對於運算放大器比較器，我們可以將單輸入 V_D 視為兩輸入信號V+和V–之間的差異。而輸出電壓 V_O可以獲取兩個可能值中的一個：

 

●  V_O = V_OH （高），意味著V+ > V– (v_D > 0)

●  V_O = V_OL （低）

，意味著V+ < V– (v_D < 0)

 

我們將閾值電壓 V_Th 當做輸入電壓 v_I 的特定值（或值），在該值時輸出端開啟（設置V_D = 0)。

 

需要考慮兩種主要的電壓比較器：

 

●  簡單比較器：無反饋，隻有一個閾值電壓。

●  遲滯比較器：有正反饋和兩個閾值電壓。

 

材料：

 

●  ADALM2000 主動學習模塊

●  無焊麵包板和跳線套件

●  三個10 kΩ電阻

●  一個20 kΩ電阻

●  一個OP97（低壓擺率放大器隨附新版本 ADALP2000 模擬部件套件）或OP37

 

簡單比較器

 

背景知識：

 

將運算放大器配置為比較器，便可利用運算放大器的高固有增益和輸出飽和效應，如圖1所示。這基本上屬於二元狀態決策電路：如果正極(+)端口的電壓大於負極(–)端口的電壓，即V_IN > V_REF，輸出會增高（在最大值時達到飽和）。相反，如果 V_IN < V_REF ，則輸出走低。電路比較兩個輸入端的電壓
，根據相對值產生輸出。與之前所有電路不同
，輸入和輸出之間沒有反饋
；我們說電路是開環運行的。

 

圖1.運算放大器用作比較器。

 

硬件設置：

 

比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)方(fang)式(shi)不(bu)同(tong)，在(zai)以(yi)後(hou)的(de)實(shi)驗(yan)中(zhong)我(wo)們(men)會(hui)看(kan)到(dao)它(ta)的(de)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)。在(zai)這(zhe)裏(li)，我(wo)們(men)將(jiang)以(yi)常(chang)見(jian)配(pei)置(zhi)使(shi)用(yong)比(bi)較(jiao)器(qi)
，生(sheng)成(cheng)具(ju)有(you)可(ke)變(bian)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)的(de)方(fang)波(bo)。

 

首先關閉電源並組裝電路。與求和放大器電路一樣
，使用第二個波形發生器輸出作為直流源 V_REF，將幅度更改為零，且將輸出偏置降低到最低，以便您在實驗期間可以從零開始調節。

 

圖2.比較器麵包板電路。

 

將波形發生器 V_IN 配置為頻率1 kHz幅值2 V峰峰值正弦波。開啟電源，在V_REF 為O V時，導出輸出波形。

 

然後
，緩慢增大 V_REF 觀察會發生什麼情況。記錄V_REF = 1 V的輸出波形。繼續增大V_REF
，直到超過2 V，觀察會發生什麼情況。您能予以解釋嗎？

 

對三角輸入波形重複以上步驟
，在實驗報告中記錄觀察到的結果。

 

步驟：

 

將第一個波形發生器用作 V_IN 源，向電路提供幅度2 V峰峰值
、1 kHz正弦波激勵。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器
，使通道1上顯示輸入信號
，通道2上顯示輸出信號。

 

產生的波形如圖3所示。

 

圖3.比較器波形。

 

遲滯比較器

 

遲滯是指係統的當前狀態依賴於決定該狀態量的先前值。輸出值並不是對應輸入的嚴格函數，它包含了一些滯後、延遲或過往依賴性。特別是，對輸入變量降低的響應與對輸入變量增高的響應是不同的。

 

在此配置中，包含兩個閾值 V_ThH 和 V_ThL,以及兩個輸出值 V_OH 和 V_OL。閾值應該依賴於輸出值，輸出值反饋至輸入，成為閾值中的一部分（正反饋）。通過電阻分壓器，將輸出電壓的一部分反饋至同相輸入。

 

分析遲滯比較器時，我們必須考慮遲滯的方向變換這個問題
，以及在某些時刻，隻有一個閾值保持活動這個事實。

 

輸入信號觸發輸出變化，正反饋會維持這個變化。

 

同相遲滯比較器

 

背景知識：

 

請看圖4所示的電路。

 

圖4.同相遲滯比較器。

 

在圖4所示的同相遲滯比較器電路中，V_IN被應用於運算放大器的同相輸入。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網絡
，通過同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋，通過相同的電阻分壓器提供V_IN。

 

反饋量由使用的兩個電阻的電阻比決定（在此情況下
，比率為1/2）。

 

我們可以使用以下公式計算閾值電壓：

 

 

鑒於 V_D = 0, V_IN → V_Th, 我們可以得出以下閾值：

 

 

oninver

硬件設置：

 

為同相遲滯比較器構建以下麵包板電路。

 

圖5.同相遲滯比較器麵包板電路。

 

步驟：

 

將第一個波形發生器用作 V_IN 源，向電路提供幅度6 V峰峰值
、1 kHz正弦波激勵。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號
，通道2上顯示輸出信號。

 

產生的波形如圖6所示。

 

圖6.同相遲滯比較器波形。

 

在圖7中，您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性（圖中箭頭表示與閾值相關的信號的走向）。比較計算得出的閾值電壓值與測量到的電壓值。

 

圖7.同相遲滯比較器XY圖。

 

反相遲滯比較器

 

背景知識：

 

請看圖8所示的電路。

 

圖8.反相遲滯比較器。

 

在圖8所示的反相遲滯比較器電路中
，V_IN被應用於運算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網絡，通過同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋。

 

被應用於運算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網絡，通過同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋。

 

我們可以使用以下公式計算閾值電壓：

 

 

鑒於V_D = 0, V_IN → V_Th,我們可以得出以下閾值：

 

 

硬件設置：

 

為反相遲滯比較器構建以下麵包板電路。

 

圖9.反相遲滯比較器麵包板電路。

 

步驟：

 

將第一個波形發生器用作 V_IN源
，向電路提供幅度為6 V峰峰值
、1 kHz正弦波激勵。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號，通道2上顯示輸出信號。

 

產生的波形如圖10所示。

 

圖10.反相遲滯比較器波形。

 

在圖11中，您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性（圖中箭頭表示與閾值相關的信號的走向）。比較計算得出的閾值電壓值與測量到的電壓值。

 

圖11.反相遲滯比較器XY圖。

 

帶不對稱閾值的反相遲滯比較器

 

背景知識：

 

請看圖12所示的電路。

 

圖12.帶不對稱閾值的反相遲滯比較器。

 

圖12所示的帶不對稱閾值電路的反向比較器，使用了額外的基準電壓V_REF 。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網絡，通過同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋，此外有部分V_REF通過相同的分壓器。

 

我們可以使用以下公式計算閾值電壓：

 

 

鑒於V_D = 0, V_IN → V_Th, 我們可以得出以下閾值：

 

 

硬件設置：

 

為反相遲滯比較器構建以下麵包板電路。

 

圖13.帶不對稱閾值的反相遲滯比較器的麵包板。

 

步驟：

 

將第一個波形發生器用作V_IN源，向電路提供幅度為6 V峰峰值、1 kHz正弦波激勵，將第二個波形發生器用作2 V恒定基準電壓。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號，通道2上顯示輸出信號。

 

產生的波形如圖14所示。

 

圖14.帶不對稱閾值的反相遲滯比較器的波形。

 

在圖15中，您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性（圖中箭頭表示與閾值相關的信號的走向）。比較計算得出的閾值電壓值與測量到的電壓值。

 

圖15.帶不對稱閾值的反相遲滯比較器的XY圖。

 

問題：

 

計算所有4個比較器設置（簡單、同相遲滯、反向遲滯和不對稱閾值）的閾值電壓，比較計算得出的值與通過實驗步驟得出的值。

 

額外實驗

 

對於先完成實驗

，或者想要接受額外挑戰的實驗人員
，看看您是否能夠使用輸出端的紅色和綠色LED（來自上次實驗）來修改比較器電路，使紅色LED在負電壓時亮起，綠色LED在正電壓時亮起。將頻率降低至1 Hz（或更低），以便看到它們實時開關。不要忘記，LED需要使用限流電阻，以便流經LED的電流不會超過20 mA。

 

您也可以對具備多個電壓電平的電路實施上述示例實驗，如圖16中的電路所示。

 

圖16.使用LED的電壓電平指示器。

 

材料：

 

●  ADALM2000主動學習模塊

●  無焊麵包板和跳線套件

●  三個470 Ω電阻

●  一個10 kΩ電阻

●  兩個20 kΩ電阻

●  三個LED（紅色
、綠色、黃色）

●  一個 ADTL082 （兩個集成式運算放大器）

 

該電路使用一個分壓器（R1
、R2、R3）分別為兩個比較器獲取一個閾值。基於這些閾值和輸入電壓，一次亮起一個LED（D1

、D2
、D3）。

 

練習：

 

●  根據圖16所示的電路，計算閾值電壓。確定對於每個輸入電壓範圍，哪個LED亮起。

●  構建麵包板電路。向運算放大器提供±5 V電源電壓。使用信號生成器的第一個信道生成可變輸入電壓(V_IN)，使用第二個信道生成5 V恒定基準電壓。

 

圖17.使用LED的電壓電平指示器。

 

在0 V至5 V之間變換輸入電壓，觀察LED的行為。

 

這種類型的電路也被稱為窗口比較器。關於這種主題的應用
，可以參考實驗：使用窗口比較器實施溫度控製。

 

 

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