电压比较器

一、实验目的

掌握电压比较器的电路构成及工作原理。
学会测试电压比较器传输特性的方法。
研究反馈电阻及参考电压对滞回电压（门限电压）的影响。

二、仪器设备

模拟电路实验箱（含集成运放、电阻、稳压二极管等）
双踪示波器
函数信号发生器
数字万用表

三、实验原理与公式详细推导

1. 过零比较器

原理： 运放处于开环状态，无反馈。输入信号 $V_i$ 与 0V 进行比较。 特性公式：

当 $V_i > 0$ 时， $V_o = -V_{om}$ （反相输入接法）。
当 $V_i < 0$ 时， $V_o = +V_{om}$ 。
阈值电压： $V_T = 0V$ 。

2. 反相滞回电压比较器（实验重点）

电路结构： 输入 $V_i$ 接反相端（-），输出 $V_o$ 通过反馈电阻 $R_F$ 接同相端（+），同相端通过 $R_1$ 接地。 公式推导： 根据“虚断”，利用电阻分压原理计算同相端电压 $V_+$ ： $V_+ = \frac{R_1}{R_1 + R_F} V_o$ 比较器翻转的临界条件是 $V_- = V_+$ ，即 $V_i = V_+$ 。

上门限电压 $V_{T+}$ （当 $V_o$ 为高电平 $+V_Z$ 时）： $V_{T+} = \frac{R_1}{R_1 + R_F} (+V_Z)$
下门限电压 $V_{T-}$ （当 $V_o$ 为低电平 $-V_Z$ 时）： $V_{T-} = \frac{R_1}{R_1 + R_F} (-V_Z)$
回差电压（滞回宽度）： $\Delta V = V_{T+} - V_{T-}$

3. 同相滞回电压比较器（选做部分）

电路结构： 输入 $V_i$ 通过 $R_1$ 接同相端（+），反馈 $R_F$ 接同相端（+），反相端（-）接地。 公式推导： 翻转临界条件是 $V_+ = V_- = 0V$ 。对同相端列节点电流方程（KCL）： $\frac{V_i - V_+}{R_1} + \frac{V_o - V_+}{R_F} = 0$ 将 $V_+ = 0$ 代入得： $\frac{V_i}{R_1} = - \frac{V_o}{R_F}$ 解得输入阈值： $V_i = - \frac{R_1}{R_F} V_o$

上门限 $V_{T+}$ （当 $V_o$ 为低电平 $-V_Z$ 时需输入升高）： $V_{T+} = - \frac{R_1}{R_F} (-V_Z) = + \frac{R_1}{R_F} V_Z$
下门限 $V_{T-}$ （当 $V_o$ 为高电平 $+V_Z$ 时需输入降低）： $V_{T-} = - \frac{R_1}{R_F} (+V_Z) = - \frac{R_1}{R_F} V_Z$

四、实验数据处理与记录

实验条件：

运放饱和输出电压（稳压值）：实测 $V_Z \approx \pm 5.84V$ 。
输入电阻： $R_1 = 10k\Omega$ 。

表1：过零比较器数据记录

(数据来源：手写笔记顶部记录)

测量项目	输入电压 $V_i$ (阈值)	输出电压 $V_o$	现象描述
$V_i$ 悬空	/	-5.81 V	输出饱和
由低变高翻转	-0.44 V (实测)	-5.81 V	输入为正弦波时
由高变低翻转	+0.11 V (实测)	+5.86 V	输出为反相方波

表2：反相滞回比较器数据记录 (核心数据)

(数据来源：手写笔记中间表格数据)

实验参数	$R_F = 100k\Omega$	$R_F = 200k\Omega$
$V_i$ 由低到高转换阈值 ( $V_{T+}$ ) (输出由 $+V_Z \to -V_Z$ )	0.63 V	0.77 V
$V_i$ 由高到低转换阈值 ( $V_{T-})$ (输出由 $-V_Z \to +V_Z$ )	-0.79 V	-0.46 V
回差电压 (滞回宽度) $\Delta V$ 计算值: $V_{T+} - V_{T-}$	1.42 V (0.63 - (-0.79))	1.23 V (0.77 - (-0.46))
输出饱和电压 $V_{om}$	$\pm 5.8V$	$\pm 5.8V$

表3：同相滞回比较器数据 (理论计算)

(注：由于手写笔记未包含此部分实测值，此处根据“原理3”中的公式及仪器参数计算得出，用于完善报告)

实验参数	$R_F = 100k\Omega$	$R_F = 200k\Omega$
计算公式	$\pm \frac{R_1}{R_F} V_Z$	$\pm \frac{R_1}{R_F} V_Z$
上门限电压 $V_{T+}$ (理论)	+0.58 V	+0.29 V
下门限电压 $V_{T-}$ (理论)	-0.58 V	-0.29 V
输入输出相位关系	同相	同相

五、数据分析

关于滞回宽度的规律： 根据表2数据计算：
- 当 $R_F = 100k\Omega$ 时，滞回宽度 $\Delta V = 1.42V$ 。
- 当 $R_F = 200k\Omega$ 时，滞回宽度 $\Delta V = 1.23V$ 。
- 分析： 数据直观地表明，随着反馈电阻 $R_F$ 的增大，滞回宽度 $\Delta V$ 减小。这验证了理论公式 $\Delta V = \frac{2R_1}{R_1+R_F}V_Z$ 的趋势（ $R_F$ 在分母，阻值越大，回差越小）。
关于测量误差：
- 在 $R_F=100k$ 时，正负阈值（ $0.63V / -0.79V$ ）存在一定的不对称性；在 $R_F=200k$ 时，正阈值 $0.77V$ 略偏大。
- 原因： 这主要是由于运算放大器的输入失调电压、实验箱电阻的精度误差以及示波器读数时的视觉误差共同引起的。尽管数值有偏移，但“ $R_F$ 增大导致回差减小”的物理规律依然成立。
波形观察：
- 过零比较器在0V附近输出波形存在抖动。
- 滞回比较器输出波形边缘陡峭、稳定，且翻转点滞后于过零点。

六、实验结论

功能实现： 实验成功验证了电压比较器将模拟正弦波转换为数字方波的功能。
电路特性：
- 过零比较器灵敏度高，但抗干扰能力较差。
- 滞回比较器具有明显的抗干扰特性。实验证实，通过引入正反馈，电路产生了两个门限电压。输入信号必须跨过回差电压区域才能触发翻转，从而有效滤除了叠加在信号上的噪声干扰。
参数影响： 反馈电阻 $R_F$ 是调节滞回特性的关键参数。 $R_F$ 越大，正反馈越弱，滞回宽度越窄，电路灵敏度提高，但抗干扰能力相对下降。

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