典型窗口比较器电路图大全（六款典型窗口比较器电路设计

黄斌 · 发表于 2021-4-10 08:51:25

窗口比较器，又称为双限比较器，具有两个门限电平，可以检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电平之间。在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器是很有用的。

图为一典型的窗口比较器电路，电路由两个集成运放组成，输入电压ui分别接到运放Al的同相输入端和A2的反相输入端，参考电压UH和UL分别加在Al的反相输入端和A2的同相输入端。两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，成为窗口比较器的输出端。

典型窗口比较器电路图设计（一）

单限电压比较器和滞回电压比较器在输入电压ui单一方向变化时，输出电压uo只跃变一次。因此只能检测出ui与一个参考电压值的大小关系。如果要判断ui是否在两个给定的电压之间，就要采用窗口比较器。图1（a）是一种窗口比较器，外加参考电压URH》URL，R1、R2和稳压管DZ构成限幅电路。

图1 窗口比较器及其电压传输特性
当输入电压ui》URH时，uo1=+UOM，uo2=﹣UOM，因而二级管D1导通、D2截止，所以电路的输出电压uo=UZ。
当输入电压ui《URL时uo1=﹣UOM，uo2=+UOM，因而二级管D1截止、D2导通，所以电路的输出电压uo=UZ。
当输入电压URL《ui《URH时，uo1=﹣UOM，uo2=﹣UOM，因而二级管D1和D2都截止，所以电路的输出电压uo=0。
窗口比较器的电压传输特性如图1（b）所示。
通过以上3种电压比较器的分析，可得出以下结论。
①在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。
②一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。
③电压传输特性的3个要素是输出电压的高电平、低电平，阀值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高电平、低电平决定于限幅电路；阀值电压是使输出电压uo从高电平跃变为低电平或者从低电平跃变为高电平的某一输入电压；ui等于阀值电压时输出电压的跃变方向决定于同相输入端和反相输入端的相对大小关系。

典型窗口比较器电路图设计（二）

典型的窗口比较器电路
如图为典型的窗口比较器电路图。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

典型窗口比较器电路图设计（三）

图 “片”（窗口）比较器
本电路有两个基准比较端，整定值分别为+5V和-5V。由电路结构可知，只要+5V》IN》-5V，换言之，只在输入信号在+5V～-5C“该片范围”之内，电路就会维持原态（或称静态）的高电平输出状态。反之，IN信号要么高于+5V，要么低于－5V，只要出离了“该片范围”，N1（或N2）的输出端即会翻转，变成低电平状态。
该电路功能具有其实用意义，如对电机接地故障的检测，不必要区分是正半波或负半波接地，只要有接地故障产生，即产生报警动作；如用于工作电压监测，则可方便地限定一个“安全范围”，在此范围内设备可正常工作，显然在此处比较“一片范围”同相比一个点或段，更具合理性。
由此电路，更可看出专用（开路集电极输出）比较器的优点：
输入端（高阻输入）可以并联，即多组比较器可以共用一路信号；
输出端可以并联。因输出级独特的电路结构，可以直接并联输出（由R5限流作用不会导致N1、N2内部输出级电路的损坏）。这在需多路相关信号“集约化处理”和节省后级电路的I/O口上，有重要意义。

典型窗口比较器电路图设计（四）

如图为本人设计的一种窗口电压比较器电路，此图被用于一个报警设备中的端口电压值监控。当端口电压值超过一定范围时，电路输出高电平，图中电压阀值为1.5V和3V。可以通过改变电阻R152，R146，R174和R170进行设置。本图中LM339采用5V供电，而单片机虽说能够容忍5V电平但稳定和规范设计起见，图中加了一个电平转换的三极管Q28。LED灯用于状态指示。当端口电压在1.5V到3V的范围内时为正常状态，LED灯不亮，当端口电压超过1.5V到3V的范围时LED灯亮起。后期应用中发现，D38的TVS管保护电压偏低，更换为SMBJ6.5CA，问题解决。

典型窗口比较器电路图设计（五）

图4-28（b）是这种窗口电压比较器电路。它是由一个同相比较器和一个反相比较器组成的，参考电压分别加至两个比较器的反相端和同相端，分别称为上、下限基准电压。输入电压Ui同时加至两比较器的输入端，与上限参考电压UREF及下限参考电压UREF电压作比较。上、下限参考电压可看作“窗口”，所以叫窗口电压比较器。

窗口电压比较器是一种在控制电中路常用的电路，当控制参数（如温度、压力、水深）在正常范围时，其相对应的电压在窗口之内，若这些参数超过设定的范围，即超过上限UREF或下限UREF，则比较器发生翻转，输出控制信号，通过调节器的控制，使被控制参数回到规定范围。

典型窗口比较器电路图设计（六）

通常双限比较器必须设定上、下限，在上、下限范围内进行比较。本电路采用的是先设定中心值，通过比较距离中心值的幅度来完成比较，中心值的幅度可由外部电压自由选定，象集成电路三端调节输出电压检测器那样，先选定中心值为+5V，再选定以其正、负百分之几作为基准双限电压VW（5*X%）。

电路的工作原理

OP放大A1，A3为缓冲放大器，A2为反相器，当EI﹥V0时，A4相当于输出负电压的理想二极管电路。A5是过零比较器，用VR1调整其滞后电压，使其稳定工作。
图A中的实线代表OP放大器A4的输出，电路中因存在-C0造成电压漂移，若以EI-VO=0作为原点，只有当EI﹥-V0，二极管D1才导通，并输出负电压。图中虚线表示输入小于-V0时的输出，把该输出在比较器的输入端与A4输出叠加，从而得出绝对值输出，双限的幅度由比较器电压与VW的偏离值相乘来确定。在EI=0~-V0-VW区时，输出“H”电平，在-V0正负VW范围内输出“L”电平。比较器只进行过零检测，而图中虚线示出的点为视在零点，因而可以作为双限比较器用。

元件的选用

本电路采用了双OP放大器，也可以使用4重电路的TL084，电路中省去了失调调节电路，因此输入电压要大于1V，如输入电压比较低，应选用低偏听偏压OP放大器。
电阻R5~R11之间的比例关系很重要，但E系列标称电阻没有1，1/2，1/4的阻值，所以可以按电路图的阻值选配或用R=30K，R/2=15K，R/4=7.5K选配。

调整

比较器LM311其输入电压接近基准电压时容易产生振荡，使输出出现突跳，为了使比较稳定，须加滞后电压，正反馈量由R12的VR1组成的分压电路确定。