V双电源(比如直接采用运放器件的电源供电),或输出端上拉电源为+15V,而输出端又要与后级(+5V供电数字电路系统)电路相连接时,那么输出级外围电路就要妥善完成前后级电路电平衔接的任务了。

电压比较器的后级电路为MCU芯片时,MCU对输入信号有3项要求:

  1. 输入信号幅度不大于+5V;
  2. 因MCU为单电源供电,不要负的输入信号;
  3. 只要电压信号,不要电流信号。

图1-4 电压比较器输出端电路形式

   图1-4中a电路,比较器供电为+15V,输出端上拉电阻R接+5V,实现了前后级电平的自然对接,无须采用输出电平钳位等相关措施。

   图1-4中b电路,比较器供电为+15V,输出端上拉电阻R也接+15V,电路的高电平输出幅度超出后级电路的承受能力,此处加单向钳位二极管D1以限制最高输入电平(将输出高电平钳位在+5V电源电平附近),或由分压电路将输出电平进行衰减。由电压接法可知,当当IN+> IN-时,输出端变为高电平,由D1的嵌位作用,使输出端电压为+5V+D1的导通管压降(一般约为0.6V左右)≈+5.6V。

图1-4中c电路,比较器供电为±15V双电源,输出端上拉电阻R接+15V。电压输出端的高电平为+15V,而低电平为-15V,二者都不符合后级电路的输入电平要求。一般采用添加R2限流电阻和双向错位二极管D1、D2的方法,进行输出端电压钳位。将电压比较器输出的±15V高、低电平嵌位成-0.6V~+5.6V左右的电压信号(换言之,即将输出信号嵌位于0和+5V的供电电源电压范围以内)。

(3)输入端基准电压的来源

针对最基本的电压比较器——单级比较器来说,IN+和IN-两个输入端,必定要有其一做为比较基准端,另一端则做为信号电压输入端。基准电压通常由以下几种方式生成(以下图例将电压比较器恢复为常规符号):

1)直接由+5V电源(或±15V)电源经电阻分压取得;

2)由专用基准电压源或三端稳压器取得;

3)由运算放大器生成。

图1-5 电压比较器基准电压的来源

如上图1-5所示,基准(比较)电压可由供电电源经电阻分压取得;亦可由基准电压源或三端稳压器取得更为精准的基准电压;图1-5中的c电路,是由运放N1取得-2.5V基准电压后,送入电压比较器N2的反相输入端做为比较基准的。

由图1-5可看出:

  1. 输入信号即可进入反相输入端,也可进入同相输入端。
  2. 比较器供电可以单电源,可以双电源。单(正)电源供电时,不能输入负的信号电压;
  3. 因其供电形式不同,除决定输入信号的极性外,其输出级外围电路也有相应差异;
  4. 输入的另一端即可做为基准比较端(电压比较器必须有基准比较端),通常此端电压不为0V,为一固定不变之电压。输入信号端与基准端电压相等的概率近乎为0,因而两输入端大部分时间内是有电压差的,随输入信号电压的变化,该电压差也是变化的。

中华工控网 http://www.gkong.com/ 原创文章,转载请注明出处。

咸庆信

2016年12月2日


阅读(1031) 评论()



回复:电压比较器原理新解(之一)
(匿名游客) 发表于:2017/1/20 17:43:15

老师为何不开通微信公众.. ..号


引用 | 举报回复




 
  日历 


  登录 


  我的分类  


  最新日志 


  最新评论  
 

  Blog统计 
 

博客名称:变频器维修-工控 日志总数:388 评论数量:2068 访问次数:1907895 建立时间::2008年05月15日

  友情链接 


  给我留言


  搜索 

      XML RSS 2.0
 

中华工控网 | 联系我们 | 工控论坛首页 | 工控博客首页 | 博客注册 | 博客登陆

工控博客管理联系邮箱:工控博客服务邮箱

中华工控网 © Copyright 2013. All rights reserved.