刘加松，宋玉宏，周捷信

（顺德职业技术学院，广东 佛山 528300）

0 引 言

电路系统或电路模块的输入状态正常与否，影响整个系统的工作状态，一般需要进行输入状态的检测。如果是多级，还需要进行逻辑判断[1-3]。当电压作为系统的输入时，具有欠压、过压及正常三种状态。及时判断输入电压的状态，有利于提高电路系统的工作性能和寿命。

检测多级输入电压的状态进行逻辑判断一般有两种方法，即硬件电路法和单片机软件编程法。采用硬件电路法时，一般通过比较器对电压信号进行比较检测得到逻辑电位，而后将检测得到的逻辑电位信号直接传递给逻辑复合电路进行逻辑判断，得出一个实际控制信号供给电位保护电路。纯硬件电路常用于单个输入电压状态检测[4]。采用单片机软件编程法时，必须先通过模数转换模块采样检测电压信号，而后通过单片机软件编程进行逻辑判断，以方便地进行多级输入信号判断[5]。

单片机软件编程法相对于硬件电路法在性能上的受制约因素更多[6]。硬件电路法相比于单片机软件编程法，对电压信号的直接逻辑判断响应更及时、更灵敏，且电位测量范围广、误差范围小，整体电路的实现成本低。在相同性能情况下，单片机软件编程法的响应不如硬件电路法及时，且不易于集成化，整体电路的实现成本相对较高。

本文进行硬件的输入状态检测与逻辑判断电路设计，根据多限窗口比较器进行改进，使其成为改进型窗口比较器，并按提出的改进方案进行仿真，最终将设计方案用于一款双电压等级（双级）输入的逆变器进行验证。

1 多限窗口比较器电路

单电压等级（单级）输入状态的检测和判断可以通过电压窗口比较器实现[7]。图1是一个标准电压窗口比较器电路（也称双限比较器）[4,8]，其中U_high表示窗口比较器高阈值电压，U_low表示窗口比较器低阈值电压，U_in表示窗口比较器被比较电压，U_out表示窗口比较器比较输出电压，且U_high＞U_low。

图1 电压窗口比较器电路

该电路由两个电压比较器（A1、A2）组合而成，每个比较器的输入端都接有阈值电压和被比较电压。两个电压比较器通过比较两个电位的高低，分别得到两路比较输出电压。两路比较输出电压通过两个二极管（D1、D2）构成的“或门”逻辑电路，复合成一路逻辑输出电压。逻辑输出电压又通过分压器（R1、R2）和稳压二极管DZ进行降压稳压，最终得到U_out。该电路的输出特性如图2所示。

图4 逻辑复合电路

图2 电压窗口比较器输出特性图

从原理上看，将U_in＜U_low情况称为欠压电位逻辑，将U_in＞U_high情况称为过压电位逻辑。根据该电路的输出特性，图1的电路可以看成是单路欠压逻辑信号与单路过压逻辑信号的“加法”（逻辑或）复合而成，即该电路实现了单级输入欠压与过压状态检测与逻辑计算。

基于上述的电压窗口比较器电路，若被比较电压具有两个等级——两种欠压与过压状态，即四种状态时，可以借鉴窗口比较器的工作原理设计出多限比较器电路，如图3所示。

图3 多限比较器电路

它的主要原理是将两个窗口比较器先从被比较输入端进行复合，即四个电压比较器共用同一个被比较电压U_in。同时，每个电压比较器都有属于自己的比较阈值电位，即U_high_1、U_low_1、U_high_2、U_low_2，且U_high_2＞U_low_2＞U_high_1＞U_low_1。而后将得到的比较输出电压即U_out_1、U_out_2、U_out_3、U_out_4，通过逻辑电路进行电压的逻辑复合，即可得到多限比较输出电压。它的逻辑复合电路如图4所示。

在图4电路中，四路逻辑输入信号U_out_1、U_out_2、U_out_3、U_out_4分为两组，U_out_1与U_out_2为一组、U_out_3与U_out_4为一组。每组信号输入一个二或逻辑门（U1、U2），两组信号通过或运算后得到两组运算输出信号，而后将得到的两路运算输出信号送入与逻辑门（U3），最终得到复合输出信号U_out（假设U_out高电平为U_max，低电平为0）。

若假设U_out_1为A，U_out_2为B，U_out_3为C，U_out_4为D，U_out为Y，可知该逻辑复合电路的一般表达式为：

基于此，将图3与图4电路相结合，可以得到多限比较器电路的输出特性，如图5所示。

图5 多限比较器电路输出特性图

2 改进型窗口比较器电路

图3的电路中涉及四个不同的阈值点电位。通常，每个阈值点电位值的设定由一个基准电位电路产生。同时，每个基准电位电路的相关设定值受电子元件相关参数的制约，可能在实际设计中得不到一个最理想的阈值点电位值，使得本电路在实际应用中受到制约。因此，针对以上实际问题，结合多限电压比较器的特点，对窗口比较器电路进行改进，减少阈值点个数。在双级入情况下，仅需设置两个不同的阈值点U_set_1和U_set_2。

当系统输入U_in为两种电压等级U_in_1、U_in_2时，保证系统正常工作的输入上限与下限值一般是明确的，即U_low_1、U_high_1、U_low_2和U_high_2已知，且有U_high_2＞U_low_2＞U_high_1＞U_low_1。阈值点U_set_1和U_set_2根据方程式（2）确定：

上述方程有4个未知量，可以求解出U_set_1、

U_set_2以 及K1、K2。U_set_1、U_set_2满 足U_set_1＜U_set_2。根据图5的输出特性，令：

可设计出双级复合型窗口比较器电路，如图6所示。

图6 双级复合型窗口比较器电路

可见，该电路将图3多限比较器电路所需的四个电压阈值点电位个数减少为两个（U_set_1、U_set_2）。同时，将输入被比较电压U_in通过两路不同的分压支路（R1与R2、R3与R4）进行分压，然后将得到的两路分压后的电压分别送入比较器的同相端和反相端与阈值电位比较。随后，将得到比较输出电压，即U_out_1、U_out_2、U_out_3、U_out_4。通过逻辑电路进行电压的逻辑复合，即可得到一路多限比较输出电压。在这里，按照方程求解的K1、K2控制好电阻分压支路的分压比，再结合图4逻辑复合电路，即可实现如图5所示的输出特性。

可见，两路电压输入下限值U_low_1、U_low_2和上限值U_high_1、U_high_2成为对应输入下的等效欠压状态和过压状态下的阈值点电位。输入电压通过分压电路取值后，与U_set_1、U_set_2比较，等效于输入电压直接与U_low_1、U_high_1、U_low_2和U_high_2比较。此种方法把欠压与过压区转化成两路，在电路中只要使用两个比较阈值点电位即可构成所需的电位鉴别。这正是该电路的创新之处，相比常规多限比较器电路在阈值点电位上所需个数少。

拓展上述原理，设计出多级复合型窗口比较器电路，如图7所示。其中，U_set_1、U_set_2、…、U_set_n是电路所设定的阈值电位点，n级输入电路则设置n个阈值电位点。

在此，由电位上限与下限值的性质可知，在n级输入中，每一级电位的上限与下限值满足：U_high_n＞U_low_n＞U_high_（n-1） ＞U_low_（n-1） ＞…＞U_high_1＞U_low_1。同时，多级复合型窗口比较器电路的各个阈值点电位应满足U_set_n＞U_set_（n-1）＞…＞U_set_1。

所以，各阈值点U_set_1、U_set_2、…、U_set_n的值可由式（5）确定：

图7 多级复合型窗口比较器电路

图7多级复合型窗口比较器电路的各个阈值点电位值的计算，与双级复合型窗口比较器的阈值点计算推导类似，不再赘述。

3 实际应用设计

把多级复合型窗口比较器电路方案应用于12 V和24 V两种不同输入电压级别的电子电路，得到如图8所示的输入双电压级别逻辑保护电路。

如图8所示，将输入电压（V-BAT）的欠压和过压采样分为两条独立的分压式支路。欠压采样分压式支路由图8中的R1和R2组成，过压采样分压式支路由图8中的R3和R4组成。在12 V输入等级下，欠压及过压值分别为10.5 V和15 V；在24 V输入等级下，欠压及过压值分别为21 V和30 V。

通过式（2）计算，四个电阻R1、R2、R3、R4可分别取值（计算值应达到或接近标准电阻阻值表内的值）为24kΩ、11kΩ、39kΩ、11kΩ。

两路分压式采样信号分别送入LM339芯片的四个比较器单元A、B、C、D。两个稳压二极管（齐纳二极管，BZV55-B3V3）串联组成四个比较器的共用比较基准电压，其中每个稳压二极管都并联了一个容量为10 nF的瓷介电容作为高频旁路电容，滤除比较基准电压来自电路内外的干扰信号。因为LM339比较器属于“开漏”输出型，所以在每个比较器单元的输出端加了一个阻值为2kΩ的“上拉”电阻，以确保能输出正确的状态[8]。

四个比较器的输出接到后续的逻辑门电路。因为该CMOS逻辑芯片的工作特性，它工作在5 V模式下，所以在每个比较器的输出端再加一级分压电路，使输入电压达到该CMOS逻辑芯片的输入标准。按图8电路连接，当各个比较器输出为高电平时，表示输入电压在欠压或过压状态；当各个比较器输出低电平时，表示输入电压在合理的工作范围内。

可见，比较器单元A、B的输出端OA和OB输出高电平时，分别对应于12 V蓄电池输入时的过压与欠压保护输出；而比较器单元C、D的输出端OC和OD输出高电平时，分别对应于24 V蓄电池输入时的过压与欠压保护输出。根据这个电路逻辑，画出电位逻辑保护电路输出电位的工作示意图，如图9所示。

图9 电位逻辑保护电路的输出工作示意图

为了使得逻辑电路的设计更加具体化，使用逻辑运算“卡诺图”分析法。令OA、OB、OC、OD分别为最高位逻辑、次高位逻辑、次低位逻辑、最低低位逻辑，令“工作状态”（即电路中的“Control-OUT”）为输出Y，且使“0 V（低电平）”和“工作”为逻辑电路中的“0”；“5 V（高电平）”和“不工作”为逻辑电路中的“1”。逻辑分析中，无关项用“×”表示。使用逻辑运算“卡诺图”分析法，可得到电路组合逻辑的最简式为Y=OA·OD+OB+OC，逻辑分析过程如图10所示[9]。依逻辑运算式“Y=OA·OD+OB+OC”，设计逻辑运算电路，即图8右侧部分的逻辑电路模块。

4 仿真和实验结果

为了验证电路的可行性，使用Multisim软件进行仿真。使用软件中的电压信号源模拟蓄电池输入情况，将其输出调整为波形为等腰三角波、频率25 MHz、振幅20 V、偏置20 V，即信号为一个在电压零轴上方的等腰三角波信号，峰值达到40 V。这样的设置完全可以模拟12 V和24 V蓄电池的过压、欠压及正常的工作情况。

示波器的设置：横轴档位设置为2 s/div；蓄电池输入电压作为A通道输入，其电压轴档位设置为20 V/div；逻辑输出电压作为B通道输入，其电压档位设置为5 V/div，作为调试观察窗口。

仿真结果如图11所示。示波器窗口中的斜线波形（空心三角线“△”）表示A通道输入电压信号（蓄电池输入电压）；示波器窗口中的折线波形（实心三角线“▲”）表示B通道输入电压信号（逻辑输出电压）。可见，在仿真中体现出来的电路逻辑与理论上的电路逻辑基本一样，达到了所谓的电位逻辑判断功能。

图10 逻辑分析过程示意图

图8的方案应用到一款5kW逆变器的升压电路中，该逆变电源系统的输入为12 V或24 V直流电压，输出220 V/50 Hz的正弦交流电，运行正常。电路板实物如图12所示。

图11 电位逻辑保护电路的仿真示意图

5 结 论

基于最简单的门限电压窗口比较器电路，在双级窗口电压比较器的基础上，设计了双级和多级的复合型窗口电压比较器，并应用到12 V和24 V两级电压输入的状态检测与逻辑判断电路上，通过仿真和实验验证了双级和多级复合型电压窗口比较器的合理性和实用性。本设计方案针对多级供电电路系统的输入电压状态的检测与逻辑判断，是纯硬件设计方案，响应快，可靠性高，在长期运行期间不存在软件程序运行中的“死机”问题，可为实际的相关工程应用提供借鉴。

图12 逆变器升压电路板实物