电压比较器的设计与应用详解

【实验目的】

(1)了解电压比较器的不同类型和工作原理。

(2)掌握电压比较器的设计和测试方法。

(3)了解电压比较器在实际中的应用。

【设计任务】

1.波形转换电路的设计

利用集成运算放大器设计一个电压比较器电路用于波形转换,将频率范围为100 Hz～1 k Hz,幅度范围为10 m Vpp～1 Vpp的交流信号转换为矩形波信号。

给定条件:

◆电源电压±12 V。

指标要求:

◆输出矩形波的幅度为±6 V左右。

◆输出矩形波上升时间tr和下降时间tf不超过25μs。

2.湿度调控电路的设计

参考图8.6.11电路,利用湿敏电阻,设计一个加湿器开关控制电路,控制加湿器的工作。

给定条件:

◆电源电压±5 V。

◆湿敏电阻RS特性如图8.6.1所示。

◆相对湿度采样电路如图8.6.2所示。

图8.6.1　湿敏电阻RS特性曲线图

图8.6.2　相对湿度采样电路

指标要求:

◆将环境相对湿度控制在40%～70%范围内,低于40%启动加湿器工作,高于70%加湿器停止工作。

◆用绿色发光二极管点亮代表加湿器工作,红色发光二极管点亮代表加湿器不工作。

设计提示:

①分析题目要求,该控制电路可以用滞回电压比较器实现,环境相对湿度为40%和70%时,采样电路的ui分别对应滞回电压比较器两个不同的比较电压。另外,为了电路接线简单参考电压取UR=0 V。

②测试时,电路的实际输出负载为发光二极管,所以输出幅度大于发光二极管的导通电压即可;为了电路结构的简单,选用双电源±5 V供电,输出端加限流电阻用于发光二极管的保护。

③从图8.6.1所示湿敏电阻特性曲线读出RS在相对湿度为40%和70%时的电阻值分别为RS1和RS2。

④确定图8.6.2中与RS串联的电阻R1的值和两个比较电压的值。从图中可以看出R1的取值应满足当RS的阻值分别为RS1和RS2时,ui的电压值为一对相反数,即滞回电压比较器两个比较电压的值。

⑤实际调测时可用电位器代替RS。

3.专用电压比器应用电路设计

设计一个滞回电压比较器电路,可以将连续变化的交流信号转换为正脉冲信号。

给定条件:

◆电源电压+5 V。

◆专用电压比较器LM311。

指标要求:

◆电路具有如图8.6.3所示电压传输特性。

图8.6.3　电压比较器电压传输特性曲线

【测试任务】

1.波形转换电路的测量

◆根据设计任务中给定的输入信号频率和幅度范围,选择适当的输入信号,测量电路的输入输出波形,验证电路达到设计要求,否则调整电路直至达标。

◆在坐标纸上定量画出合格电路的输入输出波形,标注波形各项参数,给出电路合格的理由。

2.湿度调控电路的测量

◆根据设计要求,验证RS(用电位器代替)的阻值变化时,电路可以正确驱动红、绿两个发光二极管分别点亮。

◆将电路中滞回电压比较器的输入端与湿度检测电路断开,用函数信号发生器为滞回电压比较器提供适当的输入信号,测量其电压传输特性曲线。

◆从电压传输特性曲线上读出Uth+和Uth-的值,与设计值相比较,如与设计值不符调整电路直至符合。

◆画出合格电路的电压传输特性曲线。

3.专用电压比较器电路的调测

选择适当的输入信号,实际测量所设计的LM311构成滞回电压比较器,观察其输入输出波形,并画出示波器显示的传输特性曲线。

【实验预习】

(1)查阅实验所用集成运放和专用电压比较器LM311的数据手册,说明在本次设计中需要对器件的哪些参数格外关注。

(2)阅读本实验【相关知识】,掌握各种电压比较器的工作原理和设计、测量方法,了解电压比较器在实际中的应用。

(3)根据要求设计相关电路,说明设计思路和电路具体参数的选择过程和选择理由,并画出详细实验电路图。

(4)根据调测任务,结合电路的设计要求,制定相关电路的测试方案,拟定详细的实际调测步骤,设计相关数据表格并准备数据纸,列出操作注意事项。

(5)根据器件手册正确使用器件搭接实验电路。

(6)预习思考题:

①实际测试时,要从哪些方面考虑合理选择滞回电压比较器的输入信号?

②示波器测量电压比较器的传输特性曲线要注意哪些问题?从传输特性曲线可以读出电压比较器的哪些参数?如何规范读取这些参数?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

◆思考题:

•通过实验,总结电压比较器电路中的运算放大器的工作状态的特点。

•如果设计任务(1)中波形转换电路的输入信号频率范围为100 Hz～20 k Hz,原设计电路是否还满足要求?为什么?如需改进,应如何更改?

•设计任务(2)是否可以用+5 V单电源电路实现?如果可以列出设计过程,画出电路图。

【相关知识】

1.电压比较器的工作原理

电压比较器是一种对电压幅度进行比较和鉴别的电路。当电压比较器的输入信号ui的变化经过某一个或两个比较电压时,会引起电压比较器输出电压从一个状态到另一个状态的跳变。

电压比较器根据工作特点分为无滞回电压比较器和滞回电压器两大类。电压比较器可以由集成运算放大器构成,也有专用的电压比较器集成电路。专用电压比较器的精确性和速度都优于前者。集成运算放大器构成电压比较器时工作于非线性区,处于大信号工作状态,需考虑运放相关参数对电路性能的影响。

(1)无滞回电压比较器(以反相输入为例)

图8.6.4为运算放大器组成的反相无滞回电压比较器,其中(a)输出端无限幅稳压二极管,输出信号uo的幅度UO即为运放的最大输出幅度Uop(max),正负分别接近正负电源的值;而图8.6.4(b)输出端接有限幅稳压的双稳压管,可以通过选择不同的稳压管得到不同幅度的输出信号uo。(www.xing528.com)

图8.6.4　反相无滞回电压比较器

ui为输入信号,UR为参考电压,UN为反相输入端电压,UP为同相输入输端电压。根据理想运算放大器的特点,有:

则在ui大于、小于UR两种情况下,电路分别输出低电平UoL和高电平UoH。

对于图8.6.4(a)有:

对于图8.6.4(b)有:

UZ和UD分别是稳压二极管的反向稳定电压和正向导通电压,不同的稳压二极管UZ和UD的值不同。

电压比较器输出电平发生反转时对应的输入电压值,被称为比较电压。无滞回电压比较器的比较电压等于参考电压UR,UR的取值可正可负也可以为零。参考电压UR为零的无滞回电压比较器被称为过零电压比较器,当ui的瞬时电压变化经过零伏时,电压比较器的输出电平发生反转。

图8.6.5为无滞回电压比较器的参考电压UR在大于零、等于零、小于零三种情况下,所对应的输入输出波形。从3个输出波形对比可以看出:参考电压的不同还引起了输出矩形波的占空比的不同。图8.6.6为无滞回电压比较器的参考电压UR大于零、等于零、小于零3种情况下,所对应的3条电压传输特性曲线。可以看出,无滞回电压比较器无论参考电压为何值,都只存在一个与之相等比较电压。

(2)滞回电压比较器

滞回电压比较器也被称为施密特触发器,图8.6.7为运放构成的反相滞回电压比较器,(a)和(b)分别为输出端无限幅稳压和有限幅稳压。无论是(a)还是(b)中,均有R2、R3构成正反馈网络,参考电压UR和输出电压uo通过R2、R3的串联电路,共同决定运算放大器的同相输入端的电压UP,也就是比较器的比较电压。

图8.6.5　反相无滞回电压比较器输入输出波形

图8.6.6　反相无滞回电压比较器的电压传输特性

图8.6.7　反相滞回电压比较器

根据叠加原理,有

而输出信号uo分别有高、低两个值UOH和UOL,记作

所以

可以看出,滞回电压比较器的两个输出电压值UoH和UoL,通过正反馈决定了两个比较电压,分别是

Uth+称为上比较电压,Uth-称为下比较电压,两个比较电压之差称为滞回电压,用Uth表示

在图8.6.7(a)所示电路输出端无限幅稳压情况下,其输出电压的高低电平幅度为运放的最大输出幅度Uop(max),具体数据可以通过查阅运放的数据手册得到。在要求不严格的情况下,也可以认为±Uop(max)近似等于电路的电源电压±VCC,即

而图8.6.7(b)所示电路输出端接有双稳压二极管进行限幅稳压情况下,Uop(max)的值由双稳压管的稳压值参数决定,即

其中,UD为稳压二极管正向导通电压,UZ为稳压二极管的反向稳定电压。

滞回电压比较器的工作过程可以概述如下:

当输出电压为高电平UoH时,UoH通过R2、R3构成的正反馈网络和参考电压UR共同建立了上比较电压Uth+,当输入信号ui的瞬时电压大于上比较电压Uth+时,输出电压即由高电平UoH翻转为低电平UoL,同时在UoL的作用下,运放同相端的比较电压也转为Uth-。当输入信号ui的瞬时电压小于下比较电压Uth-时,输出电压再次翻转为高电平输出UoH,比较电压也相应地转换为上比较电压Uth+。

可以看出,由于正反馈的存在,使得比较器的比较电压与输出电压相关,输出电压有高、低两个值,决定了比较电压也有高、低两个值,分别为上比较电压Uth+、下比较电压Uth-。当输入信号由小变大时,上比较电压起作用;在输入信号由大变小时,下比较电压起作用。两个比较电压Uth+和Uth-与参考电压UR以及R2、R3有关。而滞回电压Uth只与R2、R3有关。R3越小,表明正反馈越强,滞回电压Uth越大。滞回电压比较器的输入输出波形和电压传输特性如图8.6.8所示。

图8.6.8　滞回电压比较器工作特性

(3)专用集成电压比较器

图8.6.9是采用专用集成电压比较器LM311组成的滞回电压比较器,与集成运放构成的滞回电压比较器图8.6.7(a)电路相比,不同之处有:输出端接有上拉电阻R;电路采用单电源+VCC供电。

图8.6.9　LM311组成滞后电压比较器

因为LM311的输出级采用集电极开路结构,必须外接上拉电阻R与正电源连接,这样可以得到更高的输出驱动能力。采用单电源供电,简化了电路,输出电压直接由电源电压限幅。如电源采用+5 V,则输出信号可以满足数字电路的输入要求,即可完成模拟信号到数字信号的转换。输出端还可以通过上拉电阻接更高的电压以适用不同的负载。

一般情况下,专用电压比较器比通用运放的开环增益更高,输入失调电压更小,共模输入电压范围更大,压摆率较高。

与前面的分析类似,图8.6.9电路的两个比较电压和滞回电压分别是:

电路的输入输出波形如图8.6.10所示。

图8.6.10　LM311组成的滞后电压比较器输入输出波形

以上所列均为反相输入的电压比较器,较低的输入信号对应高电平输出;也可以将输入信号与的参考电压的位置互换,电路变成同相输入端电压比较器,工作原理与反相输入相同,只是输入与输出信号的对应发生变化,较低输入信号对应低电平输出,较高的输入信号对应高电平输出。

2.电压比较器的应用举例

电子系统中大功率器件在工作时会产生较多热量而使温度升高,温度过高将影响器件性能甚至使器件烧毁。因此需要使用温度监控装置以保证器件正常工作。图8.6.11是一种无滞后电压比较器构成的温度控制电路,使用负温度系数(NTC)热敏电阻RT检测功率器件的温度,RT与固定电阻R1组成分压电路,从+5 V分得电压作为电压比较器的输入信号。随温度的升高RT的阻值下降,电压比较器的输入增加。

图8.6.11　电压比较器构成的温度调控电路

假如设定最高工作温度为50℃,则根据RT的特性曲线找到RT在50℃对应的阻值,结合固定电阻R1和电源电压的值,计算出50℃时的ui值为A。通过合理选取R2和R3的阻值,将电压比较器的参考电压UR设为A。

电路工作时,电压比较器的输入电压ui随温度升高而增加,温度一旦高于50℃则ui>UR,则比较器输出低电平,继电器KT吸合,直流电机带动散热风扇工作,使器件降温。一般器件的散热体有较大的热容量,风扇需要工作一定时间才能把温度降到50℃以下,温度低于50℃后ui<UR,电路输出高电平,继电器释放,风扇停止工作。

3.电压比较器的设计

(1)根据实际需要选择电压比较器电路形式

无滞后电压比较器只有一个比较电压,输入信号大于或小于比较电压分别对应两种不同的输出状态,电路灵敏度高,但也容易受到干扰信号的作用而发生误翻转。

滞后电压比较器有两个不同的比较电压,在输入信号增加和减小的两种变化趋势下对应不同的比较电压,降低了对输入信号的灵敏度,可以有效防止误动作的发生。

根据输入信号与电压比较器输出的高低对应关系,选择同相输入还是反相输入;根据输出信号的幅度要求选择比较器电路的供电方式和电源电压范围,并考虑输出是否使用稳压限幅措施。

(2)核心元件的确定

根据对响应速度的要求,选择用运算放大器组成电压比较器还是专用集成电压比较器。如果要求响应时间短,一般选择专用集成电压比较器。

如果要求灵敏度高且输入电阻大,工作稳定,应选择高增益、高输入阻抗、低失调、低温漂的集成运算放大器,构成无滞后电压比较器。

(3)电压比较器中电阻值的确定

①图8.6.4～图8.6.9所示各电压比较器电路中的输入端电阻R1并不影响电路的工作性能,但可以在异常情况下起到保护芯片的作用,因此可以在数kΩ的范围随意取值。

②参考电压端所接电阻R2取值可以与R1相等。

③滞回电压比较器根据上比较电压Uth+、下比较电压Uth-以及参考电压UR的值,或滞回电压Uth的值,确定R2和R3的关系,从而确定R3的值。

④如果对电压比较器的工作速度有要求,则应根据速度要求选择适当的带宽积和电压转换速率的运算放大器,或者采用专用集成电压比较器。

⑤输出端有限幅稳压二极管的电路中,根据电路无稳压管时的最大输出电压和稳压二极管的稳压值、稳压二极管工作电流,可以确定限流电阻RO的值。

⑥有些专用集成电压比较器的输出端是集电极开路的,需要一个上拉电阻接在电源和输出端之间,如图8.6.9中的电阻R。上拉电阻的取值与电源电压有关,一般电源电压在5～15 V的范围内,R大致在1～10 kΩ的范围取值。

4.电压比较器传输特性曲线的测量

电压比较器的传输特性曲线反映了其输出电压随输入信号电压的变化而变化的规律,用示波器可以直接观测电压比较器的传输特性曲线,具体方法和操作注意事项可参考本章实验三相关内容。测量时电压比较器输入信号可以选正弦信号,也可以选三角波信号;信号频率不能过高,应取100 Hz以下;输入信号幅度最大值应大于电压比较器的上门限电压值,最小值应低于电压比较器的下门限电压值。