【任务描述】

（1）了解电压比较器的基本概念。

（2）了解简单电压比较器。

（3）掌握滞回比较器的传输特性及应用。

【知识学习】

一、电压比较器简介

电压比较器的功能是比较两个电压的大小，通过输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压的大小关系。电压比较器可以由集成运算放大器组成，也可用专用的集成电压比较器。电压比较器一般有两个输入端和一个输出端。其输入信号通常是两个模拟量，一般情况下，其中一个输入信号是固定不变的参考电压，另一个输入信号则是变化的信号电压。而输出信号只有两种可能的状态：高电平或低电平。我们可以认为，比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号则是数字量。因此，比较器可以作为模拟电路和数字电路的“接口”。它还是波形产生和转换的基本单元电路。

电压比较器中的集成运放通常工作在非线性区，满足以下关系：

当U+＞U-时，Uo=UOH；当U+＜U-时，Uo=UOL；当U+=U-时，UOL＜Uo＜UOH，输出状态不定，而只有U+=U-时，输出才能发生状态转变。

1.比较器的阈值

比较器的输出状态发生跳变的时刻，所对应的输入电压值叫做比较器的阈值电压，简称阈值，或叫门限电压，简称门限，用UTH表示。

2.比较器的传输特性

比较器的输出电压与输入电压之间的对应关系叫做比较器的传输特性。可用曲线表示，也可用方程表示。

二、简单电压比较器

简单电压比较器通常只含有一个运放，而且多数情况下，运放是开环工作的。它只有一个门限电压，所以又叫作单限比较器。图5.3.1是两个最简单的电压比较器，其中图（a）为反相比较器，图（b）为同相比较器。按照阈值的定义，可以求得这两个比较器的阈值UTH均为UR，UR是参考电压，它可以是正值、负值，也可以是零。当UR＞0时，它们的传输特性如图5.3.2所示。

图5.3.1　简单电压比较器

图5.3.2　简单电压比较器的传输特性

利用简单电压比较器，可以把正弦波或其他周期波形变换成同频率的矩形波或方波（方波是高电平持续时间与低电平持续时间相等的矩形波）。

【例5.3.1】如图5.3.1（a）所示电路中，输入电压uI为正弦波，画出UR＞0，UR＜0，UR=0时的输出电压波形。

解：由图5.3.1（a）可见阈值为UTH=UR

所以，当UR＞0时，为UTH＞0；当UR＜0时，当UTH＜0；当UR=0时，UTH=0。这三种情况下的输出电压波形如图5.3.3所示。

图5.3.3　例5.3.1图

由本例可以看出，改变参考电压UR，就会改变阈值UTH，从而改变输出电压波形的占空比（矩形波的高电平持续时间与其周期之比叫做矩形波的占空比）。

阈值为0的简单比较器又叫做过零比较器。

上例所示的比较器，其输出的高电平和低电平与运放的输出高电平和低电平相等。有时为了需要（如驱动数字电路的TTL电路），必须减小比较器的输出电压幅值。即在比较器的输出回路中设置限幅电路。

（1）输出电压限幅。

如图5.3.4（a）所示，R2和双向稳压二极管VDZ构成限幅电路，其输出高电平和低电平等于双向稳压二极管的正、负稳定电压U z和-U z。注意R2为限流电阻。如图5.3.4（b）所示，R2与稳压二极管VDZ及锗二极管VD3构成限幅电路，输出的高电平电平等于稳压二极管的稳定电压U z。输出低电平等于-UD。UD是锗二极管的正向导通电压，约为0.2 V。接入锗二极管的目的，一是使比较器的输出低电平更加接近于0，二是提高比较器的输出状态的跳变速度。

（2）输入电压限幅。

图5.3.4（a）、（b）中VD1和VD2组成输入保护电路。集成运放有一项技术指标称为最大差模输入电压，是两输入端允许加入的最大电压差值，若超过则会损坏集成运放，为此通常在输入端并联一对反接的二极管VD1和VD2，使运放两输入端之间的差模输入电压限制在±0.7 V以内。

图5.3.4　具有输入保护和输出限幅的电压比较器

三、滞回比较器

图5.3.5　噪声干扰对简单比较器的影响

简单电压比较器结构简单、灵敏度高，但它的抗干扰能力差，如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，输出电压将发生跳变。用此输出电压控制电机等设备，将出现错误操作。图5.3.5所示为噪声干扰对简单比较器的影响。

滞回比较器能克服简单比较器抗干扰能力差的缺点，具体电路如图5.3.6所示。

滞回比较器具有两个阈值，可通过电路引入正反馈获得。可见，和简单比较器相比，滞回比较器一般引入正反馈。

图5.3.6　滞回比较器

1.同相滞回比较器

同相滞回比较器如图5.3.6（a）所示。

（1）阈值。

输出电压发生跳变的临界条件为：

当u+=u-时所对应的uI值就是阈值

当uo=UOL时得上阈值

当uo=UOH时得下阈值。

（2）传输特性。

设UR=0，传输特性以纵轴对称，由阈值可画出其传输特性。假设uI为负电压，此时u+＜u-，输出为UOL，对应的阈值为上阈值UTH1。如UI逐渐使上升，只要uI＜UTH1，则输出uo=UOL将不变，直到uI≥UTH1时，u+≥u-，使输出电压由UOL突跳至UOH，对应其阈值为下阈值UTH2。uI再继续上升，u+＞u-关系不变，所以输出uo=UOH不变。之后uI逐渐减少，只要uI＞UTH2，输出仍维持不变，直至时uI≤UTH2，u+≤u-，输出再次突变，由UOH下跳至UOL，如图5.3.7（a）所示。

图5.3.7　滞回比较器的传输特性（UR=0）

2.反相滞回比较器

反相滞回比较器如图5.3.6（b）所示。

（1）阈值。

当uo=UOH时得上阈值

当uo=UOL时得下阈值

（2）传输特性。

设UR=0，传输特性以纵轴对称，由阈值可画出其传输特性。改变UR就可改变阈值，从而改变了传输特性，如图5.3.7（b）所示。

3.举　例

【例5.3.2】指出，图5.3.8中各电路属于何种类型的比较器，并画出相应的传输特性。设集成运放UOH=12 V，UOL=-12 V，各稳压管的稳压值Uz=6 V，VDZ和VD的正向导通压降UD=0.7 V。

图5.3.8　例5.3.2图

解：

（a）图5.3.8（a）是一个简单同相电压比较器（开环）。

因为i+=i-=0，所以可利用叠加原理求得(www.daowen.com)

而u-=0，则有

（b）图5.3.8（b）是一个反相简单比较器，或反相过0比较器，UTH=0。

当ui＜0，U0应为12 V，此时VDZ导通，使得输出UOH=0.7 V；当ui＞0，U0应为-12 V，此时VDZ反向击穿，起到稳压作用，使得输出UOL=-6 V。

图5.3.8（c）是反相滞回比较器。

上阈值：当uI较低，小于9 V时，或由小增大时，输出为12 V，此时VD截止，可视为开路。在此情况下，运放相当于开环工作。当uI大于9 V时，输出变为-12 V。

UTH1=UR=9（V）

下阈值：当uI较高，大于9 V时，或由大减小时，输出为-12 V，此时VD导通，可视为短路.

图5.3.9　例5.3.2波形图

综上所述，滞回比较器能克服简单比较器抗干扰能力差的缺点。具体如图5.3.10所示

图5.3.10　滞回比较器抗干扰能力优于简单比较器

【任务实施】

实训5.3.1　对由运放器组成的电压比较器传输特性的研究

1.实训目的

（1）掌握电压比较器的电路构成及特点。

（2）掌握比较器的使用方法。

二、实训电路与工作原理

1.电压比较器

电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量（电压信号）和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。

图5.3.11为一个最简单的电压比较器电路图，UR为参考电压，加在运放的同相输入端。输入电压ui加在反相输入端（虚线部分暂不考虑）。

（1）当ui＜UR时，由于R01=R02，这样便有i01＜i02。而反馈回路开路，运放器放大倍数极大（大于105），这将使运放器输出升至饱和值，由于输出电路有正向限幅，输出电压uO即稳压管其限幅值uZ=8.2 V。

（2）当ui＞UR时，则运放器迅速升至负饱和值，由于稳压管反向限幅，输出电压uO便为稳压管的反向限幅值-uZ=-8.2 V。

（3）当ui变化时，uO跟随ui变化的关系uO=f（ui）称为传输特性，此曲线的突变转折点便是基准参考电压的值UR。

在常用的电压比较器中，有过零比较器和具有滞回特性滞回比较器。

图5.3.11　电压比较器电路及传输特性

2.过零比较器

图5.3.12（a）为过零比较器电路图，图中反馈回路开路，正相输入端接地（以0 V为参考电压），输入电压±5 V电源经电位器RP调节供电，使ui在±0 V左右调节，输出端经5.1 kΩ限流电阻输出。输出电压受双向稳压管（±8.2 V）限幅后，稳压输出电压为±uZ，uZ为双向稳压管的稳压值。

图5.3.12　过零比较器电路图及传输特性曲线

3.滞回比较器

上面所介绍的比较器，在参考电压UR（以称门限电压）处（不论UR是否是零），输入电压ui，若有微小干扰，运放器电路就会翻转，这不利于系统稳定。为了克服这个缺点，常用的方法就是从输出处引入一个正反馈回路（反馈电阻为Rf），引至正相输入端，见图5.3.11（a）中的虚线。

引入正反馈后，UT端的电位再也不单是参考电位UR了，这时UT的电位为UR与uO两个电源的同时作用的迭加。其等效电路如图5.3.13（b）所示。

图5.3.13　积分运算在不同输入情况下的波形

由5.3.13（b）图可见，应用叠加定理有：

（1）当ui很小时，运放器正相输入端电压起主导作用，运放器输出至最大值，即UO=UOH=UZ，又由于设置了正反馈电路，UO会增加了UT的数值，这时Ui需要增至较UR更高的电压（UT+），才能使电路翻转。这时

（2）当Ui＞UT+后，由于Ui为反相输入端输入，电路将翻转至负限幅值，UO=UOL=-UZ。这时UT的电位为：

若要使电路再翻转，Ui必须减少到Ui＜Ui-，由此可得到如图5.3.13（c）所示的滞回的传输特性。图中UT+称为上门限，UT-称为下门限。

（3）两者的差△U称为门限宽度或回差电压，于是有：

若UOH=+UZ，UOL=-UZ代入上式则有：

由式⑤可见，改变R1或RO2［图5.3.11（a）］即可调节△U，△U越大，比较器抗干扰能力越强，但分辩率变差。

在图5.3.11（a）中，若将UR与Ui互换，也是可以的，只是UT+与UT-数值将会改变。

三、实训设备

（1）装置中的可调稳压电源、±12 V直流电源、数字万用表、±5 V电源、双踪示波器。

（2）单元：AX9（AX9模块中有两只、10K电位器）、VS3（8.2 V）、R05、R06、R15。

四、实训内容与实训步骤

（1）按图5.3.12完成接线。将示波器探头接在负载RL两端。

（2）调节RP，在表5.3.1中记录下输入电压的数值与输出电压的幅值与波形。

表5.3.1　过零比较器传输特性

（3）按图5.3.11完成接线，并将虚线部分接入，其中R1取100 kΩ。

（4）调节RP2使UR=+2.0 V。然后调节RP1，使ui由1.0 V逐渐加大到3.0 V。记下滞回比较器翻转时的输入电压值UT-及UT+。记录下输入电压的数值与输出电压的幅值与波形。

（5）将R1改为R1=47 kΩ；并调节RP2，使UR=0；以幅值UiPP=5 V，f=200 HZ的正弦信号，作为ui的输入信号，用双踪示波器记录输入ui及输出uO的电压波形。

表5.3.2　滞回比较器传输特性

五、实训注意事项

（1）用双踪示波器同时检测输出与输入电压波形时，Y1和Y2的两个探头的“地”端要接同一个检测点（此处即为地线）。

（2）实训时，为使输出波形更典型，可适当调节输入信号的频率（当然，在实际中，通常是改变输入和输出回路元件的参数来实现的）。

六、实训报告要求

（1）由表5.3.1数据，画出过零比较器的传输特性曲线uO=f（ui）。

（2）由表5.3.2数据，画出滞回比较器的传输特性曲线uO=f（ui）。

（3）画出实训步骤五所采用的线路。并上下对照画出输入电压与输出电压波形图。

（4）比较上述三种情况有什么共同处。