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实验3.10 比较器、方波-三角波发生器
一、实验目的
1、熟悉比较器的工作原理和应用，掌握比较器翻转点的测量方法。
2、理解方波、三角波发生器的工作原理。
二、实验设备及材料
双踪示波器、万用表、直流稳压电源、函数信号发生器、实验电路板等。
三、实验原理
1、过零电压比较器 图3.10.1中，令参考电平U ζ＝0，则输入信号U i 与零比较，当输入电压U i 过零时，比较器发生翻转。U i >0，输出为低电平（U OL ）；而U i <0，输出为高电平。这种电路可做为零电平检测器。
该电路也可用于＂整形＂，
将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。
2、迟滞电压比较器
图3.10.2是用集成运算放大器组成的同相输入迟滞比较器实验电路。当输入电压U i 与输出电压U o 在E 点合成的电压过零时，比较器发生翻转。
由图3.10.2可知： 1
21o 221i
E +++=R R R U R R R U U
图3.10.2 迟滞比较器电路 图3.10.1 过零比较器电路
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电路翻转时U E =0，代入上式有：
o 2
1i =U R R
U - （3-10-1）
3、方波-三角波发生器
方波-三角波发生器由迟滞电压比较器和积分器闭环构成，电路如图3.10.3所示。积分器输出电压U o2是比较器的输入电压U i ，U o1（U o ）是比较器的输出电压。根据式（3-10-1），可知三角波的峰值电压为：
Z 2
1
o2m U R R U ±
= （3-10-2） 式中U Z 为稳压管D Z 的稳压值（忽略稳压管的正向导通电压）。
由于U o2由0上升到U o2m 所需时间为T /4，故
t
R U C U R R U T d 14/04Z Z 21o2m ⎰==
可得三角波的频率为：
C
R R R T f 41241=
=
（3-10-3）
由式（3-10-3）可知，振荡频率f 取决于电路电阻和电容之值，而与U Z 无关。若要维持三角波的峰值电压不变，由式（3-10-2）可见，R 1、R 2不宜改变，这时若要改变输出频率，可通过调节R 4实现。
四、实验内容
1、用万用表测量电压比较器的翻转点（验证性实验）
（1）按图
3.10.2接好电压比较器电路；再按图3.10.4接好可调直流信号源。 （2）调节直流信号源给电压比较器提供一直流输入信号U i 。用万用表直流档，测量电压比较器输入电压U i 和输出电压U o （对地端）。注意调节直流信号源的R W ，使输出U o 为正极性高电平。
（3）按图3.10.5接好发光二极管显示电路，D 点接入比较器输出U o 点，E 点接地。接入显示电路后发光二极管发亮。
（4）接入万用表监测电压比较器的输入电压U i ，缓慢调节直流信号源电位器R W
图3.10.3 方波-三角波发生器
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减小比较器的输入电压U i ，调节至发光管刚刚熄灭时的输入电压，即为翻转电压U r ′。
（5）测量电路状态翻转后的输入、输出电压U i 、U o 。 （6）电路状态翻转后再反方向调节直流信号源的R W
增大比较器的输入电压U i ，调节至发光管由熄灭转为发亮时的翻转电压U r 。
将上述测量的实验数据记入表3-10-1，并与理论值比较。
注意：调节直流信号源测量翻转电压时，一定要用万用表同时监测电压比较器的输入电压U i ，读出发光管刚刚从发亮转熄灭或者由熄灭转为发亮瞬间的输入电压值，不能待电路翻转后再测量。
表3-10-1 用万用表测量比较器的翻转点数据记录 单位： /V
2、用示波器测量比较器的翻转点（验证性实验）
（1）用信号发生器为电压比较器提供f =1kHz ，幅度为10V p-p 正弦波输入信号U i 。 （2）双踪示波器观测并记录电压比较器的输入、输出信号波形，（要求输入输出波形的相位对齐），在波形图中标出翻转电压U r 和U r ′的值。
3、电压比较器电路设计（设计性实验）
设计一个电压比较器电路，当输入电压U i ≥5V 时，输出高电平；U i <5V 时，输出低电平。具体要求：
（1）设计实验电路（给出各元件的具体参数），列出实验所需要的主要设备和材料。 （2）写出实验内容（实验方法与步骤）。 （3）设计实验数据记录表格。
（4）进行相应的实验，验证翻转电压值。
4、用示波器观测方波—三角波发生器的波形（验证性实验） （1）按图3.10.3连接电路。
（2）双踪示波器观测U o1和U o2的波形，注意其相位关系，测量幅值和频率。记入表3-10-2。
（3）在方波输出端U o1接入图3.10.4所示的二极管显示电路，观察波形发生的变化并解释原因。
图3.10.5 二极管显示电路
图3.10.4 可调直流信号源
表3-10-2 三角波、方波发生器测量数据记录R
五、预习要求
1、复习比较器、方波-三角波发生器的工作原理与调试方法。
2、推导、计算方波-三角波发生器电路（图3.10.3）产生信号的幅度及频率。
3、确定设计实验（实验内容3）方案。
六、实验报告
1、整理记录的比较器实验数据，并根据实验，画出比较器的电压传输特性。
2、画出方波—三角波发生器输出的波形图，从理论上计算频率和振幅，并说明两列波的相位关系。
七、思考题
1、用万用表测量电压比较器的翻转点时，要读出发光管刚刚从发亮转熄灭或者由熄灭转为发亮瞬间的输入电压值，为什么不能待电路翻转后再测量。
2、在图3.10.3方波—三角波发生器中，如何实现输出方波的频率和占空比调整？
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