东南大学模电实验比较器

东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：模拟电子电路实验第次实验实验名称：比较器电路院（系）：电气工程学院专业：姓名：学号：实验室:实验组别：同组人员：实验时间：年月日评定成绩：审阅教师：反相输入单门限比较器实验六比较器电路一、实验目的1、熟悉常用的单门限比较器、迟滞比较器、窗口比较器的基本工作原理、电路特性和主要使用场合；2、掌握利用运算放大器构成单门限比较器、迟滞比较器和窗口比较器电路各元件参数的计算方法，研究参考电压和正反馈对电压比较器的传输特性的影响；3、了解集成电压比较器LM311的使用方法，及其与由运放构成的比较器的差别；4、进一步熟悉传输特性曲线的测量方法和技巧。二、实验原理1、单门限电压比较器分同相输入和反相输入两种，电路结构和传输特性曲线如下图所示反相输入单门限比较器同相输入单门限比较器传输特性曲线窗口比较器电路传输特性曲线2、窗口比较器电路如上图所示，它由同相比较器A1、反相比较器A2及二极管D1，D2组成。该电路功能是，可以判别输入电压Vi是否介于下参考电压VRL与上参考电压VRH之间(所谓的窗口)。如果VRL＜ViVRH，比较器的输出电压Vo为反向最大输出电压-VOM，如果ViVRL或ViVRH，则输出电压Vo将等于运放的正向最大输出电压VOM，窗口比较器广泛用于电平检测和报警普通运放作为电压比较器运用时，由于运算放大器转换速率的限制，仅适合于对输出翻转速度要求不太高的场合，如果对输出翻转速度要求比较高可选择集成电压比较器。3、集成电压比较器比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数字电路；集成电压比较器的输出方式分为普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出三种情况。LM311为集电极（或漏极）开路输出，必须在输出端接一个电阻至电源才能正常工作。下图为LM311作为单门限电压比较器的典型电路，其中RPU为上拉电阻。三、预习思考1、用运算放大器LM741设计一个单门限比较器，将正弦波变换成方波，运放采用双电源供电，电源电压为±12V，要求方波前后沿的上升、下降时间不大于半个周期的1/10，请根据LM741数据手册提供的参数，计算输入正弦波的最高频率可为多少。答：查询LM741数据手册，可得转换速率为0.5V/μS，电源电压±12V时最大输出摆幅为±10V左右，计算可得输出方波的最大上升时间为40μS，根据设计要求，方波前后沿的上升、下降时间不大于半个周期的1/10，计算可得信号最大周期为800μS，即输入正弦波的最高频率为1.25KHz。2、画出迟滞比较器的输入输出波形示意图，并在图上解释怎样才能在示波器上正确读出上限阈值电平和下限阈值电平。答：上图为示波器正确读取反向迟滞比较器上限阈值电平和下限阈值电平的示意图，具体步骤下：输入正弦波从示波器CH1接入，输出方波信号从示波器CH2接入两个通道接地，调整将两个通道的零基准线，使其重合两个通道都选择直流耦合，在示波器上显示输入输出波形打开示波器的游标功能，通道选择“CH1”，功能选择“电压”，调出两条水平游标线，并分别移动到输入正弦波和方波的交点位置，如上图红线所示从图中可以看出，输入信号不断的增加，当增到游标A的位置时，输出翻转为高电平；输入信号继续变化，此时输出不变；输入增到最大值后逐渐降低，当降到游标B的位置时，输出翻转为低电平。此时游标A位置的读数即是上限阀值电平，游标B位置的读数即是下限阀值电平。2）LM311构成单门限电压比较器四、实验内容1、单门限电压比较器：(I)用LM741构成一个单门限电压比较器，基准电平为0V，要求输出高低电平为±6V，供电电压为±12V，输入频率为１KHZ的正弦波，用示波器观察输入、输出信号波形，并用坐标纸定量记录（提示：可以使用稳压管）。1）基准电平0V时单门限比较器输入、输出信号波形图(f=1khz)2）限电压比较器实验数据列表（频率）输入信号输出信号幅度频率基准电压周期峰峰值上升时间下降时间高电平低电平幅度宽度幅度宽度2.86v1.001k01ms14.8v16.75us16.25us2.85v504us2.88v491us3）结果分析：实验中得到的电压传输特性有一小小的滞回，如图8所示，实验中观察到ΔU与信号频率大小有关。当频率减小，ΔU减小，当频率增加，ΔU也增加。频率为200Hz时,ΔU约为0.4伏，频率为50Hz时,ΔU约为0.1伏。这是因为741内部并非理想电路，不同的输出电压下，741“+”端的电位略有不同。因而单门限比较器的电压传输特性也有一小小的滞回。(II)输入信号改为100HZ的正弦波，用示波器的X-Y显示方式测试比较器的传输特性，改变基准电压为±1V，观察传输特性曲线的变化，并用坐标纸定量记录显示的曲线（三条曲线要画在同一坐标平面内）。(III)将输入信号改为５KHZ的正弦波，重复(I)的内容，将测得结果与(I)进行分析比较。1）基准电平0V时单门限比较器输入、输出信号波形图(f=5khz)2）基准电平0V时单门限比较器传输特性曲线(f=5khz)3）电压比较器实验数据列表（频率5khz)输入信号输出信号幅度频率基准电压周期峰峰值上升时间下降时间高电平低电平幅度宽度幅度宽度4.02V5khz0v200us14.2v16.9us16.1us7.2v103us7.5v98us4结果分析：随着频率越来越高，回差变大，传输特性曲线开始倾斜，是受转换速率的影响(IV)将LM741改为LM311，重复（III），将测得结果与（III）进行分析比较。1）基准电平0V时LM311单门限比较器输入、输出信号波形图(f=5khz)2）基准电平0V时LM311单门限比较器传输特性曲线(f=5khz)3限电压比较器实验数据列表（频率5khz)输入信号输出信号幅度频率基准电压周期峰峰值上升时间下降时间高电平低电平幅度宽度幅度宽度4.02v5khz0v200us14.1v589us660us7.1v100us7v100us4结果分析：LM311是专用的电压比较器，可消除回差的影响，同时提高转换速率，体现在上升时间和下降时间比741大大减小。2、迟滞比较器：(I)用LM741设计一个迟滞电压比较器，当输入电压高于7V时输出为-6V，输入电压低于3V时输出为6V，运放供电电压为±12V。1）设计原理图2)设计过程：(II)分别输入1KHZ和10KHZ的正弦波，用示波器观测输入、输出信号波形，并用坐标纸定量记录显示的信号波形，比较并分析它们的结果。输入信号输出信号计算值幅度频率周期峰峰值阈值电平高电平低电平回差电压中心电压上限下限幅度宽度幅度宽度20v1.051khz1ms14v7.22.67.1690us7.1360us4.05.220v10khz100us14v4）输入、输出信号波形图（f=1KHZ）5）输入、输出信号波形图（f=10KHZ）(III)输入信号改为100HZ的正弦波，用示波器的X-Y显示方式测试比较器的传输特性，并用坐标纸定量记录显示的曲线。6）迟滞比较器传输特性曲线图7）实验结果分析：由于实际输入时电压不稳定，选择迟滞比较器应有合适的回差电压，可以减少干扰，提高电路稳定性。五、思考题1.试推导具有滞回特性的的同相输入电平检测器的VUT、VLT、VCTR和VH的公式。答：2.在本次实验电路中，驱动晶体三极管Q的基极电阻Rb阻值应如何确定?图中继电器线圈旁并联的二极管D2起什么作用?答：Rb的阻值由驱动三极管的驱动电流及第一级运放741的输出电压来确定。图中继电器线圈旁并联的二极管D2起到了对继电器保护的作用