电压比较器(过零比较器)
电压比较器
T
T= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充电条件一样T1 = T2。 T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:
uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e
t
,=RC
28
周期与频率的计算：
uc +UOM
U+H
T2
RC ln(1 2 R1 ) R2
0
t
U+L
T 2RC ln(1 2R1 ) -UOM R2
uc +
R
U+H
C
－
+
+
0
uo U+L
t
R1
uo
R2
UOM
T 2RC ln(1 2R1 )
0
t
R2 - UOM
T
f = 1/T
此期间是分析问题时的假设,实际上用 示波器观察波形时看不到这段波形. 27
周期与频率的计算：
uc +UOM
uc +
R
U+H
C
－ +
+
uo
0
t
R1
U+L
R2
-UOM
T1
T2
ui -
+Uom vo
uo
uR +
0
-Uom
VREF vi
uo与ui的函数关系uo=f(ui)称为电压传输特性。
引起uo发生跳变得参考电压称为阈值电压（或
门槛电压），记为uT。
2
2. 基本工作原理及分析方法 vo
运放在理想情况下：
+Uom
Aod＝∞，Iid＝0，UiP=UiN
电压比较器
4.7电压比较器电压比较器的具体功能是能够讲输入信号和一个参考电压比较大小，用高低电平表示比较的结果。
其工作条件是电路中的集成运放工作于开环即无负反馈参与的电路或正反馈参与的电路的状态，输入与输出之间呈非线性传输特性。
以下是以过零和迟滞比较器来进行仿真实验的。
！过零比较器特点：阈值等于零。
所谓阈值电压就是指输出有一个状态跳变到另一状态的临界条件所对应的输入电压值。
建立如下图所示的过零比较器，其中的函数信号发生器用来产生2V/KHZ 的正弦波输入函数,运放为非理想的.(过零电压比较器)非理想运放启动仿真，结果如下图所示，每当输入信号过零时，输出发生跳变。
（示波器的仿真结果）！！考虑到输出电压一般不稳定所以设计如下图所示的过零比较器来稳定输出电压。
（稳压比较器）在同相输入端接入一小电阻，其余条件同上。
启动仿真得到下图的仿真结果。
（示波器的仿真结果）鉴于上面两试验得知当运放为理想的时候输出电压最稳定,所以在Multisim8窗口中建立如图所示的过零电压比较器，函数信号发生器用来产生2V/1kHz的正弦波输入信号。
(过零电压比较器) 理想运放启动仿真，结果如下图所示.(理想运放过零比较器)(过零电压比较器)741运放启动仿真，仿真结果如图4-58所示，可以看到每当输入信号过零时，输出发生跳变。
(741理想运放)实验分析：由上述实验电路图和示波器仿真结果可得到如下结果!1当运放为非理想运放时示波器显示输出结果不稳定，如果在同向输入端加上一个电阻时有一定的稳压效果但效果并不理想；!2当运放为理想运放时示波器显示输出结果较稳定，换成741运放时输出也比较稳定。
！！！下面设计的是阈值不等于零的电压比较器即在过零电压比较器的基础上在运放正相输入端加上一定电压后电路变为非过零电压比较器。
(接入一个１Ｖ的直流电压源，其余条件相同).（非过零比较器）启动仿真,非过零比较器的仿真结果如图所示(非过零电压比较器示波器仿真结果)由图分析可知输入、输出交点电压即为运放正相输入端所加电压值。
电压比较器实验报告
实验报告课程名称：电路与电子技术实验指导老师：成绩：实验名称：电压比较器及其应用实验类型：电子电路实验同组学生姓名：一、实验目的二、实验内容三、主要仪器设备四、实验数据记录、处理与分析五、思考题及实验心得一、实验目的1．了解电压比较器与运算放大器的性能区别；2．掌握电压比较器的结构及特点；3．掌握电压比较器电压传输特性的测试方法；4．学习比较器在电路设计中的应用。
二、实验内容及原理实验内容1．设计过零电压比较器电路，反相输入端接地，同相输入端接1kHz、1V正弦波信号，测量并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
2．设计单门限电压比较器电路，同相输入端接1V直流电压，反相输入端接1kHz、1V正弦波信号，测量3．并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
4．设计反相输入（下行）滞回电压比较器，反相输入端接1kHz、1V正弦波信号，测量并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
5．设计窗口电压比较器电路，输入为1kHz、5V三角波信号，设置参考电压Vref1为1V直流电压，参考电压Vref2为4V直流电压，测量并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
6．设计三态电压比较器电路，输入电压信号Vin为1kHz、5V三角波信号，当输入Vin<Vref2时，输出Vout=VOL；Vin<Vref1时，输出Vout=VOH。
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。
过零比较器的性质及其抗干扰能力的提高
过零比较器的性质及其抗干扰能力的提高1114211班郝建响01能够实现对两个或多个进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序的比较功能的或装置称为比较器。
其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。
电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。
比较器是将一个模拟电压与一个基准电压相比较的。
比较器的两路输入为，输出则为信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。
过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。
原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。
两个输入电压一个是参考电压Vr，一个是待测Vu。
一般Vr从正相输入端接入，Vu从反相输入端接入。
根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。
当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。
用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。
当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。
例如，开环放大倍数为106，输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。
这也可以被认为是测量的不确定度。
零电平比较器(过零比较器)电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。
参考电压为零的比较器称为零电平比较器。
按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器，如图1(a)、(b)所示(a)反相输入；(b)同相输入通常用阈值电压和传特性来描述比较器的工作特性。
阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。
估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。
这个临界条件是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零)，即U+=U–。
对于图1(a)U–=Ui, U+=0, UTH=0。
传输特性是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。
电压比较器资料
电压比较器电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。
电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平。
此外由于高电平相当于逻辑“1”，低电平相当逻辑“0”，所以比较器可作为摸拟与数字电路之间的接口电路.由于比较器输出只有两个状态，因此，用作比较器的运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。
电压比较器的电路符号电压比较器的基本特性1. 输出 高电平(U oH )和低电平(U oL )用运放构成的比较器，其输出的高电平UoH 和低电平UoL 可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压(-UCC)。
2. 鉴别灵敏度理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限UT 处具有阶跃的传输特性。
这就要求运放：实际运放的Aud 不为无穷大。
在UT 附近存在着一个比较的不灵敏区。
在该区域内输出既非UoH ，也非UoL ，故无法对输入电平大小进行判别。
显然，Aud 越大，则不灵敏区就越小，称比较器的鉴别灵敏度越高。
3.转换速度作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器输出状态发生转换所需要的时间。
ud A =∞u u EEu -u +通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。
为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。
理想集成运放非线性应用时的特点非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。
非线性应用特点：反相电压比较器 电路如图所示， 输入信号u i 加在反相端，参考电压u r 加在同相端。
u i < u r ， u o =U OH ui > ur ， uo=UOL。
同相电压比较器 电路如图所示， 输入信号u i 加在同相端，参考电压u r 加在反相端。
ui < ur ， uo=UOL ui > ur ， uo=UOH当参考电压为零时，则为同相过零比较器。
o CC oL o CC oHi i u uu U U u u u U U +--+-+==>≈-=<≈+=其传输特性 uo= f ( ui )简单比较器应用中存在的问题①. 输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘不够陡峭；②. 抗干扰能力差。
过零比较器
一、过零比较器过零比较器，顾名思义，其阈值电压U T=0V。
电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+U OM或-U OM。
当输入电压u I<0V时，U O=+U OM；当输入电压u I>0V 时，U O=-U OM。
因此，电压传输特性如图(b)所示。
为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路，如右图所示。
★两只稳压管稳压值不同在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的U OH和U OL，如图（725）(a)所示。
图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压U OM。
设稳压管D Z1的稳定电压为U Z1，稳压管D Z2的稳定电压为U Z2，U Z1和U Z2的正向导通电压均为U D。
当u I<0时，由于集成运放的输出电压u/O=+U OM，D Z1使工作在稳压状态，D Z2工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OH=（U Z1+U D）当u I>0时，由于集成运放的输出电压u/O=-U OM，D Z2使工作在稳压状态，D Z1工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OL=-（U Z2+U D）★两只稳压管稳压值相同若要求，U Z1=U Z2则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，其符号如图(b)所示，稳定电压标为±U Z。
当u I<0时，u O=U OH=U Z；当u I>0时，u O=U OL=-U Z。
★稳压管接在反馈通路中限幅电路的稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，成运放必然工作在开环状态，输出电压不是+U OM，就是-U OM。
这样，必将导致稳压管击穿而工作在稳压状态，D Z构成负反馈通路，使反相输入端为“虚地”，限流电阻上的电流i R等于稳压管的电流i Z，输出电压u O=±U Z。
电路优点：◆由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级；◆由于集成运放并没有工作到非线性区，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。
过零比较器的特点和应用
过零比较器的特点和应用过零比较器是一种电子元件，它常用于电路中，用于检测输入信号是否跨过零点，并产生相应的输出信号。
过零比较器的特点和应用十分广泛，下面将详细介绍。
一、过零比较器的特点1.高速响应：过零比较器能够快速响应输入信号的变化，其响应时间很短，通常在纳秒级别。
这样的特点使得它在许多需要快速检测和响应的应用中得到广泛应用，比如高速通信、传感器等领域。
2.高精度：过零比较器可以实现高精度的零点检测，能够准确地判断输入信号是否经过零点，从而产生相应的输出信号。
这种高精度的检测能力使得过零比较器在控制系统、测量仪器等领域中得到应用。
3.低功耗：过零比较器的设计采用了低功耗的电路结构，能够在保证高性能的同时，尽量减少功耗。
这种低功耗的特点使得过零比较器在便携式电子设备、无线通信等领域中得到广泛应用。
4.高稳定性：过零比较器的电路结构经过精心设计，能够保持高稳定性，不易受到外界干扰的影响。
这种高稳定性使得过零比较器在工业自动化、仪器仪表等领域中得到应用。
二、过零比较器的应用1.交流电压检测：过零比较器能够检测交流电压信号是否经过零点，从而判断电压的正负极性。
在交流电路中，过零比较器可以用于开关控制、电压保护等功能，从而保证电路的正常工作和安全运行。
2.直流电流检测：过零比较器可以通过电流变换器将直流电流转换为交流电压信号，然后检测交流电压信号是否经过零点。
这种应用方式在电力系统中广泛使用，用于直流电流的监测和保护。
3.高速通信：在高速通信系统中，过零比较器可以用于时钟信号的提取和恢复。
通过检测输入信号是否经过零点，过零比较器可以实现时钟信号的同步和调整，从而保证数据的准确传输。
4.传感器应用：过零比较器可以用于传感器信号的处理和解码。
传感器通常输出模拟信号，经过过零比较器的处理，可以将模拟信号转换为数字信号，实现传感器信号的数字化和处理。
5.控制系统：在控制系统中，过零比较器可以用于检测输入信号的变化，从而实现对系统的控制。
过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器
过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器过零比较器，单限比较器，滞回比较器，窗口比较器。
比较器是一种电子元件，用于比较两个电压的大小，并根据比较结果输出相应的信号。
在电子电路中，比较器被广泛应用于信号处理、控制系统和测量仪器等领域。
根据不同的比较功能和输出特性，比较器可以分为过零比较器、单限比较器、滞回比较器和窗口比较器。
过零比较器是一种常见的比较器，它的主要作用是检测输入信号是否穿过零点。
过零比较器通常用于交流信号的检测和处理，它可以将输入信号与零点进行比较，并输出相应的高低电平信号。
过零比较器的输出信号与输入信号的相位关系密切相关，可以用于判断输入信号的频率和相位信息。
单限比较器是一种简单的比较器，它只有一个比较阈值，当输入信号超过或低于这个阈值时，比较器将输出相应的高低电平信号。
单限比较器通常用于电压检测、开关控制和逻辑电路等应用中，它可以实现对输入信号的简单比较和判断，具有结构简单、使用方便的特点。
滞回比较器是一种具有滞回特性的比较器，它的主要作用是消除输入信号的噪声和干扰。
滞回比较器通常采用正反馈结构，当输入信号超过一定阈值时，比较器的输出将发生反转，并在一定时间内保持在反转状态，以消除输入信号的瞬时变化和波动。
滞回比较器可以有效提高系统的抗干扰能力，提高信号的稳定性和可靠性。
窗口比较器是一种具有上下限阈值的比较器，它的主要作用是检测输入信号是否在指定的范围内。
窗口比较器通常用于测量和控制系统中，它可以根据上下限阈值对输入信号进行比较，并输出相应的高低电平信号。
窗口比较器可以实现对输入信号的范围限制和判断，具有较高的灵活性和可调性。
总的来说，过零比较器、单限比较器、滞回比较器和窗口比较器都是常见的比较器类型，它们在电子电路和控制系统中都有着重要的应用。
不同类型的比较器具有不同的功能和特性，可以根据具体的应用需求选择合适的比较器类型，并结合其他电子元件和系统组件实现更复杂的功能和控制任务。
过零比较器原理
过零比较器原理
过零比较器是一种电路模块，主要用于检测电压波形的过零点。
其原理基于电压波形变化的方向和幅值，当电压波形的变化方向穿过零点时，输出信号将发生变化。
过零比较器的工作原理可以通过以下步骤来解释：
1. 输入信号电压通过一个电阻网络被分压，并与一个参考电压进行比较。
此时，参考电压通常被设置为零电平，因为我们是在检测波形的过零点。
2. 当输入信号电压低于参考电压时，比较器的输出将保持低电平；当输入信号电压高于参考电压时，比较器的输出将切换至高电平。
3. 当电压波形趋于过零点时，输入信号的电压将从正值降至负值（或从负值升至正值），此时比较器的输出将发生变化。
这样，比较器的输出信号就可以用来检测电压波形的过零点。
过零比较器常用于交流电路中，特别是需要检测波形的相位信息或进行零点触发的应用中。
它可以帮助我们在准确的时机进行触发和控制其他电路的操作。
TLV3501过零比较器电路设计
TLV3501过零比较器电路设计
本文以TLV3501 过零比较器电路设计为示例，简单为您讲解过零比
较器电路设计的方法与思路，希望对您设计比较器电路有所帮助。
过零比较器电路
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。
过零比较器电路
过零比较器电路设计方法与步骤：
下面自行设计过零电压比较器电路，反相输入端接地，同相输入端接1kHz、1V 正弦波信号，测量并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
设计下
(1) OrCAD 仿真
扫描设置与结果如下：
为了测量上升时间，对
上升时间为0.66us
(2) 搭建电路
信号源设置如下：
观察输出波形如下：
用Measure 测量该信号的上升时间为2.4us。
实验六 集成运放-电压比较器
实验六集成运放-电压比较器一、实验原理图1、电压比较器2、过零比较器Uo UiUR图一电压比较器Uo Ui图二过零比较器3、带回滞的过零比较器4、窗口比较器UoUR+UR-Ui Uo 图四窗口比较器二、实验内容及要点基本比较器电路为开环电路，对输入(U id=U i+-U i-)进行放大，其理论放大倍数为无穷大，在实验中由于直流电压的限制最大不超过±12V，加入稳压管可进一步对输出电压进行控制(-0.7orUz)。
过零比较器即将输入电压与零点位做比较，以图二为例当Ui由0-→0+，U6<0，左边稳压管导通，右边稳压管起稳压作用，U6=-0.7V-Uz；反之，当Ui由0+~0-时，U6=0.7V+Uz。
带回滞的过零比较器，为避免由于零点漂移的作用使输出不断从一个极限跳变到另一个极限，因此引入R2和Rf，产生一个门限电压Uth，使输入与之相比较。
如图三所示Uth=(R2/Rf+R2)U D。
注意由于U D存在U D+≠U D-，所以Uth+≠Uth-，即输出在变化过程中并非经原路返回。
本次实验要求完成过零比较器、反相回滞过零比较器。
三、实验结果记录1、过零比较器，输入Ui悬空时输出Uo的读数为7VUi为500Hz，2Vpp的正弦波，记录输入、输出波形及传输特性曲线。
2、反相回滞比较器输入Ui为-4.2V~+4.2V的直流信号，采用实验箱右上角的可调直流电源获得，调节该直流信号，当Ui由-4.2→+4.2，Uo发生跳变时Ui=0.67V；当Ui由+4.2→-4.2，Uo发生跳变时Ui=-0.68V。
当把Ui改为500Hz，2Vpp正弦波时，输入输出曲线及传输特性曲线如下图所示：四、思考题叙述窗口比较器的工作原理；当UR+=1V DC，UR-=-1V DC，Ui=3Vpp，500Hz 正弦波时，绘制其输入输出曲线及传输特性曲线。
工作原理如图四所示：当Ui>UR+时，D1左侧电压理论上为-∞，由于直流电压限制为-12V，D1导通，同理D2截至，因此Uo=-12+ VD1=-11.4V；当UR+>Ui>UR-时，D1、D2左侧电压理论上为+∞，由于直流电压限制为-12V，D1、D2截至，因此Uo=UR=12-12/10=10.8V；当Ui<UR-时，D2左侧电压理论上为-∞，由于直流电压限制为-12V，D2导通，同理D1截至，因此Uo=-12+ VD1=-11.4V。
模拟电路：7-5 电压比较器
10k
uO1
- uO2R A2
+
A3
+
uO3
±6V
10 0 -10 6 0 -6 ui
uO1 = ui ; uO3 = uO2
uO1 < 0 → uO3 = +6 V uO1 > 0 → uO3 = 6 V ui > 0 → uO3 = +6 V uO1 < 0→ uO3 = 6 V
t
uO3
t
模拟电路复习
如果运放没有限幅措施, 如果运放没有限幅措施, 输出电压的正向, 输出电压的正向,负向饱和值分别与 非线 运放的正,负电源电压近似相等. 运放的正,负电源电压近似相等. 性区 发生状态的转换. u+ = u 时,发生状态的转换.
+
u +- u 非线 性区
此时的输入电压称为"阀值电压" 此时的输入电压称为"阀值电压"或"门限电压",用UTH表 门限电压" 示. 虚断"特点: i 2,有"虚断"特点: = i = 0 , 3,电路结构特点: 电路一般工作在开环状态或引入正反馈. ,电路结构特点: 电路一般工作在开环状态或引入正反馈.
电压比较器的应用
越限报警, 数转换和产生 变换波形. 数转换和产生, 越限报警,模/数转换和产生,变换波形.
电压比较器的分类
过零比较器,单限比较器,滞回比较器, 过零比较器,单限比较器,滞回比较器,双限比 较器(窗口比较器) 较器(窗口比较器)
电压比较器的电路特点
运放处于开环状态或有正反馈. 运放处于开环状态或有正反馈.
三,迟滞比较器(施密特触发器) 迟滞比较器(施密特触发器)
过零比较器
实验五过零比较器
一、实验目的
了解过零比较器的原理及应用；
二、实验内容：
图5-1 电压比较器
如图5-1所示的电压比较器电路，参考电压VREF可以是正值也可以是负值。
当VREF=0，则输入电压Vi每次过零时，输出电压就要产生跳变。
这种比较器称为过零比较器。
图5-2 过零比较器
当输入信号Vi为一正弦波时，Vi每过零一次，比较器的输出V o将产生一次电压跳变，输入Vi，输出V o，经RC微分电路后的输出Vo’如下图所示：
图5-3输入Vi，输出Vo，经RC微分电路后的输出V o’波形图
三. 所需元件与设备：
传感器实验主板；比较器LM311（1个）；电阻：4.7KΩ（黄紫黑黑）×2，10KΩ（棕黑黑红）×2；电容：0.001uF×1（102）；跳线若干；
四.实验步骤:
（1）选择过零比较器实验模块；
（2）接通电源，Vi输入正弦波形，在DRVI中观测Vo和Vo’的输出波形。
五、实验总结
根据开环电压放大倍数无穷大的性能特点：
如果在运算放大器同相输入端加入一个交流信号，当交流信号越过零电压进入正半周的时候，输出端电压就会到达电源电压的正极。
每当交流信号越过零电压进入负半周的时候，输出端电压就会达到电源电压的负极。
因为输出端总是在输入端电压过零的时刻发生同相翻转，所以被称为同相过零比较器。
而反相过零比较器与上述过程正好相反。
6.电压比较器
图8.2.9滞回比较器电路
uO /V
± UZ ＝±9V
+9
U ＝ T
R
R 1
＋R
•U Z
0 -9
t
1
2
＝ 3V
电压比较器
8.2.4 窗口比较器
前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只 跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。
参考电压 UREF1 > UREF2
若 uI 低于 UREF2 ，运放 A1 输出低电平，A2 输出高电平，二 极管 VD1 截止，VD2导通，输出 电压 uO 为高电平；
击穿时，两个稳压管两端总的 的稳定电压为 UZ < UOM
当 uI < 0 时，不接稳压管时， uO= + UOM ，接入稳压管后，左 边的稳压管被反向击穿，集成 运放的反向输入端“虚地”， uO = + UZ ；
当 uI > 0 时，右边的稳压管 被反向击穿，uO = - UZ ；
uO +UOM +UZ
（2）写出up和uN的电位表达式，令up=uN ，解得输 入电压就是阈值电压UT。
（3） u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集 成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时，
uI<UT ,u0=U0H ; uI>UT ,u0=U0L 。 反之，结论相反。
电压比较器
[例1] 在下图（1）所示电路中，已知：UZ=±6V ，图（2） 电路中：R1= R2 =5kΩ ，基准电压UREF=2V ，稳压管的稳定 电压UZ=±5V ；它们的输入电压均为图示的三角波。试画出 相应电路的输出电压波形
即发生跳变。
当输入电压 uI 变化，使反相 输入端的电位为零时，输出端的
常见电压比较器分析比较
常见电压比较器分析比较电压比较器通常由集成运放构成,与普通运放电路不同的就是,比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。
只要在两个输入端加一个很小的信号,运放就会进入非线性区,属于集成运放的非线性应用范围。
在分析比较器时,虚断路原则仍成立,虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。
一、零电平比较器(过零比较器)电压比较器就是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较与鉴别的电路。
参考电压为零的比较器称为零电平比较器。
按输入方式的不同可分为反相输入与同相输入两种零电位比较器,如图1(a)、(b)所示图1 过零比较器(a)反相输入;(b)同相输入通常用阈值电压与传输特性来描述比较器的工作特性。
阈值电压(又称门槛电平)就是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值,简称为阈值,用符号UTH表示。
估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。
这个临界条件就是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零),即U+=U–。
对于图1(a)电路,U–=Ui, U+=0, UTH=0。
传输特性就是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。
画传输特性的一般步骤就是:先求阈值,再根据电压比较器的具体电路,分析在输入电压由最低变到最高(正向过程)与输入电压由最高到最低(负向过程)两种情况下,输出电压的变化规律,然后画出传输特性。
二、任意电平比较器(俘零比较器)将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压UR(设为直流电压),由于UR的大小与极性均可调整,电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。
图2 任意电平比较器及传输特性(a)任意电平比较器;(b)传输特性图3 电平检测比较器信传输特性(a)电平检测比较器;(b)传输特性电平电压比较器结构简单,灵敏度高,但它的抗干扰能力差。
也就就是说,如果输入信号因干扰在阈值附近变化时,输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变,可能使输出状态产生误动作。
过零比较器
一、过零比较器过零比较器，顾名思义，其阈值电压U T=0V。
电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+U OM或-U OM。
当输入电压u I<0V时，U O=+U OM；当输入电压u I>0V 时，U O=-U OM。
因此，电压传输特性如图(b)所示。
为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路，如右图所示。
★两只稳压管稳压值不同在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的U OH和U OL，如图（725）(a)所示。
图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压U OM。
设稳压管D Z1的稳定电压为U Z1，稳压管D Z2的稳定电压为U Z2，U Z1和U Z2的正向导通电压均为U D。
当u I<0时，由于集成运放的输出电压u/O=+U OM，D Z1使工作在稳压状态，D Z2工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OH=（U Z1+U D）当u I>0时，由于集成运放的输出电压u/O=-U OM，D Z2使工作在稳压状态，D Z1工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OL=-（U Z2+U D）★两只稳压管稳压值相同若要求，U Z1=U Z2则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，其符号如图(b)所示，稳定电压标为±U Z。
当u I<0时，u O=U OH=U Z；当u I>0时，u O=U OL=-U Z。
★稳压管接在反馈通路中限幅电路的稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，成运放必然工作在开环状态，输出电压不是+U OM，就是-U OM。
这样，必将导致稳压管击穿而工作在稳压状态，D Z构成负反馈通路，使反相输入端为“虚地”，限流电阻上的电流i R等于稳压管的电流i Z，输出电压u O=±U Z。
电路优点：◆由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级；◆由于集成运放并没有工作到非线性区，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。
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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。
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
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)。
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
6
误差分析： 1、仪器自身误差 2、读数误差 3、操作误差 4、信号源干扰
7
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 + _
XSC1 VCC -12V VCC
4
+ A _ + B _ Ext T rig + _
U1 2 R2 5.1kΩ 4 D1 1Z6.2 3
R1 10kΩ 5 XFG11 02 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
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
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
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
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。
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
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
（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