实验十集成运放基本应用之三——电压比较电路
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一、实验目的
1、掌握比较器的电路构成及特点
2、学会测试比较器的方法
二、实验原理
1、图1所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，输入电压Ui加在反相输入端。
图1（b）为（a）图比较器的传输特性。
(a) 图1 电压比较器 (b)
当Ui<UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。
输出端电位被其箝为在稳压管的稳定电压Uz，即：Uo=Uz。
当Ui>UR时，运放输出低电平，Dz正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即：Uo=-UD。
因此，以UR为界，当输入电压Ui变化时，输出端反映两种状态。
高电位和低电位。
2、常用的幅度比较器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器（又称Schmitt触发器）、双限比较器（又称窗口比较器）等。
(1)、图2过零比较器
D1D2为幅稳压管。
信号从运放的反相端输入，参考电压为零。
当u1>0时,u0=-(Uz+U D),当u1<0时，u0=+（Uz+U D）
(a) 图2 过零比较器(b)
(2)、图3为滞回比较器。
过零比较器在实际工作时，如果Ui恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在，Uo 将不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，对执行机构将是很不利的。
为此就需要输出特性具有滞回现象。
如图3所示：
(a) (b)
图3 滞回比较器
从输出端引入一个电阻分压支路到同相输入端，若Uo 改变状态，U∑ 点也随着改变点位，使过零点离开原来位置。
当Uo 为正（记作U D ）U∑=[ R2/（R2+ R f ）]* U D ，则当UD> U∑后,Uo 再度回升到UD，于是出现图（b）中所示的滞回特性。
- U∑ 与U∑ 的差别称为回差。
改变R2 的数值可以改变回差的大小。
三、实验设备与器件
1、±12V直流电源
2、直流电压表
3、函数信号发生器
4、交流毫伏表
5、双踪示波器
6、运算放大器μA741×2
7、稳压管2CW231×1 8、二极管4148×2
9、电阻器等
四、实验内容
1、过零电压比较器
（1）如图5所示在运放系列模块中正确连接电路，并接通±12V电源。
图5 过零比较器
（2）测量当Ui 悬空时，Uo 的值。
（3）调节信号源，使输出频率为500Hz，峰峰值为2V 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，测出电压传输特性曲线。
实验得 Ui 悬空时， Uo=6.667V ；
Ui 与输出Uo 波形（输入峰峰值为10V）
Ui 与输出Uo 波形（输入峰峰值为2V）
Ui 与输出Uo 波形（输入峰峰值为1V）
由以上三图可得传输特性曲线为
分析：
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6V，但实际测出的电压输出值
6.667V，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，约为0.7V），因而实际测量值略高于稳压管的稳压值。
2、反相滞回比较器
（1）如图6所示正确连接电路，打开直流开关，U i接（+5/-5）V，以双踪示波器同时观察U i, Uo的直流电位，细心调节U i电压，测出Uo由+Uomax跳变为-Uomax时U i的临界值，此为下门限电平。
（2）同上，测出测出Uo由-Uomax跳变为+Uomax时U i的临界值，此为上门限电平。
（3）U i接500Hz，峰峰值为2V的正弦信号，用双踪示波器观察U i—Uo波形。
（4）将分压支路100k欧电阻改为200k欧，重复上述实验，测定传输特性
图6 反相滞回比较器
上门限电平（U i/V）下门限电平（U i/V）分压支路100K电阻0.599 -0.594
分压支路200K电阻0.318 -0.307
理论值（100K）
（U
i =R2Uz /（R2+R3））
0.609 -0.609
理论值（200K）
（U
i =R2Uz /（R2+R3））
0.319 -0.319 误差（100K） 1.64％ 2.46％误差（200K）0.33％ 3.76％
Ui 与输出Uo 波形（200K Uo=6.658V）
其电压传输特性如下图所示（100K）
分析：
集成运放的反向输入端电位U N=Ui，同向输入端电位U P=R2Uz/(R2+R f)，令
U N=U P 得到阈值电压± U TH=± R2Uz/(R2+R f)。
假设Ui< -U TH，那么U N 一定小于U P，因而Uo=+Uz，所以U P=+U TH。
只有当输入电压Ui 增大到+ U TH，再增大
一个无穷小量时，输出电压Uo 才会从+ U TH 跃变为-U TH。
同理，假设Ui>-U TH，那么U N 一定大于U P，因而Uo=- Uz，所以U P=-U TH。
只有当输入电压Ui 减小
到-U TH，再减小一个无穷小量时，输出电压Uo 才会从-U TH 跃变为+U TH。
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7 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）参照2，自拟实验步骤及方法
（3）将结果与2比较
图7 同相迟滞比较器
由实验可得 （Rf=100K，Uz=6.7V）
上门限电平（U i/V）下门限电平（U i/V）反相迟滞比较器 0.599 -0.594
同相迟滞比较器 6.497 -6.509
理论值（同相）
（U
i =R1Uz /Rf）
6.7 -6.7 误差3.03％ 2.85％
Ui 与输出Uo 波形（100K Uo=6.707V）
其电压传输特性如下图所示
分析：
集成运放的反向输入端电位U N=0，阈值电压± U TH=± R1Uz/R f。
假设Ui< -U TH，那么U N 一定大于U P，因而Uo=- Uz，当输入电压Ui 增大到+ U TH，再增大一个无穷小量时，输出电压Uo 才会从-U TH 跃变为+U TH。
同理，假设Ui>U TH，那么U N一定小于U P，因而Uo=+Uz，当输入电压Ui 减小到-U TH，再减小一个无穷小量时，输出电压Uo 才会从+U TH 跃变为-U TH。
所以得到如上图所示的电压传输特性曲线。
五、实验总结
1、过零比较器
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，一个是待测电压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。
2、迟滞比较器
迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。
在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。
由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。
它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。
3、窗口比较器
电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成，电路及传输特性图如图。
高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。
低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。
该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。
比较器应用：
可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。