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单击此处编辑母版标题样式,第三章 电压比较器、 弛张振荡器及模拟开关,3.1,基本要求及重点、 难点,3.2,习题类型分析及例题精解,3.3,习题解答,第三章 电压比较器、 弛张振荡器及,模拟开关,1.,基本要求,(1),了解电压比较器的基本特性； 理解电压比较器和运算放大器的不同之处,(,包括功能、 电路和要求的不同,),； 掌握电压比较器的开环应用， 亦即简单比较器,(,包括过零比较器和脉宽调制器,),的特点、 用途和传输特性， 能根据输入信号绘制其输出波形。,(2),掌握正反馈比较器,(,迟滞比较器,),的特点、 传输特性及其输入输出波形。,(3),掌握单运放和双运放弛张振荡器电路的特点， 能定性画出输出波形， 计算输出方波、 三角波幅度和振荡频率。,3.1,基本要求及重点、 难点,(4),了解各种单片集成电压比较器的特点、 主要参数和应用。,(5),了解模拟开关的功能和用途。,2.,重点、 难点,重点： 简单比较器、迟滞比较器和弛张振荡器电路的分析和计算。难点：简单比较器、迟滞比较器和弛张振荡器传输特性及输出波形的分析。,本章习题类型主要包括分析计算题和综合设计题。,(1),分析计算类题目一般给定电路， 要求：,分析电路功能；,绘制传输特性；,绘制输出波形等。因为大部分电路为非线性电路， 其暂态分析、 时域分析方法比线性电路分析会困难些。,3.2,习题类型分析及例题精解,(2),综合设计类题目一般提出设计目标， 如功能目标、 输出波形目标、 传输特性目标等， 要求设计电路结构， 确定电路元件值等。 一般设计方案不是唯一的， 要选择其中比较容易实现而性能又可以达到设计目标性能的电路。 解题中应注意以下几点： 简单比较器一定是开环运用， 其比较电平与输出无关。 迟滞比较器引入了“正反馈”， 其比较电平与输出有关， 且,U,r,=,FU,o,， 其中,F,为正反馈系数； 传输特性为闭合曲线， 存在“回差”， 故抗干扰能力增强， 翻转时边缘更加陡峭， 但比较灵敏度降低了。, 无论输入信号的形状如何， 比较器的输出肯定是方波， 其高低电平与电源电压有关。 专用集成电压比较器的高低电平大多与数字电路兼容。 专用集成电压比较器可开环运用， 也可引入正反馈而演变为迟滞比较器。 在迟滞比较器基础上,加入,RC,充放电电路， 并用,RC,电路的电容电压来控制比较器的自动翻转， 便构成弛张振荡器， 从而得到方波与三角波波形。 弛张振荡器的振荡频率一般取决于,RC,定时电路的时间常数及迟滞比较器的比较电平。 弛张振荡器的方波幅度取决于电源电压或输出限幅电路。 三角波的幅度取决于迟滞比较器的比较电平。,【,例,3-1】,设计一个电路， 将一个不规则的波形整形成方波后， 再变换成尖脉冲， 如图,3-1,所示。解,根据题意：,(1),用过零比较器， 将不规则的波形整形成方波。,(2),用微分电路,(,RC,),将方波变换成双向尖脉冲， 只要时常数,RC,远小于,u,i,过零的时间间隔。,(3),用晶体二极管单向导电特性将正脉冲阻隔， 使负脉冲通过， 如图,3-2,所示。,图,3-1,图,3-2,【,例,3-2】,试利用专用集成电压比较器,LM311,， 将一个受干扰的低频三角波,(,如图,3-3,所示,),整形成方波， 建议比较器电源电压采用,5 V,。解,因为输入信号为受干扰的低频信号， 故应采用抗干扰能力强的迟滞比较器， 引入正反馈， 使传输特性存在一个“回差”， 如图,3-4,所示。,图,3-3(a),电路图；,(b),输入信号,取上拉电阻,R,c,=2,k,，,R,1,=,R,2,=10,k,， 取回差,U,T,=2 V,， 则正反馈系数 ， 故,R,2,=40,k,。 其传输特性及输出波形分别如图,3-4,和图,3-5,所示。,图,3-4,传输特性,图,3-5,输出波形,【,例,3-3】,设计一个弛张振荡器， 振荡频率,f,0,=100 Hz,， 方波输出振幅,U,o,12 V,， 三角波线性很好， 且振幅为,6 V,。解,(1),电路选择。 因为要求三角波线性很好， 所以选用双运放构成弛张振荡器， 电路如图,3-6,所示。 因为要求方波振幅,U,o,12 V,， 所以选电源电压,U,CC,=|,U,EE,|=12 V,。 因为要求振荡频率,f,0,=100 Hz,， 频率较低， 故运放型号选,F007(LM741),。,图,3-6,设计的电路图,(2),阻容元件值的确定。 ,R,2,、,R,1,的选择。 根据设计目标， 画出,u,o1,、,u,o2,的波形， 如图,3-7,所示。结合电路图，,u,o1,波形发生跳变时的,u,o2,应满足下式：,当,u,o1,=12 V,时，,可见， 选,R,1,=10,k,， 则,R,2,=20,k,。,图,3-7,方波、 三角波波形, 积分时常数,R,、,C,的选择。 因为,故选,R,=100,k,， 则,3-1,电路如图,P3-1,所示， 设输入信号为,u,i,=2 sin250,t,(V),。,(1),判断各电路功能,;,(2),画出各自的输出波形。,3.3,习题解答,图,P3-1,解,(1),判断各电路功能。电路,(a),引入了负反馈， 是一个反相比例放大器， 其增益,电路,(b),也引入了负反馈， 是一个同相比例放大器， 其增益,电路,(c),引入了负反馈， 是一个一阶移相器， 其增益,输入信号角频率,=250,， 而,故,所以对输入信号的移相为,90,。电路,(d),是一个开环运用的过零比较器， 输出电压为方波， 振幅近似为。,(2),各电路的输出波形如图,P3-1,所示。输入信号振幅为,2 V,， 频率。,图,P3-1,3-2,电路如图,P3-2,所示， 分别画出,(a),、,(b),、,(c),各电路的电压传输特性及输出波形， 设,u,i,=15,sin,t,(V,),。,图,P3-2,解,(1),传输特性。电路,(a),是简单比较器， 其传输特性如图,P3-2(a),所示， 比较电平为,U,r,=,5 V,。电路,(b),是反相输入迟滞比较器， 其传输特性如图,P3-2(b),所示。 其中,U,oH,=+12 V,，,U,oL,=,12 V,； 上门限电压， 下门限电压,电路,(c),是同相输入迟滞比较器， 其传输特性如图,P3-2(c),所示。 其中当时， 输出状态翻转。 由此得到上、 下门限电压分别为,U,TH,=,U,o,=,(,12 V)=12 V,U,TL,=,U,o,=,(12 V)=,12 V,图,P3-2,(2),输出波形图。 输出波形如图,P3-2(a),、,(b),、,(c),所示。,图,P3-2,3-3,电路如图,P3-3(a),所示， 输入信号如图,P3-3(b),所示。,(1),判断,A,1,、,A,2,各组成何种功能的电路；,(2),画出,A,1,所组成电路的电压传输特性；,(3),画出,u,o,的输出波形。,图,P3-3,解,(1) A,1,组成迟滞比较器，,A,2,组成电压跟随器,(,A,u,2f,=1),。,(2) A,1,的传输特性。 画出,A,1,的电路， 如图,P3-3(a),所示， 故,A1,电路的电压传输特性如图,P3-3(b),所示。图,P3-3(b),中，,U,oH,=6 V,，,U,oL,=,6 V,图,P3-3,(3),u,o,波形。 根据传输特性， 画出,u,o,波形如图,P3-3,所示。,图,P3-3,3-4,电路如图,P3-4,所示。,(1),判断,A,1,、,A,2,所组成电路的功能；,(2),求,u,o1,的表达式；,(3),画出,u,o,u,i,电压传输特性。,图,P3-4,解,(1) A,1,是反相相加器；,A,2,是迟滞比较器， 其正反馈系数。,(2),u,o1,的表达式为,(3),画,u,o,u,i,的传输特性分为以下三步。 画出,u,o1,u,i,的传输特性。 根据,u,o1,u,i,的关系式， 画出,u,o1,u,i,传输特性如图,P3-4(a),所示。 画出,u,o1,u,o,的传输特性。 观察电路图，,u,o,的高电,U,oH,=,12 V,， 此时上门限电压， 而,u,o,的低电平,U,oL,=,12 V,， 那么下门限电压。 画出迟滞比较器的电压传输特性如图,P3-4(b),所示。, 画出,u,o,u,i,的传输特性， 关键是找出对应,U,TH,和,U,TL,的,U,i,值。 因为,u,o1,与,u,i,是反相的， 所以对应,U,TH,必是,U,iL,， 而对应,U,TL,必是,U,iH,。 根据,u,o1,=,10,u,i,+2.5 V,得,U,o1,=,U,TH,=4 V,， 求出对应的,U,o1,=,U,TL,=,4 V,求出对应的,画出,u,o,u,i,的传输特性， 如图,P3-4(c),所示。,图,P3-4,3-5,电路如图,P3-5,所示。,(1),判断,A,1,、,A,2,各组成什么功能的电路；,(2),若输入信号为,1 V,的阶跃电压， 试画出,u,o1,和,u,o2,的波形图， 确定,u,o2,产生跳变的时间,t,1,(,设,t,=0,时，,u,C,(0)=0,u,o,(0)=,12 V),。,图,P3-5,解,(1) A,1,接成反相积分器；,A,2,接成迟滞比较器， 正反馈系数,(2) ,因为,u,i,为,+1 V,， 故,u,o1,为线性下降波形， 且, 因为,u,o,(0)=,12 V,，,U,M,=,FU,0,=,4 V,， 当,u,o1,4 V,时，,u,o,将从低电平跳变到高电平， 跳变时刻的,t,=,t,1,， 所以,u,o1,=,t,1,=,4 V,则,t,1,=4 s,。画出,u,o1,、,u,o,的波形如图,P3-5,所示。,图,P3-5,3-6,电路如图,P3-6,所示， 输入信号,u,i,=2,sin,t,(V,),， 试画出,u,o,的波形图。,图,P3-6,解,(1),该电路中,A,2,组成反相比例放大器， 其增益,A,2,将信号反相， 反馈又加到,A,1,的反相端， 所以实际上是引入了正反馈， 也就是,A,1,组成的电路实际上是一个迟滞比较器。 例如，,u,i,U,+,u,o,u,o2,U,所以,(U,+,U,),就越来越大， 是一个正反馈过程。,正反馈系数， 即。 这就是比较电平， 也就是门限电压。当,U,o,=,U,oH,=12 V,时，,U,M,=,U,TH,=,=1 V;,当,U,o,=,U,oL,=,12 V,时，,U,M,=,U,TL,=,=,1 V,。故该电路的传输特性及输出波形如图,P3-6(a),、,(b),所示。,图,P3-6,3-7,电路如图,P3-7,所示， 试画出,u,C,和,u,o,的波形， 并计算振荡频率,f,0,。,图,P3-7,解,(1),u,C,与,u,o,的波形。这是一个方波产生器，,u,o,为方波，,u,C,是非理想的三角波。 方波幅度为电源电压， 三角波幅度为二分之一电源电压， 如图,P3-7,所示。 其振荡频率,f,0,为,图,P3-7,3-8,电路如图,P3-8,实线所示， 试回答如下问题：,(1),判断,A,1,、,A,2,各组成何种功能电路；,(2),设,t,=0,时，,u,i,=0,，,U,C,(0)=0,u,o,(0)=12 V,， 当,t,=,t,1,时，,u,i,接入,+12 V,的直流电压， 问经过多长时间，,u,o,从,+12 V,跃变到,12 V,？,(3),将电路按如图,P3-8,虚线所示连接， 且不外加电压,u,i,， 试说明该电路的功能， 并画出,u,o1,和,u,o,的波形图， 计算振荡频率,f,0,。,图,P3-8,解,(1),A,1,接成反相积分器，,A,2,接成迟滞比较器。,(2),当,t,=0,时，,u,i,=0,，,U,C,(0)=0,，,u,o,=12 V,； 当,t,=,t,1,时，,u,i,=12 V,，,u,o1,线性下降。当时，,u,o,将发生跃变， 从,12 V,跳变到,12 V,。 由此得,而由积分器得,故,式中,u,o1,(,t,1,)=,u,o1,(0)=0,。,u,i,、,u,o1,和,u,o,波形如图,P3-8,所示。,图,P3-8,(3),如图将虚线连通， 则构成闭环， 形成一个三角波方波产生器，,u,o1,输出为三角波，,u,o,输出为方波， 此时不需要外加,ui,便有方波、 三角波输出， 是一个弛张振荡器。,u,o1,和,u,o,的波形如图,P3-8,所示。,振荡频率,f,0,：,图,P3-8,
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