淺談越底安控時基電路設(shè)計

1、淺談越底安控時基電路設(shè)計根據(jù)經(jīng)典式5 5 5時基電路的結(jié)構(gòu)特點可知:用經(jīng)典式5 5 5時基電路設(shè)計 單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、無穩(wěn)態(tài)電路、定時電路以及各種電子開關(guān)電路等基本 典型應(yīng)用電路是較為方便易行的，1 一7但如果用經(jīng)典式5 5 5時基電路設(shè)計 如溫度控制可調(diào)節(jié)之類（超上下限位控制功能）電路時，外圍電路復(fù)雜難調(diào)，成木 較高，性價比不能滿足用戶要求。然而，我們依賴5 5 5 |寸基電路這個核心模塊 或平臺為時太久51 0!應(yīng)該自己創(chuàng)新設(shè)計一種兼容度更高、通用性更強、 用途更廣泛的功能模塊，作為新時期電子應(yīng)用設(shè)計領(lǐng)域所需的核心器件或基礎(chǔ)性 新平臺，作為5 5 5時基電路的升級換代產(chǎn)品。因此，越底

2、安控時基電路（或簡 稱：6 6 6時基電路）應(yīng)需而牛。1電路設(shè)計方案針對5 5 5時基電路的缺陷和應(yīng)用設(shè)計新需求，本文筆者特從自己己獲得的 兩件專利（專利號為200810048942 .1和20102021145 0. 2）中優(yōu)選一個實例，再進(jìn)一步優(yōu)化，創(chuàng)新設(shè)計了一種越底安控時基電路，虛 線框內(nèi)5個模擬集成電壓比較器b 15 （也可用集成運算放大器等效替換）和電阻r t c （或用正溫度系數(shù)熱敏電阻p t c替換）、電阻r 1r 1 3簡單構(gòu)成 所述的電壓比較器e 1作為底限比較器，電壓比較器e 2作為上限比較器，電 壓比較器b 3作為下限比較器，電壓比較器e 4、b 5作為電位觸發(fā)型互補式施

3、 密特觸發(fā)器。2電路原理功能2. 1越底安控吋基電路（6 6 6 寸基電路）工作原理電路上電后，當(dāng)信號輸入端（v i）電位低于下限vl電位而高于底限vd電 位，即vd<v i<vl,下限比較器b 3輸出高電平11（高阻態(tài)），而此時，底限 比較器b 1輸岀端b e r和上限比較器b 2輸岀端（vm）早已處于高電位h （高 阻態(tài)），讓電壓比較器b 4的反相（一）入端電位高于其正相（+ ）入端電位，使電 壓比較器b 4輸岀端（v z 0）輸岀低電位l ,隨之電阻r 4將冋差設(shè)置端（f k） 電位降為1 3v+左右，電壓比較器b 5輸出端（放電端d i s）相反輸出高電平 ii,電壓比較器

4、e 4輸出端vzo = l,可吸流導(dǎo)通驅(qū)動外圍小功率負(fù)載通電工 作刀當(dāng)信號輸入端（v i ）電位上升，v ivh,電壓比較器b 3輸出低電 平l,使vm點電位略低于保顯復(fù)位端口 b e r電位的1 2處，但仍然大于回差 設(shè)置端（f k）電位（約1 3 v+）,使電壓比較器b 4輸出端（v z 0）繼續(xù)保持在 低電位l狀態(tài)，可吸流導(dǎo)通驅(qū)動外圍小功率負(fù)載通電工作®當(dāng)信號輸入端v i電 位高于上限vii電位時，即vi >vii,電壓比較器b 2輸出低電平l （小于f k 約1 3 v +電位），直接觸發(fā)電壓比較器b 4、b 5工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，同和輸出端（v zo）輸出高電平h,可使外圍

5、驅(qū)動電路截止，停止工作。同時，同相輸出端v zo的高電平h也使冋差設(shè)置端（fk）電位躍升到（約2 3 v+）,還使電壓比較 器e 5輸出端（放電端d i s）輸出低電平l,可讓外電路電容放電。當(dāng)信號輸入端v i電位由高降低，低于上限vii電位時，即v ivii,電壓 比較器b 2輸岀端vm 乂恢復(fù)原有電位（1 2 v+左右處），但比電壓比較器b 4 的正相（+ ）輸入端fk電位（約2 3 v+）要低，使電壓比較器b 4輸出端（vz 0）繼續(xù)維持高電平h狀態(tài)，可使外圍驅(qū)動屯路保持截止，停止工作®當(dāng)信號輸 入端v i電位繼續(xù)下降，即v ivl時，電壓比較器e 3輸出高電平h,將電 壓比較

6、器b 4反相（一）輸入端vm點電位抬升到接近保顯/復(fù)位端口 ber電位 （因電壓比較器b 4輸入阻抗非常大，電阻r6上的壓降非常?。瑅m點電位大 于電壓比較器b 4正相（+ ）入端的回差設(shè)置端（fk）電位（2 3 v+）,觸發(fā)電壓 比較器b 4輸出端（v z 0）翻轉(zhuǎn)為低電平l狀態(tài)，由于電阻r 4的反饋作用將回 差設(shè)置端（fk）電位降為1 3 v + ,同相輸出端（vz0）輸出的低電平l,可吸 流導(dǎo)通驅(qū)動外圍小功率負(fù)載通電工作。當(dāng)信號輸入端v i發(fā)生故障時，使輸入電 位vi極低，即vivd,底限比較器bl輸出端b e r輸出低電位l,通過 串聯(lián)電阻r 6使電壓比較器b 4的反相（一）輸入端（

7、vm點）電位降低（因為電壓 比較器b4輸入阻抗極高，所以電阻r6上的壓降極小，vm點低電位接近于電 壓比較器b 1輸岀端b e r的低電位l）, vm點低電位觸發(fā)施密特電路b 4翻 轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)（同相輸出端vz0輸出高電平h）,可使外圍驅(qū)動電路截止，停止 工作，從而實現(xiàn)越底安控，防止失控，保證安全。同時，同相輸出端vz0的高 電平h也使回差設(shè)置端（f k）電位躍升到（約2 3 v+）,還使電壓比較器b 5輸 出端（放電端d i s）輸出低電平l,可讓外電路電容放電。同時，電壓比較器b 1輸岀的低電位l,可直接由保顯復(fù)位端口 b e r驅(qū)動外圍發(fā)光二極管l e d發(fā) 光顯示故障。2. 2越底安控

8、時基電路（6 6 6時基電路）基本功能的真值表3用于溫度控制3. 1應(yīng)用6 6 6時基電路作為核心模塊（i c）設(shè)計的溫度控制電路原理圖3. 2溫度控制電路工作原理在電路上電z初，電熱負(fù)載w r和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻n t c都處在低溫時, 由于熱敏電阻ntc阻值較大，使核心模塊（i c）的信號輸入端（v i）電位低于 下限電位vl而高于底限vd電位，即ivl,核心模塊（i c）的反相 放電端d i s輸出高電平h,由電阻r9、r 1 0推動三極管t 2導(dǎo)通，同時， 核心模塊（i c）的同相輸岀端vz0輸岀低電位l,可直接驅(qū)動小功率負(fù)載r 7, vz0 = l,經(jīng)電阻r 8拉動三極管t 1導(dǎo)通，

9、繼電器j線圈得電吸合，繼 電器j的常開觸點給大功率電熱負(fù)載wr通電加熱升溫，升溫后，熱敏電阻nt c阻值變少，信號輸入端v i電位上升，當(dāng)v ivl時，使核心模塊（i c）的 輸出端vz0繼續(xù)維持在低電位l狀態(tài)，反相放電端d i s繼續(xù)保持高電平h, 三極管tl、t 2同吋繼續(xù)導(dǎo)通，繼電器j繼續(xù)給電熱負(fù)載wr通電加熱升溫。 當(dāng)溫度上升使信號輸入端v i電位高于上限vh電位時，即vi>vh,核心模 塊（i c）的工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，其同相輸出端vz0輸出高電平ii,反相放電端d i s輸岀低電位l,使三極管tl、t 2同時截止，繼電器j釋放（反向電勢由d 消除），關(guān)斷電熱負(fù)載wr的交流電源，停止

10、加熱。待電熱負(fù)載wr溫度略降低后，v ivh,核心模塊（i c）繼續(xù)保持原有工 作狀態(tài)，其同相輸出端vz0繼續(xù)維持高電平h狀態(tài)，反相放電端d i s繼續(xù)保 持低電位l,電熱負(fù)載wr繼續(xù)停電降溫，熱敏電阻ntc阻值繼續(xù)增大，信號 輸入端v i電位繼續(xù)下降，當(dāng)v iv l時，核心模塊（i c）工作狀態(tài)被觸發(fā)翻 轉(zhuǎn)，其同相輸出端vz0由高電平h狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為低電平l狀態(tài)，反相放電端d i s由低電位l狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為高電平h狀態(tài)，使三極管t 1、t 2同吋導(dǎo)通，繼電器 j吸合，電熱負(fù)載wr又通電加熱，進(jìn)入下一個工作循環(huán)，使加熱的溫度穩(wěn)定在 一定的范圍內(nèi)。核心模塊（i c）的這種主控循環(huán)工作的正常狀態(tài)，隨時受到

11、其內(nèi) 部底限比較器的監(jiān)控。當(dāng)信號輸入端v i電路發(fā)生故障（如熱敏電阻ntc斷線、 或電阻r 1短路）時，輸入電位v i極低，即v i<vd,核心模塊（i c）內(nèi)部底 限比較器b 1輸岀低電位l,直接由其保顯/復(fù)位端口 ber驅(qū)動發(fā)光二極管l e d發(fā)光顯示故障（電阻r 6是限制發(fā)光電流的）®同時，核心模塊（i c）的同相 輸出端vzo輸岀高電平h,反相放電端d i s輸岀低電位l,使三極管t 1、 t 2同時截止，繼電器j釋放仮向電勢由d消除），關(guān)斷電熱負(fù)載wr的交流電 源，停止加熱，防止失控，保證安全。由核心模塊（i c）的同相輸出端vzo和反和放電端d i s分別控制三極管

12、 tl、t 2,再由兩只三極管串控繼電器j線圈，這種互補方式進(jìn)一步增強了電 路系統(tǒng)的防失控能力?？勺冸娮鑢 3,用于調(diào)節(jié)上限和下限電位及其冋差，因而 可以調(diào)節(jié)熱皺電阻n tc的控溫點的高低以及溫差的大小。電阻r 2是用于微調(diào) 熱敏電阻ntc的參數(shù)離散偏差。電阻r 1與熱敏電阻ntc串聯(lián)配匹，用于設(shè) 定電路控溫點的高低。電阻r 5是正反饋電阻，在核心模塊（i c）的保顯復(fù)位端 口 b e r輸出高電平時，可改善熱敏電阻n t c低溫高阻不良特性，在保顯復(fù)位 端口 b e r輸岀低電平l吋，能消除核心模塊（i c）在保護(hù)動作時的臨界振蕩現(xiàn) 彖。當(dāng)核心模塊（i c）的反相放電端d i s處于高電平h

13、狀態(tài)時，電阻r 1 0對 電容c 1進(jìn)行充電®反相放電端d i s輸出低電位l時對電容c 1直接放電，因 而，電容c1可防止繼電器j吸合或釋放動作時的抖動現(xiàn)象。4電路設(shè)計總結(jié)根據(jù)上述設(shè)計的越底安控吋基電路（或簡稱：6 6 6吋基電路）的結(jié)構(gòu)、原理、 功能及其在控溫電路屮的應(yīng)用實例可知，越底安控時基電路（或簡稱：6 6 6時基 電路）結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，用途廣泛，性能優(yōu)異，其具體技術(shù)優(yōu)勢在于：（1）在完全兼容經(jīng)典式5 5 5時基電路所有功能之外，還擴展了越底安控功 能，使應(yīng)用電路具有防失控能力，在溫度、壓力、水位、定時及安全防護(hù)等安全 控制領(lǐng)域中，具有重要的實用價值和社會效益。而5 5

14、 5電路完全沒有故障保護(hù) 控制功能，因而存在失控的缺陷。（2）由于上限設(shè)置端（vii）和下限設(shè)置端（vl）都對外開放，因此，即可作 為信號輸入端口，乂可從外部靈活設(shè)置或改變其內(nèi)部固定的上下限電位和回差， 方便應(yīng)用設(shè)計，更加擴展了應(yīng)用范圍。而5 5 5電路的下限內(nèi)置固定，不便外調(diào), 不利于調(diào)節(jié)冋差，作控溫應(yīng)用時外電路復(fù)雜。（3）只用1個端口（v i）輸入傳感信號，高低電位觸發(fā)都有效，因而，可靈 活適應(yīng)不同特性的傳感器，并使所接傳感電路簡化，應(yīng)用簡便。而5 5 5時基電 路設(shè)高、低電平輸入2個端口就不方便。（4）提高了電路復(fù)位性能，復(fù)位端口 （ b e r）在輸入電位小于1 3 v+就可 使電路復(fù)

15、位，與數(shù)字電路對接方便，還兼有故障保護(hù)顯示功能。而5 5 5電路的 復(fù)位電平在0. 4 v 1. 0 v之間，離散性大，與數(shù)字電路的低電平l電位相近, 區(qū)別不大，不利于對接又不能與輸入電位作比較更無保護(hù)顯示功能，因而作 用不大。（5）由于電路輸出級采用互補式施密特觸發(fā)器，不用輸入脈沖觸發(fā)，而是用 輸入電位觸發(fā)，因而抗脈沖干擾能力更強。而5 5 5電路是采用脈沖觸發(fā)的r s觸發(fā)器，抗干擾能力不強。（6）可使應(yīng)用設(shè)計成本低，性價比高。可見，越底安控時基電路（或簡稱：66 6時基電路）不僅彌補了 5 5 5時基電路的缺陷、保留了 5 5 5時基電路的優(yōu) 點，而且擴展了功能，增加了用途，簡化了結(jié)構(gòu)，降

16、低了成本，提高了性能，超 越了 5 5 5時基電路，是5 5 5時基電路的升級換代產(chǎn)品，通用性更強的越底安 控吋基電路（或簡稱：6 6 6吋基電路）替代經(jīng)典式5 5 5時基電路是技術(shù)向高標(biāo) 準(zhǔn)發(fā)展的必然趨勢。參考文獻(xiàn)：1 閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)m第5版.北京:高等教育出版社，2 0 0 6:4 8 9 - 4 9 4.2閻石數(shù)字電子技術(shù)基本教程m.北京:清華大學(xué)出版社，2 0 0 7:2 4 1 - 2 4 6 .3 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）m.第5版.北京:高等教育出版社， 2006:414-421 .4陳永甫.5 5 5集成電路應(yīng)用8 0 0例m北京：電子工業(yè)出版社，1 9 9 2:1 - 8, 2 0 8.5陳永甫新編5 5 5集成電路應(yīng)用8 0 0例m.北京：電子工業(yè)出版社，2 0 0 0:1 4 0, 1 4 4, 1 5 0, 1 5 7.6陳有卿.5 5 5時基電路原理與應(yīng)用m.北京:機械工業(yè)岀版社，2 0 0 6:1 - 9, 2 5 0 - 2 5 2.7陳有卿，葉桂娟.5 5 5時基電路原理、設(shè)計與應(yīng)用m 北京：電子工業(yè) 出版社，2 0 0 7:1 - 1 2, 2 1