電壓比較器的安裝與測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)十 電壓比較器的安裝與測(cè)試一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解電壓比較器的工作原理。 2安裝和測(cè)試四種典型的比較器電路：過(guò)零比較器、電平檢測(cè)器、滯回比較器和窗口比較器。二 預(yù)習(xí)要求1 預(yù)習(xí)過(guò)零比較器、電平檢測(cè)器、滯回比較器和窗口比較器的工作原理。2 預(yù)習(xí)使用示波器測(cè)量信號(hào)波形和電壓傳輸特性的方法。三實(shí)驗(yàn)原理 電壓比較器的基本功能是能對(duì)兩個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較，判斷出其中那一個(gè)比較大。比較的結(jié)果用輸出電壓的高和低來(lái)表示。電壓比較器可以采用專用的集成比較器，也可以采用運(yùn)算放大器組成。由集成運(yùn)算放大器組成的比較器，其輸出電平在最大輸出電壓的正極限值和負(fù)極限值之間擺動(dòng)，當(dāng)要和數(shù)字電路相連接時(shí)，必須增添附加電路，

2、對(duì)它的輸出電壓采取箝位措施，使它的高低輸出電平，滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。 下面討論幾種常見(jiàn)的比較器電路?；具^(guò)零比較器（零電平比較器）過(guò)零比較器主要用來(lái)將輸入信號(hào)與零電位進(jìn)行比較， +15V 以決定輸出電壓的極性。電路如圖1所示： ui 2 7放大器接成開環(huán)形式，信號(hào)ui從反向端輸入，同 µA741 6 uo相端接地。當(dāng)輸入信號(hào)ui< 0時(shí)，輸出電壓uo為正極限 3 4 值UOM ；由于理想運(yùn)放的電壓增益Au ，故當(dāng)輸 -15V入信號(hào)由小到大，達(dá)到 ui = 0 時(shí)，即 u -= u + 的時(shí)刻， 輸出電壓 uo 由正極限值 UOM 翻轉(zhuǎn)到負(fù)極限值 -UOM。 圖 1 反向

3、輸入過(guò)零比較器當(dāng)ui > 0時(shí)輸出uo為負(fù)極限值 -UOM 。因此，輸出翻轉(zhuǎn)的臨界條件是u + = u - = 0。即： +UOM ui < 0 uo = （1） -UOM ui > 0 其傳輸特性如圖2（a）所示。所以通過(guò)該電路輸出的電壓值，就可以鑒別輸入信號(hào)電壓ui是大于零還是小于零，即可用做信號(hào)電壓過(guò)零的檢測(cè)器。 uo uo +UOM +UOM 0 ui 0 ui -UOM -UOM (a）理想運(yùn)放（增益A） （b）實(shí)際運(yùn)放（增益A） 圖2 基本過(guò)零比較器的傳輸特性 對(duì)于實(shí)際運(yùn)算放大器，由于其增益不是無(wú) ui限大，輸入失調(diào)電壓UOS不等于零，因此，輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不是突然

4、的，其傳輸特性如圖2 0 t（b）所示，存在線性區(qū)。 由以上工作原理可知，比較器中運(yùn)放的反 uo向輸入端和同相輸入端的電壓不一定相等。 +UOM 假設(shè)輸入信號(hào)ui為正弦波，在ui過(guò)零時(shí)，比較器的輸出就跳變一次，因此，uo為正、負(fù) 0 t相間的方波電壓，如圖 3 所示。 為了使輸出電壓有確定的數(shù)值并改善大信 -UOM號(hào)時(shí)的傳輸特性，經(jīng)常在比較器的輸出端接上 圖3 比較器的輸入與輸出波形限幅器。如圖4(a)所示。圖中：R=1kW， DZ1、DZ2采用5229，UZ1 = UZ2 = 4.3V。 +15V uo ui 2 7 +UZ µA741 6 uo 3 4 R -15V DZ1 0

5、ui DZ2 -UZ (a) 接上限幅器的比較器 （b）電壓傳輸特性圖4 在圖4（b）中：UZ = UZ2 + UD1，-UZ = UZ2 + UD1 。 此時(shí)： +UZ ui < 0 uo = （2） ­UZ ui > 03 任意電平比較器1） 差動(dòng)型任意電平比較器電路如圖5（a）所示，輸入信號(hào)ui加到反向 +15V 輸入端，在同相輸入端加一個(gè)參考電壓UREF，當(dāng) ui 2 7輸入電壓ui小于參考電壓UREF時(shí)，輸出為+UOM， µA741 6 uo當(dāng)輸入電壓ui大于參考電壓UREF時(shí)，輸出為-UOM。 UREF 3 4 該電路的傳輸特性如圖5（b）所示。 -

6、15V即： （a）電路 +UOM ui < UREFuo = （3） uo -UOM ui > UREF +UOM與零電平比較器一樣，可以根據(jù)比較器輸出 電壓的極性來(lái)判斷輸入信號(hào)是大于UREF，還是小 UREF于UREF。對(duì)于差動(dòng)型任意電平比較器來(lái)說(shuō)，其比 0 ui 較電平UC就等于基準(zhǔn)電壓UREF。 2）求和型任意電平比較器 -UOM電路如圖6（a）所示，這種電路可以判定 輸入信號(hào)是否達(dá)到或超過(guò)某個(gè)基準(zhǔn)電平。在圖6 （b）電壓傳輸特性（a）電路中，輸入信號(hào)ui和基準(zhǔn)信號(hào)UREF通過(guò) 圖5 反向輸入差動(dòng)型任意電平比較器 電阻R1和R2作用在運(yùn)放的反向輸入端。用戴維南定理將它們轉(zhuǎn)化成

7、等效電壓源： 和內(nèi)阻： R=R1 / R2 , 其等效電路如圖6（b）所示。 uo ui R1 +15V +15V +UOM UREF R2 2 7 u¢i R¢ 2 7 µA741 6 uo µA741 6 uo Uc 3 4 3 4 0 ui -15V -15V -UOM （a）電路圖 （b） 等效電路 （c）電壓傳輸特性圖6（其中R1、R2分別取2kW）由于u+ = 0，根據(jù)輸出翻轉(zhuǎn)的臨界條件u+ = u- = 0，故由u¢i = 0，可求得比較電平： (4)因此，比較器的輸出電壓為： +UOM ui < UC uo = （5） -

8、UOM ui > UC 電壓傳輸特性如圖6 （c）所示。 +15V 3窗口比較器 2 7如果要判別輸入信號(hào)電壓ui是否進(jìn)入某一定 UREF1 A1 6范圍，則可以用圖7（a）所示的窗口比較器來(lái)進(jìn) 3 4 D1 行判別。該窗口比較器是由一個(gè)反向輸入差動(dòng)任 ui -15V uo 意電平比較器和另一個(gè)同相輸入差動(dòng)任意電平比 +15V 較器適當(dāng)?shù)亟M合而成。 2 7 D2 R 假定UREF1> UREF2，則當(dāng)ui < U REF1時(shí)，A1輸 A2 出為+UOM，A2輸出為-UOM，D1導(dǎo)通，D2截止， UREF2 3 4輸出電壓uo = +UOM；當(dāng)U REF2 > ui &g

9、t; U REF1時(shí)，A1 -15V和A2的輸出都是-UOM，D1、D2都截止，輸出電壓 （a）窗口比較器電路uo = 0；當(dāng)ui > U REF2時(shí)，A1輸出為-UOM，A2輸出 uo為+UOM，D1截止，D2導(dǎo)通，輸出電壓uo = +UOM； +UOM 其電壓傳輸特性如圖7（b）所示。 由圖中傳輸特性可知，當(dāng)輸入電壓ui處于UREF1 UREF1 0 UREF2 ui 和UREF2之間時(shí)，輸出為0，而當(dāng)輸入電壓的值處于 UREF1和UREF2之外時(shí)，輸出為+UOM。注意：在圖7 （b）電壓傳輸特性電路中，運(yùn)算放大器的輸出端不能直接相連，因?yàn)?圖7 (D1、D2用IN4148，R=1k

10、W)當(dāng)兩個(gè)運(yùn)放輸出電壓的極性相反時(shí)，將互為對(duì)方提供低阻抗通路而導(dǎo)致運(yùn)算放大器燒毀。 4滯回比較器（施密特觸發(fā)器） +15V 在任意電平比較器中，如果將集成運(yùn)放的輸 ui 2 7 出電壓通過(guò)反饋支路加到同相輸入端，形成正反 µA741 6 uo饋，就可以構(gòu)成滯回比較器，如圖8 (a) 所示。 3 4 它的門限電壓隨著輸出電壓的大小和極性而變。 UREF R1 R2 -15V 從圖8（b）中可知，它的門限電壓為： (a) 滯回比較器 uo 而uo = ±UOM，根據(jù)上式可知，它有兩個(gè)門 +UOM 限電壓（比較電平），分別為上門限電壓UH和下 門限電壓UL，兩者的差值稱為門限寬度

11、或遲滯寬 度。即： 0 UL UH ui U=UH UL （6） 當(dāng)集成運(yùn)放的輸出為+UOM時(shí)，通過(guò)正反饋支 -UOM 路加到同相輸入端的電壓為： (b) 電壓傳輸特性 圖8（R1=2kW，R2 =10kW，UREF =1.5V） 則同相輸入端的合成電壓為： = UH（上門限電壓） （7） 當(dāng)ui由小到大，達(dá)到或大于上門限電壓UH 的時(shí)刻，輸出電壓uo才從+UOM躍變到-UOM，并保持不變。此時(shí)，通過(guò)正反饋支路加到同相輸入端的電壓為： 此時(shí)同相輸入端的合成電壓為： = UL（下門限電壓） （8） 當(dāng)ui從大變小，在ui達(dá)到或稍小于UL的時(shí)刻，輸出電壓uo又從-UOM躍變到+UOM，并保持不變。

12、 根據(jù)（7）和（8）式，可求得遲滯寬度為： (9) 由上式可知，遲滯寬度與參考電壓UREF無(wú)關(guān)，改變R1或R2的值，就可以改變門限電壓或遲滯寬度U的大小。 若UREF = 0 ，圖8 就成為零電平施密特觸發(fā)器，其上門限電壓UH為： (10) 下門限電壓UL為： (11) 遲滯寬度U仍然由（9）式?jīng)Q定，與UREF無(wú)關(guān)。四實(shí)驗(yàn)設(shè)備名 稱型 號(hào) 與 規(guī) 格數(shù) 量示波器日立V2521直流穩(wěn)壓電源JWD2型1函數(shù)發(fā)生器GFG8016G1五 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1零電平檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與測(cè)試用mA741設(shè)計(jì)一個(gè)接有限幅器的反相輸入零電平檢測(cè)器。輸入頻率f 300Hz的正弦信號(hào)，逐漸增大ui的值，直到輸出信號(hào)為正、負(fù)相間

13、的方波。利用示波器觀測(cè)輸入波形ui、輸出波形uo和電壓傳輸特性。2任意電平比較器的設(shè)計(jì)與測(cè)試1）用mA741設(shè)計(jì)一個(gè)接有限幅器的反相輸入差動(dòng)型任意電平比較器。UREF1 =1.5V，輸入頻率f 300Hz的正弦信號(hào)，逐漸增大ui的值，直到輸出信號(hào)為正負(fù)相間的方波。利用示波器觀測(cè)輸入波形ui、輸出波形uo和電壓傳輸特性。2）用mA741設(shè)計(jì)一個(gè)接有限幅器的反相輸入求和型任意電平比較器。UREF1 =1.5V， 輸入頻率f300Hz的正弦信號(hào)，逐漸增大ui的值，直到輸出信號(hào)為正負(fù)相間的方波。利用示波器觀測(cè)輸入波形ui、輸出波形uo和電壓傳輸特性。 +15V 3窗口比較器的設(shè)計(jì)與測(cè)試 +15V 2 7用mA741設(shè)計(jì)一個(gè)窗口比較器（參考圖 A1 69電路，圖中：R=1kW，R1=10kW，R2=4kW， R1 3 4 D1 R3=1kW，D1、D2為IN4148）。UREF1=5V， UREF1 ui -15V uoUREF2 =1V，輸入頻率f300Hz的正弦信號(hào)， R2 +15V逐漸增大ui的值，直到輸出信號(hào)為正負(fù)相間 UREF2 2 7 D2 R 的方波。利用示波器觀測(cè)輸入波形ui、輸出 R3 A2 6波形uo和電壓傳輸特性。 3 4 4滯回比較器的設(shè)計(jì)與測(cè)試 -15