电压比较器课程设计论文

电子与通信工程学院

模拟电子技术课程设计报告

2014 ～ 2015 学年第1学期

单限电压比较器的设计

专业：电子信息科学与技术

班级：

学号：

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指导教师姓名：

指导教师职称：

2015年 1 月 20日

课程设计报告

【课题名称】单限电压比较器的设计

【摘要】电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。常用的电压比较器有过零比较器、单

限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。简单

的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我

们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗

口比较器。构成电压比较器的重要元件就是集成运算放大器。集

成运放是具有高放大倍数的集成电路。它的内部是直接耦合的多

级放大器，整个电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路

四部分。输入级采用差分放大电路以消除零点漂移和抑制干扰；

中间级一般采用共发射极电路，以获得足够高的电压增益；输出

级一般采用互补对称功放电路，以输出足够大的电压和电流，其

输出电阻小，负载能力强；偏置电路为其他三部分提供静态工作

点。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高

性能、低价位，在大多数情况下，已经取代了分立原件放大电路。【关键词】集成运放电压比较器特性曲线阈值电压

一、引言

电压比较器也是一种常用的模拟信号处理器。它将模拟量输入电压与参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。在自定控制及自动测量系统中，常常将比较器应用于越限报警、模拟转换以及各种非正弦波的产生和变换。

二、总体方案设计

1、设计要要求：设计一个单限电压比较器，要求可以根据要求设定0V～5V的

阈值（门限）电压，当输入电压等于阈值电压时，电路报警（声音或光）。完成设计方案和硬件制作，提交课程设计报告。

2、设计方案：本文采用LM393专用比较器芯片的集成电路，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。根据题目要求，设定门限电压在3V 的时候电路报警（发光）。利用继电器具有开关的作用，电路在高电平时继电器常开端口闭合，LED 灯发亮实现报警报警，

图1 电路原理图

三、设计原理分析

1 单限比较器原理分析

如图(a)所示为一般单限比较器，UREF 为外加参考电压。根据叠加原理，集成运放反相输入端的电位

（推导过程） )2/()/(122112R R U R R R R U U REF N +++=

令N U =P U =0，则求出阈值电压

当I U

U=UOH=+UZ；

U，所以u/o=+UOM,O

U

当I U>UT时，N

U，所以u/o=-UOM，O

U=UOL=-UZ。

U>P

若UREF<0，则图(a)所示电路的传输特性如图(b)所示。综上所述，分析电压传输特性三个要素的方法是：

通过研究集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平UOL 和输出高电平UOH；

写出集成运放同相输入端、反相输入端电位N

U=P

U，解

U的表达式，令N

U和P

得输入电压就是阈值电压；

U在I U过UT时的跃变方向决定于I U作用于集成运放的哪个输入端。

N

当I U从反相输入端输入时，I U

U=UOL。当I U从同

U=UOH；I U>UT，O

相输入端输入时，I U

U=UOH。

U=UOL；I U>UT，O

以上是一般单限比较器的原理，不同芯片，有不同的外围电路。

根据LM393的PDF,

LM393集成块内部装有二个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压

为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0.3~36V）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用，集电极开路输出，后面要加上拉电阻。

图2 芯片内部结构

2 报警模块原理分析

a.当比较器引脚输出高电平时，三极管饱和导通，+5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，继电器的常开触电闭合，相当于开关闭合。

b.当比较器的IO引脚输出低电平时，三极管截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管

IN4148释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管的保护作用。

四、具体电路实现

1、电路的参数设计

比较器模块：

芯片LM393

电阻R1、R2均为1KΩ

电容C1、C2均为10uF

可调电阻1、2分别为103、104

八个管脚的静态电压：1脚：4.95V 2脚3.04V 3脚0.44V 4脚0V 5脚0.57V 6脚0.53V 7脚0V 8脚 0.95V

报警模块：

电阻R1、R3分别为1KΩ、560Ω

三极管：9013

继电器：5VDC

2、原理图如下

图3.1比较器电路原理图