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運算放大器用作比較器

發(fā)布時間:2020-05-05 來源:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在本實驗中,我們將運算放大器配置為開關(guān)模式,以實現(xiàn)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(tài),表征兩輸入電壓的相對狀態(tài)。這種比較使用兩個輸入電壓之差的正負(fù),輸出兩個可能輸出值中的一個,具體的輸出值由規(guī)定的相減方式?jīng)Q定。
 
對于運算放大器比較器,我們可以將單輸入 VD 視為兩輸入信號V+和V–之間的差異。而輸出電壓 VO可以獲取兩個可能值中的一個:
 
●  VO = VOH (高),意味著V+ > V– (vD > 0)
●  VO = VOL (低),意味著V+ < V– (vD < 0)
 
我們將閾值電壓 VTh 當(dāng)做輸入電壓 vI 的特定值(或值),在該值時輸出端開啟(設(shè)置VD = 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(xué)習(xí)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(yīng),如圖1所示。這基本上屬于二元狀態(tài)決策電路:如果正極(+)端口的電壓大于負(fù)極(–)端口的電壓,即VIN > VREF,輸出會增高(在最大值時達(dá)到飽和)。相反,如果 VIN < VREF ,則輸出走低。電路比較兩個輸入端的電壓,根據(jù)相對值產(chǎn)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(huán)運行的。
 
運算放大器用作比較器
圖1.運算放大器用作比較器。
 
硬件設(shè)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(yīng)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(guān)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(fā)生器輸出作為直流源 VREF,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(diào)節(jié)。
 
運算放大器用作比較器
圖2.比較器面包板電路。
 
將波形發(fā)生器 VIN 配置為頻率1 kHz幅值2 V峰峰值正弦波。開啟電源,在VREF 為O V時,導(dǎo)出輸出波形。
 
然后,緩慢增大 VREF 觀察會發(fā)生什么情況。記錄VREF = 1 V的輸出波形。繼續(xù)增大VREF,直到超過2 V,觀察會發(fā)生什么情況。您能予以解釋嗎?
 
對三角輸入波形重復(fù)以上步驟,在實驗報告中記錄觀察到的結(jié)果。
 
步驟:
 
將第一個波形發(fā)生器用作 VIN 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(chǎn)生的波形如圖3所示。
 
運算放大器用作比較器
圖3.比較器波形。
 
遲滯比較器
 
遲滯是指系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)依賴于決定該狀態(tài)量的先前值。輸出值并不是對應(yīng)輸入的嚴(yán)格函數(shù),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(yīng)與對輸入變量增高的響應(yīng)是不同的。
 
在此配置中,包含兩個閾值 VThH 和 VThL,以及兩個輸出值 VOH 和 VOL。閾值應(yīng)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(fā)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。
 
運算放大器用作比較器
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,VIN被應(yīng)用于運算放大器的同相輸入。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò),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VIN。
 
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:
 
運算放大器用作比較器
 
鑒于 VD = 0, VIN → VTh, 我們可以得出以下閾值:
 
運算放大器用作比較器
 
oninver
硬件設(shè)置:
 
為同相遲滯比較器構(gòu)建以下面包板電路。
 
運算放大器用作比較器
圖5.同相遲滯比較器面包板電路。
 
步驟:
 
將第一個波形發(fā)生器用作 VIN 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(chǎn)生的波形如圖6所示。
 
運算放大器用作比較器
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(guān)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。
 
運算放大器用作比較器
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。
 
運算放大器用作比較器
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,VIN被應(yīng)用于運算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò),通過同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋。
 
被應(yīng)用于運算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò),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:
 
運算放大器用作比較器
 
鑒于VD = 0, VIN → VTh,我們可以得出以下閾值:
 
運算放大器用作比較器
 
硬件設(shè)置:
 
為反相遲滯比較器構(gòu)建以下面包板電路。
 
運算放大器用作比較器
圖9.反相遲滯比較器面包板電路。
 
步驟:
 
將第一個波形發(fā)生器用作 VIN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(chǎn)生的波形如圖10所示。
 
運算放大器用作比較器
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(guān)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。
 
運算放大器用作比較器
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。
 
運算放大器用作比較器
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(zhǔn)電壓VREF 。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò),通過同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋,此外有部分VREF通過相同的分壓器。
 
我們可以使用以下公式計算閾值電壓:
 
運算放大器用作比較器
 
鑒于VD = 0, VIN → VTh, 我們可以得出以下閾值:
 
運算放大器用作比較器
 
硬件設(shè)置:
 
為反相遲滯比較器構(gòu)建以下面包板電路。
 
運算放大器用作比較器
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(fā)生器用作VIN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(fā)生器用作2 V恒定基準(zhǔn)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(chǎn)生的波形如圖14所示。
 
運算放大器用作比較器
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(guān)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。
 
運算放大器用作比較器
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(shè)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(zhàn)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(fù)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(guān)。不要忘記,LED需要使用限流電阻,以便流經(jīng)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。
 
運算放大器用作比較器
圖16.使用LED的電壓電平指示器。
 
材料:
 
●  ADALM2000主動學(xué)習(xí)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?;谶@些閾值和輸入電壓,一次亮起一個LED(D1、D2、D3)。
 
練習(xí):
 
●  根據(jù)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(gòu)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(VIN),使用第二個信道生成5 V恒定基準(zhǔn)電壓。
 
運算放大器用作比較器
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(guān)于這種主題的應(yīng)用,可以參考實驗:使用窗口比較器實施溫度控制。
 
 
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