实验十 电压比较器及波形发生电路

实验原理 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u i 和另一参考电压U R 进行比较，在u i >U R 和u i <U R 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u I 与参考电压零进行比较。如图 10-1（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（A od =∞，I IB =0，U IO =0）考虑时，则集成运 放开环工作时， 当 u i > 0 时， u o 为低电平 u i < 0 时，u o 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U om
uo
UZ
ui
R1 10k
-
A1
+
R4 5.1k 100k R3
0
uo
±6V
U TH2
UTH1 -UZ
uI
R2
10k
（a） 电路图
（b） 电压传输特性曲线 图 10-2 反相滞回电压比较器
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 10-1（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，u o 会从一个 电平跳变为另一电平，称 0 为过零比较器的阀值。阀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 10-2（b）所示。 输出电平由高电平 （U Z ） 曲线表明， 当输入电压由低向高变化， 经过阀值U TH1 时， 。 跳变为低电平（-U Z ）
实验十
电压比较器及波形发生电路
实验目的 1．掌握电压比较电路的分析及计算。 2．学会测试比较器的方法。 3．掌握波形发生电路的结构特点和分析、计算、测试方法。 4．熟悉波形发生器的设计方法。
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 预习要求 1．复习电压比较器的工作原理。 2．计算图 10-1、10-2 和 10-3 实验电路的阀值，画出各电路的电压传输特性曲线。 3．分析 10-1、10-2 和 10-3 各实验电路，画出当输入为正弦波时的输出波形图。 4．分析图 10-4 电路的工作原理，并根据电路参数画出输出u o 和u c 的波形。 5．图 10-5 电路如何使输出波形占空比变大？画出电路原理图。 6．根据实验内容自拟实验数据记录表格。 预习报告 计算图 10-4 中输出电压u o 的周期，并说明图 10-5 电路如何使输出波形占空比变大？
U TH1 R 2UZ R2 R3
R 2 U Z R2 R3
当输入电压从高向低变化经过阀值U TH2 时，输出电压由低电平跳变为高电平，
U TH 2
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 波器监视输出和输入波形，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以用同样的方法，但在示波器上读取上、下阀值时， 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阀值。 非正弦波产生电路，一般由电子开关（电压比较器） ，外加反馈网络构成闭环电 路形成。常用的波形发生电路有方波、三角波、锯齿波发生器等。
R
C 0.1μ
uc u-
1
10k A +
R P 100k R4 5k1 R3 10k
uo
±U z ±6V
R2 10k
u+
图 10-4 方波发生器 该方波发生器输出的方波振荡周期
T 2R 1C ln(1 2R 2 ) R3
5．占空比可调的矩形波发生电路 通常将矩形波高电平的时间与周期时间之比称为占空比。方波的占空比为 50%。 如果需要产生占空比小于或大于 50%的矩形波， 则应设法使方波发生电路中电容的充 电时间常数与放电时间常数不相等。图 10-5 电路中利用二极管的单向导电性可以构 成占空比可调的矩形波发生电路。
{
RW
100k
uo
uo
±6V
T1
0
T
t
T1
T

R W R 1 R W 2R 1
R3 5k1
uo1
R4 10k
0.1μ + A2
uo
图 10-6 三角波发生电路
到更低的值（比零低很多） 。在u o1 变为-U Z 后，电容放电，u o 按线性规律逐渐上升， 当u o 上升到一定程度，使A 1 的u + 略大于 0 时， u o1 又从-U Z 变回U Z ，使电路回到初始 状态。如此周而复始，产生振荡，电路产生三角形。 周期 振荡幅度
而同时U Z 通过R 1 向C充电，u c 由零逐渐上升，当u c > u + 时， u o 从U Z 跳变为 - U Z ，则
u
R2 ( U Z ) R2 R3
同时，电容C通过R 1 放电，使u c 逐渐下降，小于u + 时，u 0 又跳变为U Z ，回到初始状 态，如此周而复始，产生振荡，输出方波。
T 4R 1 R 4 C R2 R1 UZ R2
U om
7．锯齿波发生电路 锯齿波与三角波的区别是，后者上升和下降的斜率相等，而前者上升和下降的斜 率不相等（通常相差很多） 。因此，只要使三角形产生电路中的电容的充电与放电回 路不同，便可得到锯齿波发生电路。 参照实验电路图 10-7。 实验内容 1．过零比较器 （1）连接图 10-1（a）实验电路，检查无误后，接通±12V 直流电源。 （2）测量当 u i 悬空时，u o 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u i 端， 用示波器观察比较器的输入u i 与输出u o 波形并记录。 （3）改变信号发生器的输出电压u i 幅值，用示波器观察u o 变化，测出电压传输特性 曲线。 2．反相滞回比较器 （1）连接图 10-2（a）所示实验电路，接通直流电压源，测出u 0 由高电平变为低电平 时的阀值。 （2）同上，测出u o 由低电平跳变为高电平时的阀值。 并使之输出频率为 500Hz， 电压有效值为 1V的正弦信号， （3） 将信号发生器接入u i ， 用示波器观察并记录u i 和u o 波形。 3．同相滞回比较器 （1）连接图 10-3 所示实验电路，参照反相滞回比较器的测试方法自拟实验步骤及方 法。
uo
ui
R1 10k
-
A1
+
R2 5.1k
UZ
uo
±6V ± UZ
0 -UZ ui
（a）电路图
（b）电压传输特性 图 10-1 过零比较器
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 10-2 所示。 u i 为信号电压，U R 为参考电压值，输出端的稳压管使输出的高低电平值为±U Z 。可 以看出，此电路形成的反馈为正反馈电路。
C
+
A1 R2
R1
{
10k RP
10k ±6V ±U Z R5 10k
设电路刚加电时，电容两端的电压等于 0。 若u o1 =U Z ，则积分电路中的电容充电，u o 按线性规律下降，当u o 下降到零以后 再下降到一定程度，使A 1 的u + 略低于u - (0)时，则u o1 从+U Z 跳变为-U Z ，同时u + 也跳变
4．方波发生器 电路如图 10-4 所示，集成运放和电阻R 2 、R 3 、R 4 构成滞回电压比较器，作为电 子开关使用，R 1 、C相串联作为具有延迟作用的反馈网络，整个电路是一个闭环电路。 设电路刚加电时，u c =0 ，且滞回比较器的输出电压为U Z ，则集成运放同相输入端此 时的电位为
u R2 (U Z ) R2 R3
C D1
-
A1
+
R3
5k1
U o1
1N4148
RP
100k
-
0.1
A2
+
D2
1N4148 ±6V
Uo
R2 R1
10k 10k
R4
10k
图 10-7 锯齿波发生电路 实验报告 1．整理实验数据及波形图，并与理论分析结果比较。 2．总结几种比较器的特点。 3．分析误差产生的原因，思考波形信号的产生受哪些因素的影响。
R1 10k
-
A1
+
R4 5.1k 100k R3
uo
±6V
ui
R2 10k
图 10-3 同相滞回电压比较器 （2）将实验结果与反相滞回比较器的理论分析结果进行比较，分析误差产生原因。 4．方波发生电路 ①按图 10-4 连接电路，检查无误后，接通电源。 ②调整电位器R P ，输出波形从无到有，用示波器观察u c 、u o 波形，测量频率。 ③分别测出R 1 =10kΩ、R 1 =110kΩ时，输出波形的频率，输出幅值。 ④调节电位器R P ，使输出电压u o 的输出幅度最大且不失真，用毫伏表测量电压u o 、反 馈电压u + 和u - ，分别研究振荡的幅值条件。 5．占空比可调的矩形发生电路 ①按图 10-5 电路接线，检查无误后，接通电源。 ②调节电位器R P ，使电路产生的波形从无到有，并用示波器观察u o 、u c 的幅度及频率 变化情况。把R W 的动点调节到最上、最下位置，测出频率范围，记录之。 ③将电位器R P 调节至中心位置，将一只稳压管短接，观察u o 的波形，分析二极管的限 幅作用。 ④若要使占空比更大，应如何选择电路参数并用实验验证。 6．三角波发生电路 ①按图 10-6 电路接线，检查无误后，接通电源。 ②改变R P ，用示波器观察频率如何变化？按预习方案分别实验并记录。 7．锯齿波发生电路 ①按图 10-7 电路接线，检查无误后，接通电源。 ②将R P 调至最上和最下（要求有波形输出）位置，测量频率变化范围。
D1 R1 1k D2
1N4148 RW
uc
0.1μ
C
A1 +
R4
R3
RP R 2{ 10k 10k
5k1
Hale Waihona Puke Baidu
图 10-5 占空比可调的矩形波发生电路 该电路发生的矩形波振荡周期
T (R W 2R1 )C ln(1 2R 2 ) R3
占空比
调节电位器R W 可使输出矩形波的占空比变化。 6．三角波发生电路 上述方波发生器中u c 的波形近似三角形，但其线性度比较差。图 10-6 电路可以 产生线性度比较高的三角波，它包含两部分电路，前一部分为滞回电压比较器，后一 部分为积分电路。