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实验报告课程名称：电路与电子技术实验指导老师：__张伟___成绩：____________实验名称：电压比较器及其应用实验实验类型：_EDA_同组学生姓名：_____一、实验目的和要求二、实验内容和原理三、操作方法和实验步骤四、实验数据记录和处理五、实验结果与分析一、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(1)过零电压比较器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。(2)滞回电压比较器自行设计反相输入（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。(3)窗口电压比较器自行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。三、实验原理1.比较器电压比较器（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。常见的比较器电路有过零比较器、门限比较器、滞回比较器、窗口比较器和三态比较器等。比较器的输出级主要有开路输出和推挽式输出两种输出电路结构。集电极开路集电极/发射极开路漏极开路(1)集电极开路输出：集电极开路输出比较器的电路结构如图8-9-2所示。TI公司的集专业：自动化姓名：丁俐夫学号：_3140104040日期：_2016.03.16地点：紫金港东3-406装订线电极开路输出比较器产品有LM339、LM393、LMV331等。集电极开路的比较器在使用时，需要外接上拉电阻R_PLL，上拉电阻与逻辑电源Vs+相连，逻辑电源的电压值，决定了比较器的可输出电压值。采用集电极开路输出的比较器可与各种逻辑器件系列连接，并可实现线与逻辑。(2)集电极/发射极开路输出：集电极/发射极开路输出比较器的电路结构如图8-9-3所示。TI公司的集电极/发射极开路输出比较器产品有：LM311、LP311等。集电极/发射极开路输出的比较器均需要外接上拉或下拉电阻R_PLL，采用上拉电阻与逻辑电源Vs+相连或采用下拉电阻与逻辑电源Vs-相连，逻辑电源的电压值，决定了比较器的可输出电压值。采用集电极开路输出的比较器可与各种逻辑器件系列连接，并可实现线与逻辑。(3)漏极开路输出：漏极开路输出比较器的电路结构如图8-9-4所示。TI公司的漏极开路输出比较器产品有：TLC393、TLV3401、TLV2302、TLV3011等。漏极开路输出的比较器均需要外接上拉电阻R_PLL，采用上拉电阻与逻辑电源Vs+相连，逻辑电源的电压值，决定了比较器的可输出电压值。采用集电极开路输出的比较器可与各种逻辑器件系列连接，并可实现线与逻辑。推挽式(4)推挽式输出：推挽输出的比较器电路结构如图8-9-5所示。推挽输出不需要外接上拉电阻器，其输出逻辑电平取决于比较器的电源电压。TI公司的推挽式输出比较器产品有：TL714、TLV3501、TLV3401、TLV2702、TLV3012等。2.基本比较器电路比较器的基本电路类型有：过零电压比较器、单门限比较器、正基准电压的单电源比较器，电流加法比较器，滞回电压比较器等。(1)过零电压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。(2)迟滞比较器迟滞比较器又称为滞回比较器或施密特触发器，迟滞比较器可理解为加正反馈的单限比较器。U1LM311DB/STBVS+BALVS-23487561VCC5VVEE-5VR110kΩXSC1ABExtTrig++__+_XFG1VrefVin四、操作方法和实验步骤1.过零电压比较器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。设计下图电路(1)OrCAD仿真扫描设置与结果如下VCC5VR52kΩVinVref1VR210kΩVinVrefVoutU1ALM339D763112R3100kΩXSC1ABExtTrig++__+_VEE-5VR110kΩ为了测量上升时间，对图像局部放大上升时间为0.66us(2)搭建电路信号源设置如下Time0s0.2ms0.4ms0.6ms0.8ms1.0ms1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0ms2.2ms2.4ms2.6ms2.8ms3.0ms3.2ms3.4ms3.6ms3.8ms4.0ms4.2ms4.4ms4.6ms4.8ms5.0msV(V3:+)V(U1A:OUT)-12V-8V-4V0V4V8V12V16VTime500.280us500.320us500.360us500.400us500.440us500.480us500.520us500.560us500.600us500.640us500.680us500.720us500.760us500.800us500.840us500.880us500.920us500.960us501.000us501.040us501.080us501.120us501.160usV(V3:+)V(U1A:OUT)-10.00V-5.00V0V5.00V10.00V-13.05V12.75V观察输出波形如下用Measure测量该信号的上升时间为2.4us2.滞回电压比较器自行设计反相输入（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。扫描设置与结果如下调节分压后可以改变迟滞时间，结果如下(2)搭建电路观察输出波形如下Time0s0.2ms0.4ms0.6ms0.8ms1.0ms1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0ms2.2ms2.4ms2.6ms2.8ms3.0ms3.2ms3.4ms3.6ms3.8ms4.0ms4.2ms4.4ms4.6ms4.8ms5.0msV(R3:2)V(R1:2)-12V-8V-4V0V4V8V12VTime0s0.2ms0.4ms0.6ms0.8ms1.0ms1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0ms2.2ms2.4ms2.6ms2.8ms3.0ms3.2ms3.4ms3.6ms3.8ms4.0ms4.2ms4.4ms4.6ms4.8ms5.0msV(R3:2)V(R1:2)-12V-8V-4V0V4V8V12V传输特性曲线为同相端口不再零点发生跳变，而是在输入电压设定的正值变化，下降后又随着设定的幅值变化，滞回输出电平的变化也和正向端一致。通过调节分压可以调节滞回程度。3.窗口电压比较器自行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。结果如下(2)搭建电路Time0s0.2ms0.4ms0.6ms0.8ms1.0ms1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0ms2.2ms2.4ms2.6ms2.8ms3.0ms3.2ms3.4ms3.6ms3.8ms4.0ms4.2ms4.4ms4.6ms4.8ms5.0msV(R3:1)V(U1A:OUT)-12V-8V-4V0V4V8V12V16V接线图如下图所示观察输出波形如下传输特性曲线为五、实验结果分析比较器的一大优点是不需要调零，因为输出电压取决于净输入电压Up－Un。两个输入端电阻也不要求对称，因为电压比较器工作在非线性区，输出的只有高电平或低电平两个电压，不像比例运算电路等，为了提高运算精度而要输入端的电阻对称。而且电压比较器可能还会引入正反馈。估计输出电平高低的方法是看输出电压是高电平还是低电平，如果是高电平，则UpUn；低电平，则Up0时，Uo=－Uom。而同相过零比较器则刚好相反。反相滞回比较器有两个阈值电压由小变大通过输出电压变为低电平，而由由大变小通过UT1时，输出电压变为高电平。同相滞回比较器也有两个阈值电压，而特性刚好与反相滞回比较器相反。上学期应用于小车实验中的PWM电路是比较器的一个应用，把门限电压设计成一个可调电阻的分压，可以实现方波占空比的比例调节。占空比与门限电压呈一次函数的关系，且门限电压大，占空比相应越小。应用这种函数关系我们可以生成可均匀调节的矩形波电压，用以设计PWM。