【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 二、電壓比較器 電壓比較器通常由集成運(yùn)放構(gòu)成，與普通運(yùn)放電路不同的是，比較器中的集成運(yùn)放大多處于開(kāi)環(huán)或正反饋的狀態(tài)。只要在兩個(gè)輸入端加上一個(gè)很小的信號(hào)，運(yùn)放就會(huì)進(jìn)入非線性區(qū)，屬于集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用范圍。在分析電壓比較器時(shí)，虛斷路原則仍成立，虛短及虛地等概念僅在判斷臨界情況的時(shí)候才適應(yīng)。 電壓比較器是將一個(gè)模擬輸入信號(hào) ui 與一個(gè)固定的參考電壓 Ru 進(jìn)行比較 。 參考電壓為零的比較器稱為零電平比較器。按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種零電位比較器，如圖 (a)、 (b)所示： 圖 過(guò)零比較器 (a)反相輸入； (b)同相輸入 通常用閾值電壓和傳輸特性來(lái)描述比較器的工作特性。 閾值電壓 (又稱門(mén)檻電平 )是使比較器輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓值，簡(jiǎn)稱為閾值，用符號(hào) THU 表示。 估算閾值主要應(yīng)抓住輸入信號(hào)使輸出電壓發(fā)生 跳變時(shí)的臨界條件。這個(gè)臨界條件是集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位相等 (兩個(gè)輸入端的電流也視為零 )，即UU??? 。對(duì)于圖 (a)電路， , 0 , 0i T HU U U U??? ? ?。 傳輸特性是比較器的輸出電壓 ou 與輸入電壓 iu 在平面直角坐標(biāo)上的關(guān)系 。 畫(huà)傳輸特性的一般步驟是：先求閾值，再根據(jù)電壓比較器的具體電路，分析在輸入電壓由最低變到最高 (正向過(guò)程 )和輸入電壓由最高到最低 (負(fù)向過(guò)程 )兩種情況下，輸出電壓的 變化規(guī)律，然后畫(huà)出傳輸特性。 將零電平比較器中的接地端改接為一個(gè)參考電壓 RU (設(shè)為直流電壓 )，由于 RU 的大小和極性均可調(diào)整，電路成為任意電平比較器或稱俘零比較器。 圖 任意電平比 較器及傳輸特性 (a) 任意電平比較器； (b)傳輸特性 電平電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但它的抗干擾能力差。也就是說(shuō)，如果輸入信號(hào)因干擾在閾值附近 變化時(shí)，輸出電壓將在高、低兩個(gè)電平之間反復(fù)地跳變，可能使輸出狀態(tài)產(chǎn)生誤動(dòng)作。為了提高電壓比較器的抗干擾能力，下面介紹有兩個(gè)不同閾值的滯回電壓比較器。 圖 電平檢測(cè)比較器信傳輸特性 (a)電平檢測(cè)比較器； (b)傳輸特性 滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器 ,遲滯比較器。這種比較器的特點(diǎn)是當(dāng)輸入信號(hào) iu 逐漸增大或逐漸減小時(shí)，它有兩個(gè)閾值，且不相等，其傳輸特性具有 “ 滯回 ”曲線的形狀。滯回比較器也有反相輸入和同相輸入兩種方式。 RU 是某一固定電壓，改變 RU 的值能改變閾值及回差大小。 38電子 以圖 (a)所示的反相滯 回比較器為例，計(jì)算閾值并畫(huà)出傳輸特性。 圖 滯回比較器及其傳輸特性 (a) 反相輸入； (b)同相 輸入 ①、正向過(guò)程 正向過(guò)程的閾值為 形成電壓傳輸特性的 abcd 段。 ②、負(fù)向過(guò)程 負(fù)向過(guò)程的閾值為 形成電壓傳輸特性的 defa 段。由于它與磁滯回線形狀相似，故稱之為滯回電壓比較器。利用求閾值的臨界條件和疊加原理方法，不難計(jì)算出圖 (b)所示的同相滯回比較器的兩個(gè)閾值： 兩個(gè)閾值的差值 Δ 12TH TH THU U U??稱為回差 . 由上分析可知，改變 2R 值可改變回差大小，調(diào)整 RU 可改變 1THU 和 2THU ，但不影響回差大小。即滯回比較器的傳輸特性將平行右移或左移，滯回曲線寬度不變。 圖 比較器的波形變換 (a)輸入波形； (b)輸出波形 例如，滯回比較器的傳輸特性和輸入 電壓的波形如圖 (a)、 (b)所示。根據(jù)傳輸特性和兩個(gè)閾值 ( 1THU ＝ 2V, 2THU =– 2V)，可畫(huà)出輸出電壓 ou 的波形，如圖(c)所示。從圖 (c)可見(jiàn)， iu 在 1THU 與 2THU 之間變化，不會(huì)引起 ou 的跳變。但回差也導(dǎo)致了輸出電壓的滯后現(xiàn)象，使電平鑒別產(chǎn)生誤差。 圖 說(shuō)明滯回比較器抗干擾能力強(qiáng)的圖 (a)已知傳輸特性； (b)已知 iu 波形 ； (c)根據(jù)傳輸特性和 iu 波形畫(huà)出的 ou 波形 電平比較器和滯回比較器有一個(gè)共同特點(diǎn)，即 iu 單方向變化 (正向過(guò)程或負(fù)向過(guò)程 )時(shí)， ou 只跳變一次。只能檢測(cè)一個(gè)輸入信號(hào)的電平，這種比較器稱為單限比較器。 雙限比較器又稱窗 口比較器，它的特點(diǎn)是輸入信號(hào)單方向變化 (例如 iu 從足夠低單調(diào)升高到足夠高 )，可使輸出電壓 ou 跳變兩次，其傳輸特性如圖 (b)所示，它形似窗口，稱為窗口比較器。窗口比較器提供了兩個(gè)閾值和兩種輸出穩(wěn)定狀態(tài)可用來(lái)判斷 iu 是否在某兩個(gè)電平之間。 圖 窗口比較器電 路及傳輸特性 (a)窗口比較器； (b)傳輸特性 三 CD4042鎖存器 圖 為鐘控 D 觸發(fā)器電路圖。當(dāng) CP=0 時(shí) ， DS =1， DR =1,由基本觸發(fā)器的功能可知，觸發(fā)器的狀態(tài) Q 維持不變。當(dāng) CP=1 時(shí)， D 觸發(fā)器的下一狀態(tài)始終和 D 輸入一致，起鎖存功能。 表 D 觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表 本次設(shè)計(jì)采用的是四 D 鎖存器 CD4042，它是由芯片內(nèi)部的 4 個(gè) D 觸發(fā)器構(gòu)成的元件。 CD4042 的引腳如圖 所示。 圖 2. CD4042 的引腳圖 表 2. 3. 2 四 D 鎖存器 CD4042 的功能表 輸 入 輸 出 CP M D Q Q L L d d d ↑ L 鎖存 H H d d d ↓ H 鎖存 四 水位指示 LED 發(fā)光 二極管 簡(jiǎn)稱為 LED。由鎵（ Ga）與砷（ AS）、磷（ P）的化合物制成的D n1Q? 0 1 0 1 圖 鐘控 D 觸發(fā)器電路圖 二極管，當(dāng)電子與 空穴 復(fù)合時(shí)能輻射出 可見(jiàn)光 ，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管。在電路及 儀器 中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷 砷化鎵 二極管發(fā)紅光，磷化鎵 二極管發(fā)綠光， 碳化硅 二極管發(fā)黃光。 它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電 致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用 環(huán)氧樹(shù)脂 密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以 LED 的抗震性能好。 發(fā)光二極管的核心部分是由 P 型半導(dǎo)體 和 N 型半導(dǎo)體組成的 晶片 ，在 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為 PN 結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN結(jié)中，注入的少數(shù) 載流子 與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 PN 結(jié)加 反向電壓 ，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用 注入式電致發(fā)光 原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 LED。當(dāng)它處于正向 工作狀態(tài) 時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽(yáng)極 流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體 晶體 就發(fā)出從紫外到紅外不 同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。 發(fā)光二極管的兩根引線中較長(zhǎng)的一根為 正極 ，應(yīng)接電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長(zhǎng)，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。 與小 白熾燈泡 和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點(diǎn)是：工作電壓很低；工作電流很?。豢箾_擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào) 制通過(guò)的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。由于有這些特點(diǎn)，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號(hào)顯示器。 發(fā)光 二極管有共陰極和共陽(yáng)極兩種接法。對(duì)于共陰極的顯示器，某一段接高電平時(shí)發(fā)光；對(duì)于共陽(yáng)極的顯示器，某一段接低電平時(shí)發(fā)光。本次水位指示采用的是共陽(yáng)極接法。 元件參數(shù)選擇 第 4 章 軟件仿真 仿真電 路圖 總電路的仿真如圖 所示。用開(kāi)關(guān) A 和 B