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1、实验报告 课程名称： 电路与电子技术实验 II 指导老师： 成绩： 实验名称： 电压比较器及其应用 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 八、仿真实验 一、实验目的和要求 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、实验内容和原理 1.电压比较器与运算放大器 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
2、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；比较器可视 为一种特殊的运算放大器，比较器的输入为两路模拟信号，输出为二进制数字信 号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。有时也将比较器称为 1 位 A/D 转换器。 比较器的电压传输特性如下图，从比较器电压传输特性中可知：当 In+In- 时，输出 Out 为高；当 In+In-时，输出 Out 为低。在实际应用中，可以将 In+或 In中的一个输入端作为固定参考电压，另一个输入被测量电压信号围绕参考电 压上下波动，比较其两者大小。 比较器看起来像是开路结构中的运算放
3、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。比较器不 能当作运算放大器使用。 因为比较器是为无负反馈的开环结构工作所设计的电子 器件， 为了提高响应时间， 通常比较器内部没有相位补偿电路， 如果接入负反馈， 电路不能稳定工作。另外，某些比较器为集电级开路输出结构。许多比较器还带 有内部滞回电路，这避免了输出振荡，但同时也使其不能当作运算放大器使用。 2.理想运放和实际运放 理想运放： ;
4、 0, oHCMRicidod RfKRRA 0, 0, 0 )()( IOIOIBIB IUII，且温漂、噪声和干扰均可忽略。 理想运放工作在线性区的两个特点： （1） “虚短” ： )()( II uu。 （2） “虚断” ：0 )()( II ii。 理想运放工作在非线性区的两个特点： （1） “虚短” ：不成立。 （2） “虚断” ：0 )()( II ii。 3、电压比较器 理想比较器： ; 0, oHCMRicidod RfKRRA 0, 0, 0 )()( IOIOIBIB IUII，且温漂、噪声和干扰均可忽略。 器件处于非线性状态，强调灵敏度（分辨率，鉴别度） 、工作速度（转换
5、速 率 SR，响应时间） ，输出只有高电平和低电平。 比较器的输出结构： （1）集电极开路输出需要通过上拉电阻器与逻辑电源相连，可以与各种逻 辑器件系列相连接。 （2）推挽式输出不需要上拉电阻器，由于输出在轨至轨之间摆动，因此， 逻辑电平取决于比较器的电源电压。 三、主要仪器设备 1.TDS1002 型示波器一台。 2.信号发生器一台。 3.数字万用表一只。 4.电压比较器 LM393 一只，运放 LM358 一只。 5.电子技术实验箱一个。 6.导线若干。 四、操作方法和实验步骤 1.过零电压比较器 如上图所示连线，反相输入端接地，同相输入端分别接 1kHz、1V 正弦波和 三角波信号，测量
6、并绘制输出波形和电压传输特性曲线。 测量其直流电压（平均值） 、峰峰值、频率。示波器双踪显示 vS、vO的波形， 并测量最高工作频率。 2.单门限电压比较器 如上图所示连线， 设计单门限电压比较器电路， 反相输入端接 1.5V 直流电压 （参考电压 Vref、门限电平） ，同相输入端接 1kHz、3V 正弦波信号，测量并绘制 输出波形和电压传输特性曲线。改变 Vref ，则占空比 q = T高/T 发生改变，即为 PWM 电路（脉冲宽度调制器） 。 3.同相滞回电压比较器 如上图所示连线，设计同相滞回电压比较器，同相输入端接 1kHz、5V 三角 波信号或正弦波信号，测量并绘制输出波形和电压传
7、输特性曲线。 4.方波发生电路 如上图所示连线，分别用 LM358 芯片和 LM393 芯片制作方波发生电路，并 比较两者输入和输出波形的区别。 5.窗口电压比较器 如上图所示连线，设计窗口电压比较器电路，输入为 1kHz、5V 三角波信号 或正弦波信号，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。 6.三态电压比较器 如上图所示，设计三态电压比较器电路，输入电压信号 Vin为 1kHz、5V 三角 波信号或正弦波信号，观察输入和输出波形以及电压传输特性曲线。 五、实验数据记录和处理 1.过零电压比较器 （1）输入
8、是正弦波 （2）输入是三角波 （3）提高输入正弦波的频率 可见当频率为 410kHz 时输出已经变成了三角波， 故最高工作频率为 410kHz。 （4）电压传输特性曲线 2.单门限电压比较器 （1）不断减小 Vref的值的输出波形 （2）Vref为 1.5V 时的电压传输特性曲线 3.同相滞回电压比较器 （1）输入正弦波 （2）输入三角波 （3）电压传输特性曲线 （4）Vref为 1 V 时的电压传输特性曲线 4.方波发生电路 （1）用 LM393 芯片 （2）用 LM358 芯片 可见 LM358 构成的方波发生器优于 LM393 构成的方波发生器。 5.窗口电压比较器 （1）输出波形 （2
9、）电压传输特性曲线 6.三态电压比较器 （1）输出波形 （2）电压传输特性曲线 六、实验结果与分析 1.实验成功测出了六种电压比较器的输入输出曲线，得到了电压传输特性特 性，实验结果与仿真十分吻合。 2.在做单门限电压比较器时， 随着Vref正向增大， 输出信号的平均值将会逐渐 减小，因为同相端大于反相端的时间减小了；随着Vref反向增大，输出信号的平 均值将会逐渐增大，因为同相端大于反相端的时间增大了。 3.在实验中，有时候出现输出信号的频率为输入信号 1kHz 的三倍，即输出 3kHz 信号的情况，但是我还不能解释这个问题；结果如下图所示： 七、讨论、心得 1.理想运放工作在线性放大区时有
10、“虚短” 、 “虚断”特性，但是工作在非线 性放大区时只有“虚断” ， “虚短”不成立。 2.电压比较器的作用与特点是什么？ 答： 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，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。特点是只有高电平和低电平两种状态的离散信号。 3.运算放大器能作为电压比较器使用吗？电压比较器能作为运算放大器使用 吗？为什么？ 答：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； 比较器不能当作运算放大器使用
11、， 因为比较器没有负反馈， 如果接入负反馈， 电路将不能稳定工作。 4.电压比较器电路是否需要调零？原因何在？ 答：需要调零，因为实际的电压比较器还是会存在温漂等现象，当输入相都 接地时，按理说是没有定义的，因此不是正值也不是负值。 5.电压比较器电路两个输入电阻是否要求对称？为什么？ 答：不需要对称，既然是电压比较电路，只是通过电压比较来控制比较器的 输出高低。 6.电压比较器电路两个输入端电位差如何评估？ 答：当同相端电压大于反相端时，输出为正，小于反相端时输出为负，但无 法判定具体相差多少。 7.电压比较器输出端电压由什么决定？ 答：集电极开路输出的电压由上拉电阻器和电源电压决定，推挽式
12、输出的电 压由电源电压决定。 8.如何调节方波发生器产生方波的振荡频率和占空比？ 答：改变电容 C 值、负反馈电阻 R 值或是 R2和 R1的比值均可调节方波发生 器产生方波的振荡频率。在 R1 与地之间接入不同电压值的直流电压源可以改变 方波的占空比。如下图仿真所示： 八、仿真实验 1.过零电压比较器 （1）仿真电路图 （2）仿真波形 （3）电压传输特性曲线 2.单门限电压比较器 （1）仿真电路图 （2）输出波形 （3）电压传输特性曲线 （4）改变 V8 的大小 （i）V8=5V （ii）V8=2V （iii）V8=-5V 3.滞回电压比较器 （1）仿真电路图 （2）输出波形 （3）电压传输特性曲线 （i）V8=0V （ii）V8=1V 4.方波发生电路 （1）仿真电路图 （2）输出波形 5.窗口电压比较器 （1）仿真电路图 （2）输出波形 （3）电压传输特性曲线 6.三态电压比较器 （1）仿真电路图 （2）输出波形 （3）电压传输特性曲线
