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【導讀】在本實驗中，我們將運算放大器配置為開關模式，以實現電壓比較器的功能。電壓比較器電路的作用是通過輸出電壓的兩個不同狀態，表征兩輸入電壓的相對狀態。這種比較使用兩個輸入電壓之差的正負，輸出兩個可能輸出值中的一個，具體的輸出值由規定的相減方式決定。

對于運算放大器比較器，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，只有一個閾值電壓。

●  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

●  無焊面包板和跳線套件

●  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。這基本上屬于二元狀態決策電路：如果正極(+)端口的電壓大于負極(–)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：

比較器的使用方式不同，在以后的實驗中我們會看到它的實際應用。在這里，我們將以常見配置使用比較器，生成具有可變脈沖寬度的方波。

首先關閉電源并組裝電路。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.比較器面包板電路。

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。

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

對三角輸入波形重復以上步驟，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

遲滯是指系統的當前狀態依賴于決定該狀態量的先前值。輸出值并不是對應輸入的嚴格函數，它包含了一些滯后、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。閾值應該依賴于輸出值，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，只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被應用于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：

鑒于 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面包板電路。

圖5.同相遲滯比較器面包板電路。

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被應用于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。

被應用于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：

鑒于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面包板電路。

圖9.反相遲滯比較器面包板電路。

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：

鑒于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面包板電路。

圖13.帶不對稱閾值的反相遲滯比較器的面包板。

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

對于先完成實驗，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

●  無焊面包板和跳線套件

●  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。基于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。確定對于每個輸入電壓范圍，哪個LED亮起。

●  構建面包板電路。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。關于這種主題的應用，可以參考實驗：使用窗口比較器實施溫度控制。

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