实验原理
电压比较器(简称为比较器)是对输入信号进行鉴幅和比较的集成器件,它可将模拟信号转换成二值信号,即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。
可用作模拟电路和数字电路的接口,也可用作波形产生和变换电路等。
比较器看起来像是开路结构中的运算放大器,但比较器和运算放大器在电气性能参数方面有许多不同之处。
运算放大器在不加负反馈时,从原理上讲可以用作比较器,但比较器的响应速度比运算放大器快,传输延迟时间比运算放大器小,而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS等数字集成电路。
但在要求不高情况下也可以考虑将某些运算放大器(例如:
LM324、LM358、μA741、TL081、OP07、OP27等)当作比较器使用。
常见的比较器电路有过零比较器、门限比较器、滞回比较器、窗口比较器和三态比较器等。
常用的电压比较器有:
LM339、LM393、LM311等。
比较器看起来像是运算放大器的开环应用,运算放大器在不加负反馈时,从原理上讲可以用作比较器,但比较器和运算放大器之间有许多明显的不同之处。
因此只有在特殊的情况下,可将运算放大器当作比较器使用。
运算放大器是一种为在负反馈条件下工作所设计的电子器件,其设计重点是保证在负反馈条件下的稳定性,压摆率和最大带宽等。
通常运算放大器的开环增益非常高,在开环情况下只能处理输入差分电压非常小的信号。
运算放大器的响应时间与比较器相比会慢得多。
比较器的输入为两路模拟信号,输出为二进制数字信号,当输入电压的差值增大或减小时,其输出保持恒定。
有时也将比较器称为1位A/D转换器。
与运算放大器一样,比较器输入级也具有诸多特性,如失调电压、偏置电流以及共模电压范围。
只有当其影响到开关点时,这些参数的值才会引起我们的关注。
A.集电极开路输出:
集电极开路输出比较器使用时需要外接上拉电阻R_PLL,上拉电阻与逻辑电源Vs+相连,逻辑电源的电压值,决定了比较器的可输出电压值。
采用集电极开路输出的比较器可与各种逻辑器件系列连接,并可实现线与逻辑。
B.集电极/发射极开路输出:
集电极/发射极开路输出比较器使用时需要外接上拉或下拉电阻R_PLL。
C.漏极开路输出:
漏极开路输出比较器使用时需要外接上拉电阻R_PLL,采用上拉电阻与逻辑电源Vs+相连,逻辑电源的电压值,决定了比较器的可输出电压值。
采用集电极开路输出的比较器可与各种逻辑器件系列连接,并可实现线与逻辑。
D.推挽式输出:
推挽输出不需要外接上拉电阻器,其输出逻辑电平取决于比较器的电源电压。
三、主要仪器设备
集成运算电路实验板、通用运算放大器LM339、LM393、LM311、电阻电容等元器件、MS8200G型数字多用表;XJ4318型双踪示波器;XJ1631数字函数信号发生器;DF2172B型交流电压表;HY3003D-3型可调式直流稳压稳流电源。
四、实验数据记录、处理与分析
1【过零电压比较器电路】
过零电压比较器是电压比较电路的基本结构,它可将交流信号转化为同频率的双极性矩形波。
常用于测量正弦波的频率相位等。
当输入电压
时,输出
;反之,当输入电压
时,输出
。
实验仿真:
实验记录:
2【基本单门限比较器电路】
单门限比较器的输入信号Vin接比较器的同相输入端,反相输入端接参考电压Vref(门限电平)。
当输入电压Vin>Vref时,输出为高电平VOH;当输入电压Vin实验仿真
实验记录(由于实验室没有如仿真第一幅图的输入信号,故在实验时用正弦信号代替,并做仿真如上所示)
3【正基准电压的单电源比较器电路】
实验仿真
实验记录
上述三种电路都是将基准电压连接至反相输入端,并将信号电压连接至同相输入端,利用两输入端子之间的差动输入电压动作,因此信号电压与基准电压即使任意互换,除了输出的动作会反相外,对电路并不会造成任何问题。
4【迟滞比较器电路】
迟滞比较器具有迟滞回线形状,两个门限电电压,分别称为上门限电压VTH和下门限电压VTL,两者差为门限宽度或迟滞宽度,即
。
当迟滞比较器的同相输入端接输入电压,反相输入端接参考电压时,输入电压从低值达到超过上门限电压VTH时,比较器输出从低的VOL到高的VOH翻转,称为同相滞后比较器,或称为上行迟滞比较器;反之,反相输入端接输入电压,同相输入端接参考电压,称为反相滞后比较器,或称为下行迟滞比较器。
实验仿真(由于实验室未提供LM339芯片,故此实验只做仿真)
5【窗口比较器电路】
窗口比较器又称为双限比较器。
窗口比较器的特点是当输入信号单方向变化时,可使输出电压Vout跳变两次,即窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断Vin是否处于上下两个门限电压之间。
实验仿真
6【方波发生电路】
由比较器可构成音频方波振荡器,改变电容器C1的电容量可改变输出方波的频率。
实验仿真
实验记录
五、思考题及实验心得
【实验心得】
(一)在做运放实验时,接线需要小心谨慎,特别是对于偏置电压的接入,一定要判断清楚恒压源的正负极才能接入。
否则一旦出现线路接错,很容易就会烧掉运放。
(二)对于集成运放基本运算电路实验,在做实验前先进行软件仿真了解其基本特性是一个很好的方法。
这样能够使得自己在自己动手做实验对于实验结果有一定的预期,不但可以提高做实验的效率,而且也是减小实验失误的有效方法之一。
(三)三角波、方波发生器的产生可以由比较器+RC电路或者比较器+积分器(由积分器A1与滞回比较器A2等组成的三角波、方波发生器电路如上图所示。
在一般使用情况下,和VΘ2都接地。
只有在方波的占空比不为50%,或三角波的正负幅度不对称时,可通过改变和VΘ2的大小和方向加以调整。
)来实现,具体采用哪种方式,应该具体问题具体分析,找到最适合的方法。
用比较器+积分器方法时要注意对称调节点V+1和零位调节点VΘ2。
(四)实验前应检验电路元器件,包括是否损坏,以及标称值与实际值的差异。
我们不能轻易相信电阻的色环等标称值,有些元器件由于长时间放置,老化,或者本身就具有较大的误差,标称值与实际值有很大的差别,元器件的实际值在实验前均需重新测定,否则直接做实验很容易出现较大误差甚至错误,而且不利于实验矫正。