哈工大模电自主设计实验电压比较器.docx
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哈工大模电自主设计实验电压比较器
电压比较器
1.实验目的
1、掌握电压比较器的分析及其计算
2、学习测试比较器的方法
2.总体设计方案或技术路线
电压比较器(通常称为比较器)的功能是比较两个电压的大小。
例如,将一个信号电压Ui和另一个参考电压Ur进行比较,在Ui>Ur和Ui 常用的电压比较器有简单电压比较器、滞回电压比较器和窗口电压比较器。 1、过零比较器 过零比较器是将信号电压Ui与参考电压零进行比较。 如图1(a)所示,电路由集成运放构成。 对于高质量的集成运放而言,其开环电压放大倍数很大,输入偏置电流、失调电压都很小。 若按理想情况(Aod=无穷大, =0,Uio=0)考虑时,则集成运放开环工作时 当Ui>0时,Uo为低电平 Ui<0时,Uo为高电平 集成运放输出的高低电平值一般为最大输出正负电压值Uom (a)电路图(b)电压传输特性曲线 2、滞回电压比较器 滞回电压比较器是由集成运放外加反馈网络构成的正反馈电路,如图2所示。 Ui为信号电压,Ur为参考电压值,输出端的稳压管使输出的高低电平值为±Uz。 可以看出,此电路形成的反馈为正反馈电路。 (a)电路图(b)电压传输特性曲线 图2反向滞回电压比较器 电压比较器的特性可以用电路的传输特性来描述,它是指输出电压与输入电压的关系曲线,如图1(b)为过零比较器的电压传输特性曲线。 可以看出,当输入电压从低逐渐升高或从高逐渐降低经过0电压时,Uo会从一个电平跳变为另一个电平,称0为过零比较器的阈值。 阈值定义为当比较器的输出电平从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压值。 滞回电压比较器的电压传输特性曲线如图2(b)所示。 曲线表明,当输入电压由低向高变化,经过阈值 时,输出电平由高电平(Uz)跳变为低电平(-Uz)。 当输入电压由高向低变化,经过阈值 时,输出电平由低电平(-Uz)跳变为高电平(Uz)。 3、窗口(双限)比较器 简单的比较器仅能鉴别输入电压ui比参考电压UR高或低的情况,窗口比较电路是由两个简单比较器组成,如图2.7.3所示,它能指示出ui值是否处于 和 之间。 如 <Ui< ,窗口比较器的输出电压UO等于运放的正饱和输出电压(+Uomax),如果Ui< 或Ui> ,则输出电压U0等于运放的负饱和输出电压 (-UOmax)。 (a)电路图 (b)传输特性 图3由两个简单比较器组成的窗口比较器 4、电压比较器的测试 测试过零比较器时,可以用一个低频的正弦信号输入至比较器中,直接用双踪示波器监看输出和输入波形,当输入信号幅度适中时,可以发现输入电压大于零、小于零时,输出的高、低电平变化波形,即将正弦波变换为方波。 滞回电压比较器测试时也可由用同样的方法,但在示波器上读取上、下阈值时,误差较大。 采用直流输入信号的方案较好,调节输入信号变化,测出输出电平跳变时对应的输入电压值即为阈值。 3.实验电路图 图 (1)过零比较器 图 (2)反向滞回比较器 图(3)同向滞回比较器 图(4)窗口比较器 4.仪器设备名称、型号 实验电路板 双踪示波器 双路直流稳压电源 函数信号发生器 数字万用表 μA741型芯片 5.理论分析或仿真分析结果 6.详细实验步骤及实验结果数据记录(包括各仪器、仪表量程及内阻的记录) 1、过零比较器 (1)连接图1实验电路,检查无误后,接通 直流电源 (2)当Ui悬空时,测量Uo的值 实验结果: Uo=6.647v (3)调节信号源,使输出频率为500Hz,有效值为6V的正弦波信号,并输入至Ui端,用示波器观察比较器的输入Ui与输出Uo波形 (4)将信号发生器的输出方式改为XY方式,得到电压传输曲线如下图所示 2、反向滞回比较器 (1)连接图2所示实验电路,接通 直流电源,Ui接可调直流电压源,用万用表测出Uo由高电平变为低电平时的阈值 实验结果: UTH1=627.1mV 理论结果: UTH1=R2Uz/(R2+R3)=564mV 将实验结果与理论结果的对比如下表所示 实验结果 仿真结果 理论结果 阈值UTH1 627.1mV 619.004mV 564mV 与理论值的误差 11.2% 9.7% 0 (2)测出Uo由低电平变为高电平时的阈值 实验结果: UTH2= 490.2mV 理论结果: UTH2= R2Uz/(R2+R3)= 564mV 将实验结果与理论结果的对比如下表所示 实验结果 仿真结果 理论结果 阈值UTH2 490.2mV 652.034mV 564mV 与理论值的误差 13.1% 15.6% 0 (3)将信号发生器接入Ui,并使之输出频率为1.0KHz,电压有效值为6V的正弦波信号,用示波器观察比较器的输入Ui与输出Uo波形 输出电压Uo 高电平: 6.637V 低电平: 5.342V (4)将信号发生器的输出方式改为XY方式,得到电压传输曲线如下图所示 3、同向滞回比较器 (1)连接图3所示实验电路,接通直流电源,测出Uo由高电平变为低电平时的阈值 实验结果: UTH1= 678.8mV 理论结果: UTH1= R2Uz/R3= 600mV 将实验结果与理论结果的对比如下表所示 实验结果 仿真结果 理论结果 阈值UTH1 678.8mV 672.950mV 600mV 与理论值的误差 13.1% 12.1% 0 (2)测出Uo由低电平变为高电平时的阈值 实验结果: UTH2=545.3mV 理论结果: UTH2=R2Uz/R3=620mV 将实验结果与理论结果的对比如下表所示 实验结果 仿真结果 理论结果 阈值UTH2 545.3mV 705.602mV 600mV 与理论值的误差 9.1% 17.6% 0 (3)将信号发生器接入Ui,并使之输出频率为500Hz,电压有效值为6V的正弦波信号,用示波器观察比较器的输入Ui与输出Uo波形如下 输出电压Uo 高电平: 6.500V 低电平: 5.50V (4)将信号发生器的输出方式改为XY方式,得到电压传输曲线如下图所示 4.窗口比较器 (1)连接图4实验电路,检查无误后,接通VCC接+5V直流电源 (2)测出Uo由高电平变为低电平时的两个阈值UL和UH 理论结果 UL=0.9V UH=2.3V 仿真结果 UL=946.074mV UH=2.259V 实验结果 UL=0.876V UH=2.212V 7.实验结论 通过实验,测得了过零比较器,反向滞回比较器,同向滞回比较器的阈值电压和传输特性曲线,并测得了窗口比较器的两个阈值电压。 并与理论值进行了误差分析。 8.实验中出现的问题及解决对策 在过零比较器的测量中,开始选择的正弦波有效值为1V,结果示波器显示的Uo为不为方波,而是矩形波,如右图所示 后来,将电压值调大到6V,就得到了预想中的方波。 在输出波形上测定其高电平值和低电平值时,发现两者绝对值差别较大,后来发现双路直流电压串联后,主从两路电压值并不完全相同,其中正电压为12.012V,负电压为-11.565V,这才解释了心中的疑惑。 开始的时候不会用示波器测量电压传输特性曲线,后来在实验室老师的帮助下,用XY方式得到了电压传输特性曲线。 9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议 收获与体会: 加深理解了电压比较器的特点和电路的输出规律,对于滞回比较器的优点有了进一步的认识,对于窗口比较器的构成特点也有了深一层的理解。 建议: 感觉有时候仪器不会用,建议每个实验台配备一份实验仪器说明书。 10.参考文献 《电子技术基础实验教程》廉玉欣主编 《模拟电子技术基础》王淑娟主编
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