Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2024 - zeszyt 3

Design of Fail-Safe Window Comparator Circuits Using Unconditional Deterministic Optimization

Projektowanie niezawodnych obwodów komparatorów okiennych z wykorzystaniem bezwarunkowej optymalizacji deterministycznej

10.15199/48.2024.03.53

nr katalogowy: 147775
10.15199/48.2024.03.53

Streszczenie

The window comparator circuit operates by comparing the input signal's level with a predetermined range of levels. If the signal falls within this specified range, the output will be set to a "High" logic signal; otherwise, it will be set to a "Low" logic signal. Fail-safe window comparator circuits find application in fault detection systems, particularly in scenarios that require high-precision and stable analog circuits. They are designed to be intrinsically safe, ensuring that in the event of any circuit failure, the output signal will consistently remain in a logical "Low" state. The design concept relies on an AND logic circuit that operates through transistor oscillation. This oscillation is determined by the specific values of resistances and input voltages. This paper introduces a methodology for designing fail-safe window comparator circuits across multiple voltage ranges. The approach involves optimizing the circuit's resistance values to accurately establish the boundaries of the upper and lower windows. This is achieved through the application of an optimization method that employs unconditional deterministic optimization techniques, specifically the maximum and minimum methods. The optimization conditions were assessed using the Scilab program, while circuit testing was conducted using the LTspice program.

Abstract

Obwód komparatora okienkowego działa na zasadzie porównywania poziomu sygnału wejściowego z określonym zakresem poziomów. Jeśli sygnał mieści się w tym określonym zakresie, wyjście zostanie ustawione na sygnał logiczny „wysoki”; w przeciwnym razie zostanie ustawiony na „niski” sygnał logiczny. Odporne na uszkodzenia obwody komparatorów okiennych znajdują zastosowanie w systemach wykrywania usterek, szczególnie w scenariuszach wymagających precyzyjnych i stabilnych obwodów analogowych. Zostały zaprojektowane tak, aby były samoistnie bezpieczne, zapewniając, że w przypadku jakiejkolwiek awarii obwodu sygnał wyjściowy będzie stale pozostawał w logicznym stanie „niskim”. Koncepcja projektowa opiera się na obwodzie logicznym AND, który działa poprzez oscylację tranzystora. Oscylacja ta jest określona przez określone wartości rezystancji i napięć wejściowych. W tym artykule przedstawiono metodologię projektowania odpornych na uszkodzenia obwodów porównawczych okien w wielu zakresach napięcia. Podejście to obejmuje optymalizację wartości rezystancji obwodu w celu dokładnego ustalenia granic górnego i dolnego okna. Osiąga się to poprzez zastosowanie metody optymalizacji, która wykorzystuje bezwarunkowe techniki optymalizacji deterministycznej, w szczególności metody maksimum i minimum. Warunki optymalizacji oceniono za pomocą programu Scilab, natomiast testy obwodów przeprowadzono za pomocą programu LTspice

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Futsuhara, K., Mukaidono, M. “A Realisation of Fail-safe Sensor Using Electromagnetic Induction,” Conference on Precision Electromagnetic Measurements CPEM 88 Digest, 1988, pp. 99-100.
[2] Futsuhara, K., Mukaidono, M. “Application of Window Comparator to Majority Operation,” The Nineteenth International Symposium on Multiple-Valued Logic, 1989, pp. 114-121.
[3] Sakai, M., Kato, M., Futsuhara, K., Mukaidono, M. “Application of Fail-safe Multiple-valued Logic to Control of Power Press,” International Symposium on Twenty-Second Multiple-Valued Logic, 1992, pp. 271-350.
[4] Deeon, S., Hirao, Y., Futsuhara, K., “A Fail-safe Counter and its application to Low-speed Detection,” Transaction of Reliability Engineering Association of Japan, vol.33, No.3, 2011, pp.137- 146.
[5] Pedroni, V. A. “Low-voltage high-speed Schmitt trigger and compact window comparator,” Electronics Letters, Volume: 41, Issue: 22, 2005, pp. 1213–1214.
[6] Summatta, C., Deeon, S., “A Window Comparator Circuit with Digital Switching Levels,” The 9th International Conference on Sciences, Technology and Innovation for Sustainable WellBeing (STISWB 2017), Kunming University of Sciences and Technology, 2017, pp. 74-78.
[7] Sagar, P., and Panicker P. R., M. “A Novel, High Speed Window Comparator Circuit,” International Conference on Circuits, Power and Computing Technologies (ICCPCT), 2013, pp. 691-693.
[8] Summatta, C., Phurahong, T., Rattanangam, W., Chaiyong, W. “Low-cost and Compact Window Comparator Circuit with MOSFET-Resistor Voltage References,” IEEE 2nd International Conference on Power and Energy Applications (ICPEA 2019), Singapore, 2019, pp. 75-78.
[9] Summatta, C., Phurahong, T., “Three-Stage Window Comparator Circuit with MOSFET-Resistor Voltage Reference,” IEEE 3nd International Conference on Power and Energy Applications (ICPEA 2020), Busan, Korea (South), 2020, pp. 37-40.
[10] Summatta, C., Deeon, S., "Design and Analysis of 2oo3 Static Voter for SMT function in an Adjustable Speed Electrical Power Drive System," Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering (JTEC), vol.11, No.1, 2019, pp.1-6.
[11] Summatta, C., Rattanangam, W., "The improvement of a failsafe counter for low-speed detection" Przegląd Elektrotechniczny, vol.97, No.7, 2021, pp.23-28.
[12] Barros, F.M. Guilherme, M. M.C. J., Horta, N. C.G. Analog Circuits and Systems Optimization Based on Evolutionary Computation Techniques. 2010. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
[13] C. Summatta, W. Khamsen, A. Pilikeaw, S. Deeon. “Design and Analysis of 2-out-of-3 Voters Sensing in Electrical Power Drive System” in Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON 2016); Thailand; 2016.
[14] C. Summatta, W. Khamsen, A. Pilikeaw and S. Deeon, “Design and Simulation of Relay Drive Circuit for Safe Operation Order,” Mathematics, Engineering & Industrial Applications 2016 (ICoMEIA 2016) Conference on, Songkhla, Thailand, Aug, 2016. pp. 1-8.
[15] Snyman, J. A. Practical mathematical optimization: An introduction to basic optimization theory and classical and new gradient-based algorithms. New York: Springer. p. 2. ISBN 0- 387-24348-8. (2005).
[16] Manuel F.M. Barros, Jorge M.C. Guilherme, Nuno C.G. Horta. Analog Circuits and Systems Optimization Based on Evolutionary Computation Techniques 2010 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
[17] Gomez, I. G. Optimization of Analog Circuits by Applying Evolutionary Algorithms National Institute for Astrophysics, Optics and Electronics. Tonantzintla, Puebla PH.D. in Electronics Science.
[18] Mitros, P. A Framework for Analog Circuit Optimization. Massachusetts Institute of Technology, February 2004. Master of Engineering in Computer Science and Engineering.
[19] John C. Platt. Analog Circuits for Constrained Optimization. Pp.777-784.
[20] Durongdumrongchai, P., Sa-Ngiamvibool, W., Aurasopon, A., Pothiya, S. Robust and optimal fuzzy logic proportional integral derivative controllers design by bee algorithm for hydro-thermal system, Revue Roumaine des Sciences Techniques, Série Électrotechnique et Énergétique 59(2):193-203.
[21] Khamsen, W., Aurasopon, A., Sa-ngiamvibool, W. Power factor improvement and voltage harmonics reduction in pulse width modulation AC chopper using bee colony optimization. IETE Technical review 30 (3), 173-182

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2024-3 , nr katalogowy 147775 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2024-3 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	85.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2024-3

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma