电压比较器的设计与应用
电压比较器的设计与应用
课程简要信息
课程名称：电子线路实验
课程学时：16学时
项目学时：课内3学时、课外1学时
适用专业：电子信息类
学生年级：本科二年级、第一学期
实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）
项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。
电压比较器是电子线路实验必做项目之一，本案例从给定传输特性入手，要求学生选择电路形式，设计电路相关参数，研究不同输入条件和电路结构对电压比较器输出特性的影响，综合应用典型电路设计指定功能电路。
- 基本内容：
- 设计单限比较器，电源电压为±12V，要求实现给定传输特性曲线：VR=2V，Vomax=6.9V，
Vomin=-6.9V。
- 设计迟滞比较器，电源电压为±12V，要求实现给定传输特性曲线：VL=1V，VH=3V，
Vomax=6.9V，Vomin=-6.9V。
提供芯片：通用运算放大器μA741。
- 研究内容：
- 单限比较器、迟滞比较器在下列情形下，
a.同相输入、反相输入，
b.参考电压是正电压、零、负电压，
c.输出接、不接稳压管，
哪些特性会受影响：传输特性曲线的形状，跳变点，输出最大值、最小值？
- 分别用通用运算放大器μA741和集成电压比较器LM311构成单限比较器，比较两个
电路的转换速度，定性分析输入信号的频率增高对输出特性的影响。（此项内容选做）
3）拓展内容：
- 设计一个高低电平报警器，输入电压VI为0～10V的直流信号，以0.1V递增，当输
入电压VI＜1V或VI＞5V时电路报警。
- 在3.1电路的基础上，增加一级电路，实现闪烁报警，鼓励用多种方案实现。
拓展内容为选做，因课内学时有限，部分学生需要安排1学时课外时间。
实验过程及要求（限300字）
如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。
-
掌握单限比较器和迟滞比较器的原理，设计与调整方法。
-
掌握电压比较器常见故障的分析和调试方法。
-
部分学生能设计高低电平报警器。
-
通过查阅资料，了解通用运算放大器的压摆率与集成电压比较器的响应速度等器件参数。
-
能够完整撰写实验报告，包括表格设计，波形观测，数据分析，得出结论等。
相关知识及背景（限150字）
项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。
电压比较器是一种用于比较两个输入电压大小关系的电子电路，输出端通过高/低电平表示比较结果。有三类典型电路：单限比较器、迟滞比较器、窗口比较器。主要用于实现信号转换、阈值检测、模数转换等功能。应用场景有各种报警电路、过压/欠压保护、电池电量检测、作为ADC的基本单元实现模拟信号数字化处理。
实验环境条件
项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。
直流稳压电源、信号源、示波器、μA741、LM311、稳压管、二极管、面包板、电阻电容若干,仿真软件Multisim。
教学目标与目的（限150字）
如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。
-
掌握几种电压比较器的设计、测量和调整方法，巩固理论知识，提高学生灵活运用典型电路设计指定功能电路的能力。
-
通过集成电压比较器和通用运算放大器实现单限比较器，对比转换速度，培养学生查阅资料的能力，初步建立芯片选型的工程概念。
-
通过故障分析，提高学生的调试能力。
-
在实验教学中融入人文关怀，因材施教，激发学生的学习兴趣，收获“学乐”，树立正确的学习观。
教学设计与实施进程
课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。
本案例是一个基础实验，教学设计体现了层次化、多样性。设计了故障分析环节，帮助提高学生的调试能力，设计了专用芯片与通用运算放大器的对比环节，帮助学生初步建立芯片选型的工程概念。教学流程按课前、课中、课后实施，如图1所示。
图1教学流程图
- 课前
- 布置预习任务，根据给定传输特性曲线，设计单限比较器、迟滞比较器，选择电路形
式，确定电路参数。
- 查阅资料，了解通用运算放大器μA741的压摆率，集成电压比较器LM311的响应速
度等器件参数。
-
设计窗口比较器、报警电路，并用Multisim仿真。（选做）
-
预习报告实验前上传学习通。
- 课中
本环节包含课堂讲解、实验操作两部分。课堂讲解要力求语言生动，与学生加强互动，抓住学生的注意力，教学方式宜多赏识鼓励，为实验教学注入人文关怀。实验操作过程中，教师要注重辅导，传授调试方法，不能只验收结果。
-
课堂讲解
-
电压比较器的基本概念，单限比较器、迟滞比较器、窗口比较器的应用场景等
知识简介。
-
针对本案例涉及的器件参数，简要介绍芯片的选型。
-
对研究内容，做启发性的提示和思路引导，设计引导问题有：
a.运放的同相输入端和反相输入端互换，对输出波形及传输特性有什么影响?
b.参考电压对输出波形及传输特性有什么影响？参考电压为零，是什么电路？
c.输出不接稳压管可以吗？对输出有什么影响？
d.输入信号的频率增高对输出有什么影响，受运算放大器哪个参数的限制？
- 故障分析
为提高学生的调试能力，本案例设置常见故障分析，以课堂互动的形式开展讨
论，提高学生分析问题和解决问题的能力，如图2所示。
图2故障分析
-
实验操作
-
电路搭建，所有电路均在面包板上搭建。
-
实验操作评分，本实验按完成度评分，分为三个层次：基本内容、研究内容
与拓展内容，其中拓展内容可课外完成。验收重点为：
a.基本内容：输入/输出波形，传输特性曲线，跳变点，输出最大值/最小值。
b.研究内容：输入/输出波形，传输特性曲线，跳变点，输出最大值/最小值。
完成几个电路给几个电路的成绩。
c.拓展内容：窗口比较器，报警电路功能验收，按完成模块给分。
- 课后
3.1）方案点评
课后老师利用学习通，对拓展部分的多种方案进行点评,拓宽学生的设计思路。
3.2）交流讨论
此环节是对课内知识的延伸和扩展，老师在课后利用微信群等通讯方式，和学生进一步交流探讨实验相关问题，也为学生在课后营造一个良好的学术氛围。本实验在课后针对选做的研究内容，引导学生对通用运算放大器μA741的“压摆率”和集成电压比较器LM311的“响应时间”这两个参数做进一步讨论，实验波形如图3(a)(b)所示。由于集成电压比较器芯片内部省略了中间增益级和频率补偿，所以响应速度高，适用于对转换速度要求高的应用场合。通用运算放大器仅适用于对转换速度要求不高的场合。
(a)输入/输出波形 (b)传输特性曲线
图3输入信号的频率增高对输出波形及传输特性的影响
3.3）完善拓展
由于课内学时有限，选做拓展内容的同学，有部分未能在课内全部完成，可在课
外增加1学时用于完善拓展功能。
实验原理及方案
实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。
电压比较器是一种常见的信号幅度处理电路，可将两个模拟电压进行比较，输出比较结果，用高、低电平表示，因此可以作为门限电压比较器。有专门的集成电压比较器,如LM311，也可以用通用运算放大器组成电压比较器。
1）基本内容
1.1）设计单限比较器
**已知条件：**电源电压为±12V，直流输入信号由直流电源提供，交流输入信号由低
频信号发生器提供，频率50Hz，幅度根据设计要求自行确定，提供器件μA741。
**设计要求：**实现如图4所示的传输特性曲线：VR=2V, Vomax=6.9V, Vomin=-6.9V。
图4待设计的单限比较器传输特性曲线
设计过程：
图5单限比较器
根据设计要求，选用图5所示电路，图中R1，R2成对出现，分别代表信号源和门限
电压源的内阻，应使它们相等，以便减小输入偏置电流及其漂移的影响。Ro是限流电阻。
稳压管是为了输出箝位，稳压管选用6V2，稳压值为6.2V，VR=2V。
提醒学生注意vi的幅度如何确定，才能观察到完整的传输特性曲线？
1.2）设计迟滞比较器
**已知条件：**电源电压为±12V，直流输入信号由直流电源提供，交流输入信号由
低频信号发生器提供，频率50Hz，幅度根据设计要求自行确定，提供器件μA741。
**设计要求：**实现如图6所示的传输特性曲线：VL=1V、VH=3V、Vomax=6.9V、
Vomin=-6.9V。
提示：参考电压VR需计算出来。
图6待设计的迟滞比较器传输特性曲线
设计过程：
迟滞比较器具有迟滞回线形状，故具有两个门限电位，称为上门限电位VH和下门限电位VL,两者差为门限宽度或迟滞宽度△V，即△V=VH-VL，当输入电压由小至大变化超过上门限电位VH时，比较器输出可能从高变为低，也可能从低变为高。前者叫做下行（迟滞）特性；后者叫做上行（迟滞）特性，根据设计要求选用图7电路。
图7 迟滞比较器
图中，输出电压vo经RF反馈到比较器同相端，一旦输出电位从高电位Vomax跳向低电位Vomin，正反馈迫使同相端电位也随之下跳，从而加速了输出电位的跳变过程。反之亦然。因此由于正反馈的引入，使迟滞比较器产生了两个门限电位。
图7中，输出电压为Vomax时，同相端电压为
$V_{+} = \frac{R_{2}}{R_{2} + R_{F}}V_{O\max} + \frac{R_{F}}{R_{2} + R_{F}}V_{R}$
为使 Vomax转换到Vomin，必须vi≥V+，所以上门限电位为
$V_{H} = V_{+} = \frac{R_{2}}{R_{2} + R_{F}}V_{Omax} + \frac{R_{F}}{R_{2} + R_{F}}V_{R}$
同理，下门限电位为
$V_{L} = \frac{R_{2}}{R_{2} + R_{F}}V_{O\min} + \frac{R_{F}}{R_{2} + R_{F}}V_{R}$
所以门限宽度为
$\ \mathrm{\Delta}V = \frac{R_{2}}{R_{2} + R_{F}}(V_{Omax} - V_{Omin})$
稳压管选用6V2，代入公式计算得到，参考电压VR=2.3V，RF取10KΩ。
提醒学生注意vi的幅度如何确定，才能观察到完整的传输特性曲线？
2）研究内容
2.1）单限比较器、迟滞比较器在下列情形下：
a.同相输入、反相输入，
b.参考电压是正电压、零、负电压，
c.输出接、不接稳压管，
以下哪些特性会受影响：传输特性曲线的形状，跳变点，输出最大值、最小值？
以上a，b，c三项研究内容的实验波形分别如图8，9，10所示。
图8同相输入/反相输入的影响
（示意图，实验报告中应标明波形参数）
图9参考电压为零/正电压/负电压的影响
（示意图，实验报告中应标明波形参数）
图10输出接/不接稳压管的影响
（示意图，实验报告中应标明波形参数）
结论：
单限比较器:
a.交换同相输入端、反相输入端，会使得输出波形相位反相，传输特性的VOmax，Vomin
互换。
b.参考电压是零，输出波形为方波，传输特性曲线在零点跳变，即过零比较器。
参考电压不为零，输出波形为矩形波；参考电压为正或负，影响的是矩形波的占空
比是否大于50%，传输特性曲线在X轴平移。
c.输出接、不接稳压管，改变的是输出的最大值和最小值。
迟滞比较器：
a.交换同相输入端、反相输入端，会使得输出波形相位反相，传输特性在上行和下行
之间转换。
b.参考电压是零，传输特性曲线以零点为对称；参考电压为正或负，影响的是矩形波
的占空比是否大于50%，传输特性曲线在X轴平移，门限宽度不变。
c.输出接、不接稳压管，改变的是输出电压的最大值/最小值，跳变点，门限宽度。
2.2）对比通用运算放大器μA741和集成电压比较器LM311构成的单限比较器，在输入信号的
不同频率下的输出波形、传输特性曲线，定性分析输入信号的频率改变对输出特性的影
响。
实验方法,分别用μA741和LM311搭建单限比较器。LM311构成单限比较器电路如图
11所示。改变输入信号的频率分别为50Hz、500Hz、1kHz，观察输入/输出波形、传输特
性曲线,如图3（a）（b）所示。
结论：当频率升高时，μA741的传输特性曲线会明显呈现滞回特性，而LM311的传
输特性曲线不随频率升高而改变。查阅资料可知，μA741的压摆率SR为0.5V/μS，LM311
从低电平跳变到高电平的响应时间为0.115μS。所以LM311的转换速度优于μA741。集
成电压比较器是由运算放大器发展而来，LM311内部取消了中间增益级和频率补偿，响应
速度高。在实际应用中，运算放大器仅可以作为低性能电压比较器使用。
图11 LM311构成的单限比较器
3）拓展内容
3.1）设计要求
3.1.1）设计一个高低电平报警器，输入电压VI为0～10V的直流信号，以0.1V递增，当
VI＜1V或VI＞5V时电路报警。
3.1.2）在上述电路的基础上，增加一级电路，实现闪烁报警。
3.2）设计方案
根据设计要求，该报警器要有两个门限电平，选用窗口比较器。为实现闪烁报警功能，
第二级电路设计为报警电路，总体框图如图12所示。
图12 拓展部分框图
3.2.1）窗口比较器的设计
窗口比较器有两种特性曲线，如图12中的a，b所示，可根据具体设计方案来
选择。本次设计电路如图13（a）所示，传输特性如图13（b）所示。
Vo1
Vo1
（a） （b）
图13 窗口比较器
根据技术要求，VL=1V，VH=5V，请确定R1,R2,R3的阻值。
电路的工作过程如下：
·当VI>VH时，D1导通，D2截止，Vo1为低电平；
·当VI<VL时，D2导通，D1截止，Vo1为低电平；
·当VL<VI<VH时，D1、D2都不导通，Vo1为高电平。
- 报警电路的设计
闪烁报警的设计方法不唯一，要实现闪烁功能，必须设计波形发生器，该电路可设
计为矩形波、方波或三角波发生器，选用μA741或LM555实现，波形发生器的频率要适
当，才能观察到闪烁的效果。
选通波形发生器的方法也有多种，可用三极管开关电路选通、单限比较器选通、窗
口比较器输出信号使能波形发生器电源（此方法工程上不常用）。鼓励学生用不同方案
实现。
方案一，由波形发生器和单限比较器组成，选用μA741实现，如图14所示。
蜂鸣器ZZER
Vo1
Vo
图 14 报警电路
图中VO1为窗口比较器的输出，A1组成矩形波发生器，A2为单限比较器。A2的同
相输入端是一个连续变化的以零电位为对称的三角波，其幅度为
周期为
窗口比较器的输出电压VO1与三角波相比较，当1V≤VI≤5V时，VO1为高电平。注意应
使VO1>V+，此时Vo为低电平，发光二极管和蜂鸣器均不工作。当VI<1V或VI>5V时，VO1为
低电平，经过单限比较器，Vo为正负相间的矩形波。当正电平到来时，发光二极管发光，
蜂鸣器发出嘟声；当负电平到来时，发光二极管熄灭，蜂鸣器停叫。这样，只要矩形波
发生器频率适当，就可看到发光二极管连续闪烁，蜂鸣器发出嘟嘟声。
方案二，用三极管作选通开关，用μA741作波形发生器，窗口比较器需设计为图12
中b传输特性曲线的形式。用窗口比较器的输出驱动三极管开关电路，当窗口比较器输出
为高电平时，三极管导通，选择振荡波形输出，实现闪烁报警。三极管开关电路如图15所
示。
方案三，用LM555设计波形发生器，其余同方案二。
拓展内容实现方案不唯一，依据调试结果分模块给分。
图15三极管开关电路
实验报告要求
需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）
实验报告要求撰写完成部分的内容，主要包含以下几方面：
-
实验目的与要求。
-
实验原理。
-
完整的设计过程，包括选择电路形式，确定电路参数等。
-
实验步骤，实验过程中遇到的问题及解决方法。
-
数据整理、信号波形与特性曲线绘制、数据分析。
-
实验结论。
考核要求与方法（限300字）
考核的节点、时间、标准及考核方法。
1）基本内容占比30%：单限比较器、迟滞比较器各15%。
验收项目：输入/输出波形，传输特性曲线，跳变点，输出的最大值/最小值。
2）研究内容占比40%：4个研究项目各10%。
验收项目：输入/输出波形，传输特性曲线，跳变点，输出的最大值/最小值。
3）拓展内容占比10%：窗口比较器、报警电路各5%。
验收项目：验收实现功能，按完成模块给分。可在课后完成。
4）实验报告占比20%。
考核实验报告的规范性与完整性。
项目特色或创新（可空缺，限150字）
项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。
-
层次化：设计有基本内容、研究内容、拓展内容。
-
多样性：同一功能用不同方案实现，拓宽思维。
-
工程概念：对比专用芯片与通用芯片的器件参数，初步建立芯片选型的工程概念。
-
能力提升：查阅资料的能力，设计电路的能力，提高调试能力。
-
人文关怀：因材施教，多赏识鼓励，教师的肯定和鼓励，很可能是一个学生前进的动力。
附件：
学生拓展实物：
学生实测波形：
学生实验报告（部分内容）：
