窗口电压比较器电路原理图

错误的窗口电压比较器

窗口电压比较器是一种比较好玩儿有趣儿的电路。窗口电压比较器还有一个名字叫做双限比较器。电路结构中会有两个电压门槛值。可以检测某个电压是不是在这两个门槛值内。比如，上限门槛值是10V，下限门槛值为3V,则当被检测电压为大于3V小于10V的任意一个电压时，电路会有反应。其他的电压值则不会有反应。这种电路可以用来分辨一些特定信号，也可以判定电源类的电压是否在规定范围内。应用范围还是可以的。

有很多自学电路的朋友少不了会到网上寻找一些小的电路来学习或者是自制。但是网上真的是良莠不齐。就像我前几天看到的这么一个电路，也就是文章开头这个电路了。稍微分析了一下，发现电路上有比较大的缺陷，或者是直接就是错误的，是对新手们的不负责。所以以后我也会选择一些错误的电路来进行分析，(公众号：电路一点通)希望可以对大家有一定的帮助。

现在我们来单纯的分析下这个电路所能实现的功能，首先呢，交代一下电路中各个元器件的作用。LM324是集成四运放电路。在这个电路中有些浪费，不知道怎么回事，很多电路设计人员都喜欢用324的一半，另外一半闲着。R1、R2、R3组成一个两分压电路，为LM324提供了两个基准门槛值，图中提供的参数是上限3V，下限2V。R4是Q1三极管的基极限流电阻。Q1可以用9013的NPN三极管。D1是发光二极管，可代换元件是很多的。R5是发光管的限流电阻。

好了，元器件作用交代完毕，接下来就是根据电路结构来分析电路作用了。在这个电路中，我们假设当前被检测电压为0V，则A1运放正相输入端大于反相输入端，此时，A1运放会输出高电平。而A2运放也是正端大于负端，运放同样会输出高电平。两个运放输出的高电平都通过R4限流电阻送至Q1，这时，D1会亮起。也就是被测电压同时小于上下限时，LED是会亮起的。

当被测电压居于2V于3V之间，我们假设目前电压为2.5V。则A1运放的正端还是大于负端，则A1运放不改变输出状态，还是输出高电平状态。而A2运放，由于负端大于正端，则运放开始输出低电平。按照作者的原有意图，A2运放的低电平会与A1运放的高电平相抵消，使得LED熄灭。也就是说，当被测电压大于2V小于3V时，LED会熄灭。

当被测电压继续增高，超过上限3V的门槛值后，A1运放会输出低电平，A2运放也会输出低电平，反应到LED的状态上就是不亮。也就是说，电压大于上限3V后，LED是熄灭的。

根据以上的分析可以看到，整个电路根本无法做到窗口电压比较器的作用。而且，图中所用的元器件是通用双运放。这种通用双运放是双极性输出的。也就是器件本身是可以输出高电平的。下面附上一个LM324内部框图来稍微分析下。

LM324等效内部框图

可以看到，这种电路其输出端是一种半桥结构。可以通过驱动Q6导通来输出一个高电平，或者是驱动Q13导通来输出一个低电平。那么，此时再结合第一个电路图来分析下就会发现，如果A1运放输出高电平，A2运放输出低电平，则电源电压会直接通过Q6---Rcs---Q13到达GND。那么这样就会造成LM324出现短路的情况。所以，这个电路不仅结构是错误的，器件选用也是错误的。如果新手照着这个电路来学习和自制会对新手造成很大的伤害。新手会对自己的所学产生怀疑，也会打击新手自学的动力，这是非常不好的。

下面呢，我给出这种电路的正确的电路图并稍加分析。

第一个是采用LM339集成电压比较器设计的窗口电压比较器。

LM339窗口电压比较器

大家看到有什么不同吗？不同的地方在于两个运放的信号输入引脚是不同的。在第一个图中，两个运放的正端都是接的基准，负端都是接的被测信号，造成输出逻辑都是相同的。在这个图中，首先说明的一点是上限运放是下面这个，而下限运放则是上面那个。下限运放的正端接的被测信号，负端则是基准。而上限运放正端接基准，负端接被测信号。则电路会有这样的一个工作状态：当被测电压小于上下限门槛值，则下限运放也就是上面那个运放会输出低电平，而下面这个运放暂时是不工作的，虽然正端是大于负端的，至于为什么不工作接下来的LM339内部框图构造会告诉你。那么此时，因为有了上面运放的下拉，导致输出端是一个低电平。也就是说如果被测信号小于上下限则输出为低电平。

当被测电压大于下限小于上限，则下限运放会输出高电平，而上限运放还是处于一个不工作的状态。所以，此时的电路状态是被测信号居中会输出高电平。

当被测电压进一步增大，超过上限，则下面这个运放会输出低电平，那么此时电路会再次输出低电平。

综合来看，当被测电压低于上下限门槛值的时候，输出是低电平。当被测电压符合要求的时候，电路输出高电平。当被测电压高于上限门槛值得时候，输出再次变为低电平。完美有效的完成了双电压门限的检测。

那么为什么电路结构只是改变了一下信号输入端就会变成正确的呢？仅仅是这样吗？不是的。另外一个原因就是LM339的输出结构与通用运放是不同的。下面上框图：

LM339集成四电压比较器

可以看到，LM339是单极性输出，也就是只能输出一种电平信号。在这里是只能输出低电平信号。那么结合上面的LM339的窗口电路可以看到，电路是无法输出高电平的，所以即使正端大于负端，器件也是无法输出高电平，自然不会出现器件内部短路的情况了，所以这个电路是正确的，唯一的一点可惜就是画 的时候画反了，上下限运放正好调了个位置，导致新手分分析起来稍微困难些。

上面这个是利用LM339四电压比较器做的，也是有些浪费。下面上一个用通用运放做的窗口电压比较器，器件采用LM358、LM4558均可。还是动图哦，这个厉害了。

通用运放电路设计的窗口电压比较器

可以看到，电路中增加了两只隔离二极管，就是为了防止器件内部短路情况的发生。根据电路结构分析，A1是上限运放，A2是下限运放。方便我们的分析和学习。

当被测信号小于上下限的时候，A1应该输出低电平，但是因为二极管的隔离，使得A1相当于不存在。而A2则会输出高电平，也就是说被测信号低于上下限时电路输出高电平。

当被测信号居中时，A1还是处于不存在的状态。A2因为负端大于正端，导致A2也处于不存在的状态，那么电路的输出由电路中的R2决定，此时，电路会因为R2的下拉作用输出一个低电平。

当被测信号电压继续提高，则A1会输出高电平。A2会继续不存在。所以电路会输出一个高电平。

可以看到，这种结构的电路与上面那个结构的电路其输出信号的方式整好是相反的。一种是电压符合要求时输出高电平，一种是电压符合要求时输出低电平。这就是由内部的输出方式决定的。

可以看到，网上太多良莠不齐的东西会导致自学电子还是有一定难度的。所以，对于有些电路先根据工作流程走一遍，基本可以判定电路的正确与否。不要迷信所谓的电路设计，工作流程说的通，电路做出来可以用才是王道。

　　审核编辑：汤梓红