电压比较器(过零比较器)

四、实验内容
1、 过零比较器 （1）连接图 1（a）实验电路，检查无误后，接通 12V 直流电源 （2）测量当 Ui 悬空时，Uo 的值 （3）调节信号源，使输出频率为 100Hz，有效值为 1V 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 波形并记录 （4）改变信号发生器的输出电压 Ui 幅值，用示波器观察 Uo 变化，测出电压传
2
输特性曲线 2、 反向滞回比较器 （1）连接图 2（a）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 （2）同上，测出 Uo 由低电平变为高电平时的阈值 （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 1V 的正 弦波信号，用示波器观察比较器的输入 Ui 与输出 Uo 波形并记录 3、 同向滞回比较器 （1）连接图 3 所示实验电路，参照反向滞回比较器的测试方法自拟实验步骤及 方法 （2）将实验结果与反向滞回比较器的理论分析结果进行比较，分析误差产生原 因
U1 8 R4 5.1kΩ D1 1Z6.2 9
R1 10kΩ XFG1 11 R2 10kΩ 0 0
7
2 6 3 7 1 5
741 R3
10
VCC1
100kΩ VCC1 12V
D2 1Z6.2 0
(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 UTH 1 时，输出电平由高电平 (Uz)跳变为低电平(-Uz)。
UTH 1 R2U z R2 R3
(a)电路图
当输入电压由高向低变化， 经过阈值 U TH 2 时， 输出电平由低电平(-Uz)跳变为 高电平(Uz)。
UTH 1 R2U z R2 R3
3、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。
XSC1 VCC -12V VCC
4
+ A _ + B _ Ext T rig + _
U1 2 R2 5.1kΩ 4 D1 1Z6.2 3
R1 10kΩ 5 XFG1
1 0
2 6 3 7 1 5
741
0
VCC1 VCC1 12V
D2 1Z6.2 0
(a)电路图 图 1 过零比较器
(b)电压传输特性曲线
实验十二
一、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
电压比较器
二、实验仪器
1、双踪示波器 2、信号发生器 3、数字万用表 4、直流电源。
三、实验原理及测量方法
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<Ur 两种不同情 况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。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， I IB =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
输出电压：实验结果 Uo=6.91V 仿真结果 Uo=6.654V 其电压传输特性如下图所示
集成运放的反向输入端电位 UN=0 ，同向输入端电位 UP=R2Uz/(R2+R3)+ R3Ui/(R2+R3)，令 UN=UP 得到阈值电压 UTH= R2Uz/R3。假设 Ui< UTH，那么 UN 一定大于 UP，因而 Uo= Uz，当输入电压 Ui 增大到+ UTH，再增大一个无穷 小量时，输出电压 Uo 才会从 UTH 跃变为+UTH。同理，假设 Ui>UTH，那么 UN 一定小于 UP，因而 Uo=+Uz，当输入电压 Ui 减小到 UTH，再减小一个无穷小 量时，输出电压 Uo 才会从+UTH 跃变为 UTH。所以得到如上图所示的电压传输 特性曲线。 （4）将实验结果与理论分析结果进行比较，分析误差产生原因：电路图中所选 的稳压管的稳压电压为 6.2V，但实际测出的电压输出值 6.91V 略大于此值。当 Ui<0 时，稳压管 D2 工作在稳压状态，稳压管 D1 工作在正向导通状态，所以使 输出电压 Uo=Uz+UD （UD 为稳压管的正向导通电压） ，因而实际测量值略高于稳 压管的稳压值。由于 Uo 的增大，致使通过反馈加到集成运放的输入端电压产生 变化，最终影响电路的阈值电压。
5
将实验结果、仿真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 720mV 725.602mV 620mV 与理论值的误差 16.1% 17.0% 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 1V 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
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。
1
XSC1 VCC -12V VCC 12
4
+ A _ + B _ Ext T rig + _
（4）改变信号发生器的输出电压 Ui 幅值，通过观察示波器 Uo 变化可知电压传 输曲线如下图所示
3
当 Ui<0 时，由于集成运放的输出电压 Uo ' =+Uom，使稳压管 D2 工作在稳压 状态（两只稳压管的稳定电压均小于集成运放的最大输出电压 Uom） ，所以输出 电压 Uo=Uz；当 Ui>0 时，由于集成运放的输出电压 Uo ' =-Uom，使稳压管 D1 工作在稳压状态,所以输出电压 Uo=-Uz。 电路图中所选的稳压管的稳压电压为 6.2V，但实际测出的电压输出值 6.91V 略大于此值。当 Ui<0 时，稳压管 D2 工作在稳压状态，稳压管 D1 工作在正向导 通状态，所以使输出电压 Uo=Uz+UD（UD 为稳压管的正向导通电压） ，因而实际 测量值略高于稳压管的稳压值。 2、 反向滞回比较器 （1）连接图 2（a）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 =625mV 仿真结果：UTH1=619.004mV 理论结果：UTH1 =R2Uz /（R2+R3）=564mV 将实验结果、仿真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 625mV 619.004mV 564mV 与理论值的误差 10.8% 9.8% 0 （2）测出 Uo 由低电平变为高电平时的阈值 实验结果：UTH2= 660mV 仿真结果：UTH2= 672.934mV 理论结果：UTH2 = R2Uz /（R2+R3）= 564mV 将实验结果、仿真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 660mV 672.034mV 564mV 阈值 UTH2 与理论值的误差 17.0% 19.2% 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 1V 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
五、实验结果及分析
1、过零比较器 （1）连接图 1（a）实验电路，检查无误后，接通 12V 直流电源 （2）当 Ui 悬空时，测量 Uo 的值 实验结果：Uo=6.91V 仿真结果：Uo=6.669V （3）调节信号源，使输出频率为 100Hz，有效值为 1V 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 波形如下所示
4
输出电压：实验结果 Uo=6.90V 仿真结果 Uo=6.625V 其电压传输特性如下图所示
集成运放的反向输入端电位 UN=Ui，同向输入端电位 UP=R2Uz/(R2+R3)，令 UN=UP 得到阈值电压 UTH= R2Uz/(R2+R3)。假设 Ui< UTH，那么 UN 一定小于 UP，因而 Uo=+Uz，所以 UP=+UTH。只有当输入电压 Ui 增大到+ UTH，再增大 一个无穷小量时， 输出电压 Uo 才会从+ UTH 跃变为 UTH。 同理， 假设 Ui> UTH， 那么 UN 一定大于 UP，因而 Uo= Uz，所以 UP= UTH。只有当输入电压 Ui 减小 到 UTH，再减小一个无穷小量时，输出电压 Uo 才会从 UTH 跃变为+UTH。所以 得到如上图所示的电压传输特性曲线。 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 = 640mV 仿真结果：UTH1= 672.950mV 理论结果：UTH1 = R2Uz /R3= 620mV 将实验结果、仿真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 640mV 672.950mV 620mV 阈值 UTH1 与理论值的误差 3.2% 8.5% 0 （2）测出 Uo 由低电平变为高电平时的阈值 实验结果：UTH2=720mV 仿真结果：UTH2=725.602mV 理论结果：UTH2 =R2Uz /R3=620mV
XSC1 VCC -12V VCC
4
+ A _ + B _ Ext T rig + _
U1 2 R4 5.1kΩ D1 1Z6.2 3
0 6
R1 10kΩ R2 5
1
2 6 3 7 1 5
10kΩ XFG1
741 R3
4
VCC1 0 12V
100kΩ VCC1
D2 1Z6.2 0
图 3 同向滞回比较器
6
误差分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ： 1、仪器自身误差 2、读数误差 3、操作误差 4、信号源干扰
7