浅谈越底安控时基电路设计

1、浅谈越底安控时基电路设计根据经典式5 5 5时基电路的结构特点可知:用经典式5 5 5时基电路设计 单稳态电路、双稳态电路、无稳态电路、定时电路以及各种电子开关电路等基本 典型应用电路是较为方便易行的，1 一7但如果用经典式5 5 5时基电路设计 如温度控制可调节之类（超上下限位控制功能）电路时，外围电路复杂难调，成木 较高，性价比不能满足用户要求。然而，我们依赖5 5 5 |寸基电路这个核心模块 或平台为时太久51 0!应该自己创新设计一种兼容度更高、通用性更强、 用途更广泛的功能模块，作为新时期电子应用设计领域所需的核心器件或基础性 新平台，作为5 5 5时基电路的升级换代产品。因此，越底

2、安控时基电路（或简 称：6 6 6时基电路）应需而牛。1电路设计方案针对5 5 5时基电路的缺陷和应用设计新需求，本文笔者特从自己己获得的 两件专利（专利号为200810048942 .1和20102021145 0. 2）中优选一个实例，再进一步优化，创新设计了一种越底安控时基电路，虚 线框内5个模拟集成电压比较器b 15 （也可用集成运算放大器等效替换）和电阻r t c （或用正温度系数热敏电阻p t c替换）、电阻r 1r 1 3简单构成 所述的电压比较器e 1作为底限比较器，电压比较器e 2作为上限比较器，电 压比较器b 3作为下限比较器，电压比较器e 4、b 5作为电位触发型互补式施

3、 密特触发器。2电路原理功能2. 1越底安控吋基电路（6 6 6 寸基电路）工作原理电路上电后，当信号输入端（v i）电位低于下限vl电位而高于底限vd电 位，即vd<v i<vl,下限比较器b 3输出高电平11（高阻态），而此时，底限 比较器b 1输岀端b e r和上限比较器b 2输岀端（vm）早已处于高电位h （高 阻态），让电压比较器b 4的反相（一）入端电位高于其正相（+ ）入端电位，使电 压比较器b 4输岀端（v z 0）输岀低电位l ,随之电阻r 4将冋差设置端（f k） 电位降为1 3v+左右，电压比较器b 5输出端（放电端d i s）相反输出高电平 ii,电压比较器

4、e 4输出端vzo = l,可吸流导通驱动外围小功率负载通电工 作刀当信号输入端（v i ）电位上升，v ivh,电压比较器b 3输出低电 平l,使vm点电位略低于保显复位端口 b e r电位的1 2处，但仍然大于回差 设置端（f k）电位（约1 3 v+）,使电压比较器b 4输出端（v z 0）继续保持在 低电位l状态，可吸流导通驱动外围小功率负载通电工作®当信号输入端v i电 位高于上限vii电位时，即vi >vii,电压比较器b 2输出低电平l （小于f k 约1 3 v +电位），直接触发电压比较器b 4、b 5工作状态翻转，同和输出端（v zo）输出高电平h,可使外围

5、驱动电路截止，停止工作。同时，同相输出端v zo的高电平h也使冋差设置端（fk）电位跃升到（约2 3 v+）,还使电压比较 器e 5输出端（放电端d i s）输出低电平l,可让外电路电容放电。当信号输入端v i电位由高降低，低于上限vii电位时，即v ivii,电压 比较器b 2输岀端vm 乂恢复原有电位（1 2 v+左右处），但比电压比较器b 4 的正相（+ ）输入端fk电位（约2 3 v+）要低，使电压比较器b 4输出端（vz 0）继续维持高电平h状态，可使外围驱动屯路保持截止，停止工作®当信号输 入端v i电位继续下降，即v ivl时，电压比较器e 3输出高电平h,将电 压比较

6、器b 4反相（一）输入端vm点电位抬升到接近保显/复位端口 ber电位 （因电压比较器b 4输入阻抗非常大，电阻r6上的压降非常小），vm点电位大 于电压比较器b 4正相（+ ）入端的回差设置端（fk）电位（2 3 v+）,触发电压 比较器b 4输出端（v z 0）翻转为低电平l状态，由于电阻r 4的反馈作用将回 差设置端（fk）电位降为1 3 v + ,同相输出端（vz0）输出的低电平l,可吸 流导通驱动外围小功率负载通电工作。当信号输入端v i发生故障时，使输入电 位vi极低，即vivd,底限比较器bl输出端b e r输出低电位l,通过 串联电阻r 6使电压比较器b 4的反相（一）输入端（

7、vm点）电位降低（因为电压 比较器b4输入阻抗极高，所以电阻r6上的压降极小，vm点低电位接近于电 压比较器b 1输岀端b e r的低电位l）, vm点低电位触发施密特电路b 4翻 转为复位状态（同相输出端vz0输出高电平h）,可使外围驱动电路截止，停止 工作，从而实现越底安控，防止失控，保证安全。同时，同相输出端vz0的高 电平h也使回差设置端（f k）电位跃升到（约2 3 v+）,还使电压比较器b 5输 出端（放电端d i s）输出低电平l,可让外电路电容放电。同时，电压比较器b 1输岀的低电位l,可直接由保显复位端口 b e r驱动外围发光二极管l e d发 光显示故障。2. 2越底安控

8、时基电路（6 6 6时基电路）基本功能的真值表3用于温度控制3. 1应用6 6 6时基电路作为核心模块（i c）设计的温度控制电路原理图3. 2温度控制电路工作原理在电路上电z初，电热负载w r和负温度系数热敏电阻n t c都处在低温时, 由于热敏电阻ntc阻值较大，使核心模块（i c）的信号输入端（v i）电位低于 下限电位vl而高于底限vd电位，即ivl,核心模块（i c）的反相 放电端d i s输出高电平h,由电阻r9、r 1 0推动三极管t 2导通，同时， 核心模块（i c）的同相输岀端vz0输岀低电位l,可直接驱动小功率负载r 7, vz0 = l,经电阻r 8拉动三极管t 1导通，

9、继电器j线圈得电吸合，继 电器j的常开触点给大功率电热负载wr通电加热升温，升温后，热敏电阻nt c阻值变少，信号输入端v i电位上升，当v ivl时，使核心模块（i c）的 输出端vz0继续维持在低电位l状态，反相放电端d i s继续保持高电平h, 三极管tl、t 2同吋继续导通，继电器j继续给电热负载wr通电加热升温。 当温度上升使信号输入端v i电位高于上限vh电位时，即vi>vh,核心模 块（i c）的工作状态翻转，其同相输出端vz0输出高电平ii,反相放电端d i s输岀低电位l,使三极管tl、t 2同时截止，继电器j释放（反向电势由d 消除），关断电热负载wr的交流电源，停止

10、加热。待电热负载wr温度略降低后，v ivh,核心模块（i c）继续保持原有工 作状态，其同相输出端vz0继续维持高电平h状态，反相放电端d i s继续保 持低电位l,电热负载wr继续停电降温，热敏电阻ntc阻值继续增大，信号 输入端v i电位继续下降，当v iv l时，核心模块（i c）工作状态被触发翻 转，其同相输出端vz0由高电平h状态翻转为低电平l状态，反相放电端d i s由低电位l状态翻转为高电平h状态，使三极管t 1、t 2同吋导通，继电器 j吸合，电热负载wr又通电加热，进入下一个工作循环，使加热的温度稳定在 一定的范围内。核心模块（i c）的这种主控循环工作的正常状态，随时受到

11、其内 部底限比较器的监控。当信号输入端v i电路发生故障（如热敏电阻ntc断线、 或电阻r 1短路）时，输入电位v i极低，即v i<vd,核心模块（i c）内部底 限比较器b 1输岀低电位l,直接由其保显/复位端口 ber驱动发光二极管l e d发光显示故障（电阻r 6是限制发光电流的）®同时，核心模块（i c）的同相 输出端vzo输岀高电平h,反相放电端d i s输岀低电位l,使三极管t 1、 t 2同时截止，继电器j释放仮向电势由d消除），关断电热负载wr的交流电 源，停止加热，防止失控，保证安全。由核心模块（i c）的同相输出端vzo和反和放电端d i s分别控制三极管

12、 tl、t 2,再由两只三极管串控继电器j线圈，这种互补方式进一步增强了电 路系统的防失控能力。可变电阻r 3,用于调节上限和下限电位及其冋差，因而 可以调节热皱电阻n tc的控温点的高低以及温差的大小。电阻r 2是用于微调 热敏电阻ntc的参数离散偏差。电阻r 1与热敏电阻ntc串联配匹，用于设 定电路控温点的高低。电阻r 5是正反馈电阻，在核心模块（i c）的保显复位端 口 b e r输出高电平时，可改善热敏电阻n t c低温高阻不良特性，在保显复位 端口 b e r输岀低电平l吋，能消除核心模块（i c）在保护动作时的临界振荡现 彖。当核心模块（i c）的反相放电端d i s处于高电平h

13、状态时，电阻r 1 0对 电容c 1进行充电®反相放电端d i s输出低电位l时对电容c 1直接放电，因 而，电容c1可防止继电器j吸合或释放动作时的抖动现象。4电路设计总结根据上述设计的越底安控吋基电路（或简称：6 6 6吋基电路）的结构、原理、 功能及其在控温电路屮的应用实例可知，越底安控时基电路（或简称：6 6 6时基 电路）结构简单，通用性强，用途广泛，性能优异，其具体技术优势在于：（1）在完全兼容经典式5 5 5时基电路所有功能之外，还扩展了越底安控功 能，使应用电路具有防失控能力，在温度、压力、水位、定时及安全防护等安全 控制领域中，具有重要的实用价值和社会效益。而5 5

14、 5电路完全没有故障保护 控制功能，因而存在失控的缺陷。（2）由于上限设置端（vii）和下限设置端（vl）都对外开放，因此，即可作 为信号输入端口，乂可从外部灵活设置或改变其内部固定的上下限电位和回差， 方便应用设计，更加扩展了应用范围。而5 5 5电路的下限内置固定，不便外调, 不利于调节冋差，作控温应用时外电路复杂。（3）只用1个端口（v i）输入传感信号，高低电位触发都有效，因而，可灵 活适应不同特性的传感器，并使所接传感电路简化，应用简便。而5 5 5时基电 路设高、低电平输入2个端口就不方便。（4）提高了电路复位性能，复位端口 （ b e r）在输入电位小于1 3 v+就可 使电路复

15、位，与数字电路对接方便，还兼有故障保护显示功能。而5 5 5电路的 复位电平在0. 4 v 1. 0 v之间，离散性大，与数字电路的低电平l电位相近, 区别不大，不利于对接又不能与输入电位作比较更无保护显示功能，因而作 用不大。（5）由于电路输出级采用互补式施密特触发器，不用输入脉冲触发，而是用 输入电位触发，因而抗脉冲干扰能力更强。而5 5 5电路是采用脉冲触发的r s触发器，抗干扰能力不强。（6）可使应用设计成本低，性价比高。可见，越底安控时基电路（或简称：66 6时基电路）不仅弥补了 5 5 5时基电路的缺陷、保留了 5 5 5时基电路的优 点，而且扩展了功能，增加了用途，简化了结构，降

16、低了成本，提高了性能，超 越了 5 5 5时基电路，是5 5 5时基电路的升级换代产品，通用性更强的越底安 控吋基电路（或简称：6 6 6吋基电路）替代经典式5 5 5时基电路是技术向高标 准发展的必然趋势。参考文献：1 阎石数字电子技术基础m第5版.北京:高等教育出版社，2 0 0 6:4 8 9 - 4 9 4.2阎石数字电子技术基本教程m.北京:清华大学出版社，2 0 0 7:2 4 1 - 2 4 6 .3 康华光.电子技术基础（数字部分）m.第5版.北京:高等教育出版社， 2006:414-421 .4陈永甫.5 5 5集成电路应用8 0 0例m北京：电子工业出版社，1 9 9 2:1 - 8, 2 0 8.5陈永甫新编5 5 5集成电路应用8 0 0例m.北京：电子工业出版社，2 0 0 0:1 4 0, 1 4 4, 1 5 0, 1 5 7.6陈有卿.5 5 5时基电路原理与应用m.北京:机械工业岀版社，2 0 0 6:1 - 9, 2 5 0 - 2 5 2.7陈有卿，叶桂娟.5 5 5时基电路原理、设计与应用m 北京：电子工业 出版社，2 0 0 7:1 - 1 2, 2 1