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滞回比较器
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[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]
滞回比较器
实验十电压比较器的安装与测试
一.实验目的
1.了解电压比较器的工作原理。
2.安装和测试四种典型的比较器电路:
过零比较器、电平检测器、滞回比较器和窗口比较器。
二.预习要求
1.预习过零比较器、电平检测器、滞回比较器和窗口比较器的工作原理。
2.预习使用示波器测量信号波形和电压传输特性的方法。
三.实验原理
电压比较器的基本功能是能对两个输入电压的大小进行比较,判断出其中那一个比较大。
比较的结果用输出电压的高和低来表示。
电压比较器可以采用专用的集成比较器,也可以采用运算放大器组成。
由集成运算放大器组成的比较器,其输出电平在最大输出电压的正极限值和负极限值之间摆动,当要和数字电路相连接时,必须增添附加电路,对它的输出电压采取箝位措施,使它的高低输出电平,满足数字电路逻辑电平的要求。
下面讨论几种常见的比较器电路。
基本过零比较器(零电平比较器)
过零比较器主要用来将输入信号与零电位进行比较,+15V
以决定输出电压的极性。
电路如图1所示:
ui27
放大器接成开环形式,信号ui从反向端输入,同μA7416uo
相端接地。
当输入信号ui<0时,输出电压uo为正极限34
值UOM;由于理想运放的电压增益Au→∞,故当输?
15V
入信号由小到大,达到ui=0时,即u?
=u+的时刻,
输出电压uo由正极限值UOM翻转到负极限值?
UOM。
图1反向输入过零比较器
当ui>0时输出uo为负极限值?
UOM。
因此,输出翻转的临界条件是u+=u?
=0。
即:
+UOMui<0
uo=
(1)
?
UOMui>0
其传输特性如图2(a)所示。
所以通过该电路输出的电压值,就可以鉴别输入信号电压ui是大于零还是小于零,即可用做信号电压过零的检测器。
uouo
+UOM+UOM
0ui0ui
-UOM-UOM
(a)理想运放(增益A→∞)(b)实际运放(增益A≠∞)
图2基本过零比较器的传输特性
对于实际运算放大器,由于其增益不是无ui
限大,输入失调电压UOS不等于零,因此,输
出状态的转换不是突然的,其传输特性如图20t
(b)所示,存在线性区。
由以上工作原理可知,比较器中运放的反uo
向输入端和同相输入端的电压不一定相等。
+UOM
假设输入信号ui为正弦波,在ui过零时,
比较器的输出就跳变一次,因此,uo为正、负0t
相间的方波电压,如图3所示。
为了使输出电压有确定的数值并改善大信?
UOM
号时的传输特性,经常在比较器的输出端接上图3比较器的输入与输出波形
限幅器。
如图4(a)所示。
图中:
R=1k?
,DZ1、DZ2采用5229,UZ1=UZ2=4.3V。
+15Vuo
ui27+UZ
μA7416uo
34R
?
15VDZ10ui
DZ2
?
UZ
(a)接上限幅器的比较器(b)电压传输特性
图4
在图4(b)中:
UZ=UZ2+UD1,?
UZ=UZ2+UD1。
此时:
+UZui<0
uo=
(2)
-UZui>0
3.任意电平比较器
1)差动型任意电平比较器
电路如图5(a)所示,输入信号ui加到反向+15V
输入端,在同相输入端加一个参考电压UREF,当ui27
输入电压ui小于参考电压UREF时,输出为+UOM,μA7416uo
当输入电压ui大于参考电压UREF时,输出为?
UOM。
UREF34
该电路的传输特性如图5(b)所示。
?
15V
即:
(a)电路
+UOMui uo=(3)uo ? UOMui>UREF+UOM 与零电平比较器一样,可以根据比较器输出 电压的极性来判断输入信号是大于UREF,还是小UREF 于UREF。 对于差动型任意电平比较器来说,其比0ui 较电平UC就等于基准电压UREF。 2)求和型任意电平比较器? UOM 电路如图6(a)所示,这种电路可以判定 输入信号是否达到或超过某个基准电平。 在图6(b)电压传输特性 (a)电路中,输入信号ui和基准信号UREF通过图5反向输入差动型任意电平比较器 电阻R1和R2作用在运放的反向输入端。 用戴维南定理将它们转化成等效电压源: 和内阻: R′=R1//R2,其等效电路如图6(b)所示。 uo uiR1+15V+15V+UOM UREFR227u? iR? 27 μA7416uoμA7416uoUc 34340ui ? 15V? 15V ? UOM (a)电路图(b)等效电路(c)电压传输特性 图6(其中R1、R2分别取2k? ) 由于u+=0,根据输出翻转的临界条件u+=u? =0,故由u? i=0,可求得比较电平: (4) 因此,比较器的输出电压为: +UOMui uo=(5) ? UOMui>UC 电压传输特性如图6(c)所示。 +15V 3.窗口比较器27 如果要判别输入信号电压ui是否进入某一定UREF1A16 范围,则可以用图7(a)所示的窗口比较器来进34D1 行判别。 该窗口比较器是由一个反向输入差动任ui? 15Vuo 意电平比较器和另一个同相输入差动任意电平比+15V 较器适当地组合而成。 27D2R 假定UREF1>UREF2,则当ui 出为+UOM,A2输出为? UOM,D1导通,D2截止,UREF234 输出电压uo=+UOM;当UREF2>ui>UREF1时,A1? 15V 和A2的输出都是? UOM,D1、D2都截止,输出电压(a)窗口比较器电路 uo=0;当ui>UREF2时,A1输出为? UOM,A2输出uo 为+UOM,D1截止,D2导通,输出电压uo=+UOM;+UOM 其电压传输特性如图7(b)所示。 由图中传输特性可知,当输入电压ui处于UREF1UREF10UREF2ui 和UREF2之间时,输出为0,而当输入电压的值处于 UREF1和UREF2之外时,输出为+UOM。 注意: 在图7(b)电压传输特性 电路中,运算放大器的输出端不能直接相连,因为图7(D1、D2用IN4148,R=1k? ) 当两个运放输出电压的极性相反时,将互为对方提供低阻抗通路而导致运算放大器烧毁。 4.滞回比较器(施密特触发器)+15V 在任意电平比较器中,如果将集成运放的输ui27 出电压通过反馈支路加到同相输入端,形成正反μA7416uo 馈,就可以构成滞回比较器,如图8(a)所示。 34 它的门限电压随着输出电压的大小和极性而变。 UREFR1R2? 15V 从图8(b)中可知,它的门限电压为: (a)滞回比较器 uo 而uo=±UOM,根据上式可知,它有两个门+UOM 限电压(比较电平),分别为上门限电压UH和下 门限电压UL,两者的差值称为门限宽度或迟滞宽 度。 即: 0ULUHui △U=UH–UL(6) 当集成运放的输出为+UOM时,通过正反馈支? UOM 路加到同相输入端的电压为: (b)电压传输特性 图8(R1=2k? ,R2=10k? ,UREF=1.5V) 则同相输入端的合成电压为: =UH(上门限电压)(7) 当ui由小到大,达到或大于上门限电压UH的时刻,输出电压uo才从+UOM跃变到? UOM,并保持不变。 此时,通过正反馈支路加到同相输入端的电压为: 此时同相输入端的合成电压为: =UL(下门限电压)(8) 当ui从大变小,在ui达到或稍小于UL的时刻,输出电压uo又从? UOM跃变到+UOM,并保持不变。 根据(7)和(8)式,可求得迟滞宽度为: (9) 由上式可知,迟滞宽度与参考电压UREF无关,改变R1或R2的值,就可以改变门限电压或迟滞宽度△U的大小。 若UREF=0,图8就成为零电平施密特触发器,其上门限电压UH为: (10) 下门限电压UL为: (11) 迟滞宽度△U仍然由(9)式决定,与UREF无关。 四.实验设备 名称 型号与规格 数量 示波器 日立V—252 1 直流稳压电源 JWD—2型 1 函数发生器 GFG—8016G 1 五.实验内容 1.零电平检测器的设计与测试 用? A741设计一个接有限幅器的反相输入零电平检测器。 输入频率f=300Hz的正弦信号,逐渐增大ui的值,直到输出信号为正、负相间的方波。 利用示波器观测输入波形ui、输出波形uo和电压传输特性。 2.任意电平比较器的设计与测试 1)用? A741设计一个接有限幅器的反相输入差动型任意电平比较器。 UREF1=1.5V,输入频率f=300Hz的正弦信号,逐渐增大ui的值,直到输出信号为正负相间的方波。 利用示波器观测输入波形ui、输出波形uo和电压传输特性。 2)用? A741设计一个接有限幅器的反相输入求和型任意电平比较器。 UREF1=1.5V,输入频率f=300Hz的正弦信号,逐渐增大ui的值,直到输出信号为正负相间的方波。 利用示波器观测输入波形ui、输出波形uo和电压传输特性。 +15V 3.窗口比较器的设计与测试+15V27 用? A741设计一个窗口比较器(参考图A16 9电路,图中: R=1k? ,R1=10k? ,R2=4k? ,R134D1 R3=1k? ,D1、D2为IN4148)。 UREF1=5V,UREF1ui? 15Vuo UREF2=1V,输入频率f=300Hz的正弦信号,R2+15V 逐渐增大ui的值,直到输出信号为正负相间UREF227D2R 的方波。 利用示波器观测输入波形ui、输出R3A26 波形uo和电压传输特性。 34 4.滞回比较器的设计与测试? 15V 用? A741设计一个任意电平反相施密特图9窗口比较器实验电路 触发器,要求uop-p=±UZ。 输入频率f=300Hz的正弦信号,逐渐增大ui的值,直到输出信号为正负相间的方波。 利用示波器观测输入波形ui、输出波形uo和电压传输特性。 六.实验报告要求 1.画出每个标有元件值的实验电路图。 2.画出所观测到的输入、输出波形和电压传输特性曲线。 并计算出每个实验内容的比较电平。 3.计算出滞回比较器的上门限电压UH和下门限电压UL。
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