电压比较电路在线视频

大家好

从这一节我们开始新的一章：信号转换电路

在实际工程应用中

为了方便测量、传输和处理

有时候需要将信号在不同的

形式间进行相互转换

常见的有模/数与数/模转换

电压频率/转换、电压/电流转换等

这一节我们要讲的内容是电压比较电路

从名称看我们就能知道

电压比较电路是用来鉴别和比较两

个模拟输入电压大小的电路

这就是将模拟电压转换成高低电平的电路

本节的学习目标主要有三个

1. 理解基本比较电路和滞回

比较电路的工作原理

2. 理解振铃现象以及消除

振铃现象的方法

3. 能够分析常用的电压比较电路

下面我们看一个常见的测量实例

就是智能手表或者是手环

我们都知道智能手表可以测量我们的心率

它的工作原理是什么

又是怎么实现的呢

仔细观察过的同学可能会发现

如图所示

智能手表的背面有两个发光二极管

如右图所示

它发出的光会照射到人体的血管

用于血液对特定波长的光具有吸收作用

每次心脏泵血的时候

血液充足，光会被大量吸收

而心脏不泵血的时候，吸收相对比较弱

这样经人体反射后的光信号

再经光电器件转换成电信号

就可以得到如图所示的曲线

因为智能手表显示的心率是数字信号

我们怎么能通过得到的

曲线获得数字信号呢

那就需要我们的电压比较电路

设置一定的阈值

通过比较得到如图所示的方波信号

再对方波进行计数就得到了心率

也就是每分钟心跳的次数

那么电压比较电路是怎么完成比较

得到方波信号的呢

我们一起来学习接下来的内容

首先，我们来一起看一下基本比较电路

如图 a) 所示是一个电压比较器

也叫单阈值比较器，它的两端分别接入

信号 ui 和参考信号 UR，当 ui 小于 UR

比较器的输出为高电平 UoH

当 ui 大于 UR

比较器输出低电平 UoL

他的电平比较特性如图 b) 所示

电路中 UR 称为门限电压或者阈值电压

他是比较器发生跳变时的输入电压

当然，因为比较其本身有

失调电压 uos

若要用比较器检测微弱信号

需要实现在 UR 中消除这个

Uos 的影响

这里需要强调一下普通运算放大器

也可以作为比较器使用

但是

运放电路在设计时，重点考虑其输出和输入

的线性放大特性以及稳定性等指标

响应时间一般比较长

为了解决响应时间和电平匹配问题

电压比较器被设计成专用的电路

集成电压比较电路

为了让大家更直观的了解

电压比较器的功能

我们来一起看一下一个简单的电路仿真

电路中比较器输入一个

5V-100Hz的电压信号

另一端接地

输入信号和输出信号分别接在

示波器的两路输入

得到了两路信号的波形如图所示

输入信号在经过 0V 发生跳变

输入大于 0V 时，输出一个较低的电平 UoL

当输入小于 0V 时

输出为一个较高的电平 Uoh

下面我们回到智能手表测得

的心率信号如图所示

将测量信号接到比较电路

ui 的输入端

可经过比较电路得到方波信号

那么这个阈值电压 UR 应该怎么设置

才能得到实际心率相符合的

方波信号呢

如果信号波形如右图所示

那么 UR 可以设置在图中

所示的位置，可以得到

下方比较理想的方波信号

实际上我们获得的测量信号

往往没有那么理想

常常是像图中所示，有干扰信号

波形上表现就是有很多毛刺

把信号局部放大了

就如右图所示

这样在跟UR比较的时候

就出现了图中所示的波形

因为实际心率信号并不一致

这样在输入信号接近阈值电压时

叠加在它上面的干扰信号会

使比较器发生误反转

这就是电压比较器的“振铃现象”

怎么才能解决振铃问题

避免误反转，得到正确的测量结果呢

解决方法就是我们下面要

学习的滞回比较电路

我们看一下电路的结构

从比较电路输出端

至同相端接入一个正反馈

变成了如图所示的电路

这就是滞回比较电路

从电路我们可以看出

电路实际的比较电压

是 U₁ 或 U₂

他们决定于输出电平 UoL 和 UoH

两个阈值电压可以由叠加原理得到

分别假设 UR 作用

Uo 接地，和 Uo 作用 UR 接地

我们可以得到 U₁ 和 U₂ 的表达式

U₁ 和 U₂ 的差值 △U

称为滞后电平

由最后一个表达式可知

滞后电平根据实际情况

通过改变 R₁ 和 R₂ 来调节

由前面的分析

门限电压与输出高低电平

UoH 和 UoL 相关

输出为高电平 UoH 时，门限电压为 U₂，

输出低电平 UoL 时，门限电压为 U₁

这样，两个门限电压就使得滞回比较

电路的传输特性，如右图所示的迟滞回线形状

Ui由小变大

遇到大的门限电压

UOH 偏转，Ui 大变小

遇到小的门限电压

UOL 偏转

回到我们原来带有干扰的测量信号

通过调节 R₁ 和 R₂ 两个电阻

改变滞后电平

就能获得如图中 uo 所示正确的波形

通过滞回比较电路

我们成功解决了振铃现象的问题

下面是一个仿真

我们设计如图所示的比较电路

一个正弦信号和信号发生器

产生的一个三角波

经过 U₂ 相加产生信号作为输入

一路直接经过比较器 U₁

另一路，经 U₃ 构成滞回比较器

通过两个示波器

观察这两个比较电路的结果

左面是直接比较的结果

由于振铃现象，出现了误反转的情况

右图为滞回比较器输出

可以避免误反转

从这个仿真我们可以清晰的看到

滞回比较电路可以有效的去除

振铃现象引起的误反转

这在实际工程应用中具有重要的意义

学习了滞回比较电路之后

我们再回到智能手表对心率的测量

通过光线号对血管舒张收缩的测量

获得了带有外界干扰的测量信号

通过滞回比较电路，去除干扰信号

带来的振铃现象

获得与心跳一致的方波信号

再进行计数和显示

最后我们来简单的做一下总结

首先学习了基本电压比较电路

由于基本电压比较电路的

振铃现象会引起误反转

接下来学习了滞回比较电路

来避免这类现象

以上是我们这一节的学习内容

再见